碳化硅基底覆多层石墨烯力学强化性能分子动力学模拟

作     者：陈晶晶 赵洪坡 王葵 占慧敏 罗泽宇 

作者机构：南昌理工学院机电工程学院 南昌理工学院计算机信息工程学院 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

基　　金：江西省教育厅科学技术研究项目(批准号:GJJ2202705) 南昌理工学院校级课题项目（批准号：NLZK-22-07﹑NLZK-22-01) 南昌理工学院机械表/界面摩擦磨损与防护润滑研究中心资助 南昌市重点实验室建设项目(批准号:2020-NCZDSY-005)资助 

主　　题：碳化硅 多层石墨烯 力学强化 分子动力学 接触刚度 

摘      要：微机电系统半导体碳化硅器件覆多层石墨烯的力学强化性能与塑性变形微观研究将对提升该器件耐久性服役寿命期和强韧化机制理解起到显著作用。因此，本文基于分子动力学法探讨了石墨烯堆垛类型（AA和AB堆垛）和极端使役温度对其接触力学性能（最大承载荷﹑硬度﹑杨氏模量﹑接触刚度）﹑微结构演化﹑接触质量﹑褶皱形貌﹑位错总长的影响，解释了碳化硅基底覆多层石墨烯力学强化的原子尺度机制。研究发现：相同使役温度下，随覆石墨烯层数增加，碳化硅基底微结构的棱柱形位错环演化中越早发生脆断；石墨烯AB堆垛在最大压深时的碳碳键断裂会导致石墨烯优异面内弹性变形丧失，以致其最大承载性呈现断崖式下降。研究表明：碳化硅基底覆三层石墨烯的力学强化性能是纯碳化硅的2倍，该强化效应不受石墨烯堆垛类型影响，其力学强化机制主要源于多层石墨烯受载加大会引起石墨烯面内褶皱增加，从而增大界面接触刚度，触发界面接触质量减小所致。使役温度升高，会激发原子振动频率增加，诱导界面接触原子数增多，以致界面接触质量增加，而界面接触刚度随之减弱，最终引起碳化硅基底覆多层石墨烯力学性能随温度升高呈近似直线下降。此外，碳化硅基底的亚表层应力集中会诱导基底内的微结构产生滑移与演变；基底覆石墨烯层数增加可有效减小基底亚表层的应力集中分布程度，从而对基底起抗载保护作用。