本文關(guān)鍵詞：石墨烯的機械性能實驗研究

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 原子力顯微鏡 納米壓痕 機械性能 載荷 層數(shù) 溫度

【摘要】：石墨烯因其獨特的結(jié)構(gòu)和各方面優(yōu)異的性能,被認為是新一代電子器件中最具應(yīng)用潛力的材料。近年來,關(guān)于石墨烯機械性能的研究不斷深入,人們已從過去通過碳納米管的機械性能推斷平面石墨烯薄膜的機械性能發(fā)展到應(yīng)用各種理論模型及實驗方法來測試這種薄膜材料的機械特性。但目前由于方法的差異及微觀操作的困難性,其機械性能尚無統(tǒng)一定論,且研究結(jié)果也是各有差異。因此,研究石墨烯薄膜材料的機械性能十分必要,不僅是對其機械性能的客觀認識,也為其今后在電子信息產(chǎn)品和微／納機電系統(tǒng)(M/NEMS)等應(yīng)用中提供理論計算依據(jù),如計算產(chǎn)品工作性能,預估使用壽命等。本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外應(yīng)用于測試石墨烯等薄膜材料機械性質(zhì)的測試方法,綜合考慮了各種方法的優(yōu)缺點結(jié)合本實驗室的條件,選取了其中一種最為合適的測試方法對石墨烯的機械性能進行了研究。本文基于原子力顯微鏡納米壓痕技術(shù)研究了機械剝離法制備的石墨烯的機械性能。研究發(fā)現(xiàn)隨著加載載荷的增加,單層石墨烯的彈性模量(楊氏模量)值呈現(xiàn)三個階段,不完全彈性變形階段,彈性變形階段,塑性變形階段。第一個階段是由于石墨烯懸浮在孔上存在的微小褶皺引起的,這一階段薄膜的變形部分是自然拉伸變形,部分是彈性變形,第二個階段是完全彈性變形,這個階段所測得的楊氏模量值呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,最后變形增加直至破裂。所以第二階段的測試值可以用來提取石墨烯彈性模量的真實值。在對石墨烯彈性模量的研究中,探究了層數(shù)對其的影響,結(jié)果表明單層,雙層,四層石墨烯的彈性模量值均趨于一致,即它們有著相同的強度,并與體態(tài)石墨的彈性模量值相近,這揭示了石墨烯層間作用力非常強,幾乎不存在層間滑動現(xiàn)象。此外,還探究了溫度對單層石墨烯機械性能的影響,實驗發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,石墨烯的彈性模量下降,綜合分析了邊界滑動的可能性以及小孔內(nèi)空氣的影響,從分子動力學的角度推測隨著溫度的升高,石墨烯內(nèi)部原子受熱擾動,材料整體呈現(xiàn)出一種變軟的趨勢。在對石墨烯摩擦性能的研究中,主要探究了有基底支撐的單雙層石墨烯的摩擦性能和懸浮狀態(tài)下的單雙層石墨烯的摩擦性能。研究表明有基底支撐的單層石墨烯摩擦力最小,小于有基底支撐的雙層石墨烯和懸浮狀態(tài)下的單雙層石墨烯,而懸浮狀態(tài)下單雙層石墨烯的摩擦力無明顯差別。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 原子力顯微鏡 納米壓痕 機械性能 載荷 層數(shù) 溫度
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 石墨烯簡介10-13
• 1.1.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)與制備方法10-11
• 1.1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)11-12
• 1.1.3 石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用12-13
• 1.2 國內(nèi)外對石墨烯機械性能的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.1 石墨烯機械性能研究方法的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.2 石墨烯機械性能的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.3 石墨烯摩擦性能的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 本課題研究內(nèi)容與意義17-18
• 第二章 原子力顯微鏡的原理18-25
• 2.1 原子力顯微鏡的簡介18-21
• 2.1.1 原子力顯微鏡的工作原理18-19
• 2.1.2 原子力顯微鏡的工作模式19-21
• 2.2 探針簡介及其參數(shù)校正21-23
• 2.2.1 AFM核心部件—探針21
• 2.2.2 探針的靈敏度校正21-23
• 2.3 本實驗設(shè)備23-25
• 第三章 常溫下彈性模量影響因素及實驗與結(jié)果討論25-44
• 3.1 經(jīng)典薄板理論25-27
• 3.2 實驗方法27-30
• 3.2.1 樣本的制備27-28
• 3.2.2 樣本的表征28-30
• 3.3 實驗過程及數(shù)據(jù)處理方法30-32
• 3.3.1 實驗過程30-31
• 3.3.2 數(shù)據(jù)處理方法31-32
• 3.4 測試條件對石墨烯彈性模量的影響32-42
• 3.4.1 壓痕位置點對彈性模量的影響32-34
• 3.4.2 加載速度對彈性模量的影響34-36
• 3.4.3 最大加載載荷對彈性模量的影響36-42
• 3.5 小結(jié)42-44
• 第四章 溫度對石墨烯彈性模量的影響44-57
• 4.1 實驗方法44-47
• 4.1.1 樣本處理44-45
• 4.1.2 溫度控制方法45
• 4.1.3 實驗過程及注意事項45-47
• 4.2 溫度對薄層材料彈性模量的影響47-52
• 4.3 層數(shù)對石墨烯彈性模量的影響52-55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 第五章 石墨烯的摩擦性能研究57-64
• 5.1 樣本的制備與表征57
• 5.2 實驗方法57-59
• 5.2.1 粘附力測量58
• 5.2.2 摩擦力測量58-59
• 5.3 單雙層石墨烯的摩擦性能59-63
• 5.4 本章小結(jié)63-64
• 第六章 總結(jié)與展望64-66
• 6.1 總結(jié)64-65
• 6.2 展望65-66
• 致謝66-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文71-72
• 附錄72-73

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本文編號：743827