研究背景

● 在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，摩擦磨損對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響會(huì)更為嚴(yán)重。減少超強(qiáng)納米晶不銹鋼在納米摩擦中的摩擦磨損成為不銹鋼材料在微觀力學(xué)中進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵。但是，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境要求，常規(guī)的液體潤滑方法和潤滑材料并不適用。

● 自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其優(yōu)異的機(jī)械和摩擦性能引起了摩擦學(xué)研究人員的注意。由于石墨烯在納米摩擦中表現(xiàn)出許多行為，所有這些行為都會(huì)影響摩擦。因此，僅僅證明石墨烯可以減少不銹鋼的摩擦磨損并不足以支持石墨烯用于不銹鋼納米摩擦潤滑，需要對石墨烯在不銹鋼基體上進(jìn)行納米摩擦研究。

● 在MEMS運(yùn)行過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)上的載荷會(huì)發(fā)生變化，石墨烯的潤滑效果在不同載荷下可能會(huì)發(fā)生變化。因此，法向載荷是石墨烯應(yīng)用于不銹鋼納米潤滑的關(guān)鍵參數(shù)，開展本研究對石墨烯和納米晶不銹鋼的應(yīng)用具有重要意義。

研究思路

對不銹鋼基體石墨烯在不同法向載荷下的納米摩擦進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對石墨烯在不銹鋼基底上的納米摩擦進(jìn)行了原子尺度模擬。研究了法向載荷變化時(shí)不銹鋼基體石墨烯凸起區(qū)的摩擦特性。分析了石墨烯凸起區(qū)摩擦力的主要來源，建立了不同來源摩擦力與法向載荷的關(guān)系。石墨烯凸起區(qū)摩擦力上升的過程分為兩個(gè)階段，研究了摩擦力上升的兩個(gè)階段與法向載荷的關(guān)系，揭示了法向載荷引起摩擦力上升的機(jī)理。

主要結(jié)論

● 在對不銹鋼基底石墨烯凸起區(qū)域的納米摩擦的研究中，發(fā)現(xiàn)法向載荷的增加會(huì)影響摩擦。隨著法向載荷的增加，尖端需要有更長的位移來完成摩擦力上升階段。法向載荷越高，穩(wěn)定階段的摩擦力就越高，這與常見的摩擦現(xiàn)象一致。然而，與經(jīng)典摩擦理論不同，法向載荷和摩擦力之間沒有線性關(guān)系。隨著法向載荷的增加，相同的載荷增加量對穩(wěn)定階段的摩擦力值有更明顯的增強(qiáng)。

● 在摩擦力來源的分析中，膨脹石墨烯區(qū)域的摩擦力由材料自身的摩擦阻力和形態(tài)堆積的影響組成。堆積效應(yīng)是導(dǎo)致法向載荷與摩擦力非線性相關(guān)的關(guān)鍵因素。除此之外，摩擦力上升階段也解釋了這種非線性相關(guān)現(xiàn)象。摩擦力上升的第一階段與法向載荷呈線性相關(guān)，摩擦力上升的第二階段與法向載荷呈非線性相關(guān)。因此，石墨烯凸起結(jié)構(gòu)的堆積效應(yīng)通過控制摩擦力上升的第二階段來約束法向載荷變化對摩擦力的影響。

● 先前的研究指出，石墨烯凸起中第二階段摩擦上升的機(jī)制是質(zhì)量演化效應(yīng)，本質(zhì)上是石墨烯構(gòu)象調(diào)節(jié)能力的表現(xiàn)。因此，法向載荷的變化會(huì)影響膨脹石墨烯的構(gòu)象調(diào)節(jié)能力。因此，石墨烯用于不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)的納米潤滑更適合于低負(fù)載環(huán)境。

文章信息

● Wanmin Guo, Qingshun Bai*, Yuhao Dou, Hongfei Wang, Tingting Wang, and Shandeng Chen. Effect of Normal Load on the Nanofriction Behavior of Graphene on Stainless-Steel Substrate: Implication for Nanoscale Lubrication[J]. ACS Appl. Nano Mater., 2024, Publication Date:April 24, 2024, https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00913

● 作者團(tuán)隊(duì)來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。

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