宇宙大爆炸 用于逼真粗糙表面的石墨烯/C60/石墨烯涂层的超低摩擦( 五 )


图8.不同模型中变形最大的C60分子的弹性变形作为外加应力的函数 。 (a)和(c) C60半径应变和(b)和(d) C60vol应变 , 用于具有不同表面粗糙度值的模型 。 (a)和(b)来自初始压缩模拟的数据 。 (c)和(d)来自滑动模拟的数据 。(可以在线查看此图的彩色版本 。 )
图9. 18GPa载荷滑动模拟后样品的最终变形结构 。 Rmax=0、2.5和5?粗糙度整个模型的图示显示在(a)、(c)和(e)面板中 , 从(b)、(d)和(d)和(b)和(d)和(f)分别 。(可以在线查看此图的彩色版本 。 )
从22GPa到29GPa , 摩擦系数急剧增加到0.03并保持快速增加 , 表明另一种摩擦状态 。 如图7(b)所示 , 对于Rmax=5?的情况 , 在22GPa时 , 金刚石和顶部石墨烯层之间的新键在夹层结构中产生 , 增加了摩擦系数 。 在24GPa时 , C60分子和C60分子和顶部石墨烯之间会产生键 。 这些额外的键进一步增加了摩擦力和摩擦系数 。 在29GPa及以上时 , C60分子、石墨烯层和金刚石之间的键数会出现峰值 。 此时 , 整个夹层结构通过共价键连接 , 并且在滑动模拟过程中 , 结构的完整性在几个时间步长内被破坏 。
4.讨论
将我们的模拟结果与文献中的类似报告进行比较是有益的[45
。 Brenner等人和Kang等人对单个C60分子的机械行为和摩擦学特性进行了开创性工作 , 为该领域的进一步工作提供了参考 。 Legoas等人和Sasaki等人通过详细描述平面上C60薄膜晶胞(4个分子)的动力学 , 模拟了石墨烯/C60/石墨烯系统的摩擦学特性 。 这里介绍的工作是对这些先前调查的后续工作 。 同样 , 我们专注于石墨烯/C60/石墨烯夹层结构的机械行为和摩擦学性能 。 我们通过研究以前未考虑的关键方面来扩展范围 , 即i)热振动的影响(结果是在T=300K时产生的);ii)表面粗糙度的影响;iii)相对较大的C60薄膜中独立C60分子的动力学;iv)夹层结构的限制效应 。 这些方面对于评估石墨烯/C60/石墨烯在超低摩擦和耐磨保护涂层膜中的可能应用很重要 。
基于之前有洞察力的结果报告了夹层结构涂层平面的超低摩擦 , 我们的工作类似地表明 , 超低摩擦状态也表现在粗糙的表面上 。 我们工作的一个有趣的结果与之前的报告形成对比的是摩擦过程中C60分子的动力学 。 Miura等人、Sasaki等人和Kang等人将观察到的系统超低摩擦与AB堆积和粘滑运动的形成联系起来 。 相比之下 , 我们的模拟表明 , 可以在没有这些特征的情况下实现夹层结构的超低摩擦 。 我们在薄膜层中有24个封闭堆积的C60分子的模拟模型表明在摩擦过程中没有C60滚动 。 这可以说是压缩下封闭填充薄膜中C60分子的强相互作用的影响 。 对于平面情况 , C60分子确实在两个石墨烯限制层之间移动 。 尽管如此 , 没有滚动 , 分子只是在密闭空间中滑动 。 然而 , 对于所考虑的两个粗糙表面 , C60分子覆盖在粗糙表面上 , 并且在摩擦模拟过程中不存在它们的集体运动 。 我们将C60分子的形状和变形模式与机械和摩擦学行为的变化直接联系起来 。 我们使用C60半径应变、C60体积应变、球体形状参数和不同层之间的键数来识别摩擦系数曲线中的拐点 , 阐明摩擦状态的变化 。
虽然我们在此证明石墨烯/C60/石墨烯系统是用于现实表面的坚固涂层 , 但应该注意的是 , 在过去几年中 , 其他低维系统的摩擦学特性和涂层性能已得到深入研究 。 特别是 , Liu等人最近报道了在高达1GPa的高接触压力下直接测量石墨烯涂层微球的超润滑性 。 Zhang等人讨论了晶界对多晶石墨烯摩擦磨损的影响 。 Xu等人和Liu等人研究了通过涂覆石墨烯层和其他2D材料薄片来抑制MEMS/MEMS中的磨损 。
这里应该注意的是 , 我们使用AIREBO势来处理C60分子中的碳原子、石墨烯和金刚石成分之间以及不同成分中原子之间的所有相互作用 。 虽然AIREBO电位已被证明在许多条件下具有强大的潜力 , 但还有其他电位 , 例如ReaxFF , 可以说能够更好地描述不同材料的键形成和键断裂 。 虽然我们预计此处呈现的结果的两种电位的预测之间存在细微差异 , 但在描述复杂的磨损过程及其对摩擦的贡献时 , 应首选ReaxFF , 此处未涉及 。 在磨损过程中 , 粘合形成和断裂过程起着关键作用 , 需要准确描述 。
5 。 结论
总之 , 在这项工作中 , 我们通过执行室温MD模拟和分析研究了石墨烯/C60/石墨烯夹层结构涂层真实粗糙表面的摩擦学特性 。 我们的结果表明 , 无论被涂表面的粗糙度如何 , 夹层结构都表现出超低摩擦、μ<0.01和高达8GPa的高强度的出色组合 。 模拟数据表明 , C60分子的形状和变形模式的变化是了解夹层结构强度和摩擦的关键 。 这项研究的一个关键结果是通过将C60分子弹性变形为扁球体形状来延迟塑性变形 , 即在C60分子之间以及C60分子与石墨烯之间产生键 , 从而使密堆积的C60薄膜能够支持高压载荷 。 这项工作的模拟结果表明 , 石墨烯/C60/石墨烯具有出色的强度和摩擦学性能 , 这源于石墨烯的低摩擦系数与C60分子的纳米轴承性能的协同作用 。 这些结果突出表明 , 这种夹层结构具有在许多应用中用于超低摩擦、高强度和耐磨涂层的潜力 。

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