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铜基底/石墨烯涂层束缚减摩机制

表面技术 2023年第5期52卷 61-70页

作者：冉迪郑鹏苑泽伟王宁沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 沈阳城市建设学院机械工程学院沈阳110870 沈阳工业大学工程实训中心沈阳110167

目的探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法基于AIREBO、EAM、Lennard-Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究... 详细信息

目的探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法基于AIREBO、EAM、Lennard-Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究,结合基底位错、承载直径、划切圆角、划切刃角的变化规律,分析石墨烯涂层对法向力和摩擦力的影响。结果在纳米压痕中,石墨烯涂层使基底压入边缘处产生了划切圆角,当压入深度为3.0 nm时,基底承载直径由4.6 nm增至8.2 nm,法向承载力由62.63 nN提高至514.32 nN;在摩擦过程中,石墨烯涂层抑制了基底表面的犁沟效应,使位错密度由0.06 nm^(-2)提升至0.15 nm^(-2);当压入深度相同时,石墨烯涂层使基底具有更小、更稳定的摩擦因数,最终使摩擦因数降低了61.43%~77.81%;当下压力为150 nN时,石墨烯涂层使划切刃角由90°降至32°,摩擦力由75.72 nN降至21.51 nN。当Cu/Gr基底上的划切刃角由32°降至17°时,摩擦力由21.51 nN降至9.08 nN。结论石墨烯涂层的束缚机制增大了基底表面的承载直径,增大了基底内的位错密度,进而提高了法向承载能力。石墨烯涂层的束缚机制降低了划切刃角,降低了摩擦力,提升了基底的摩擦性能。

关键词：铜基底石墨烯涂层减摩机制摩擦特性分子动力学位错密度承载直径划切刃角

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海上风电钢管桩石墨烯涂层的防腐性能

建筑材料学报 2023年第2期26卷 200-205页

作者：李辉赵凯浙江华东工程咨询有限公司浙江杭州311122

研究了常规重防腐涂层(常规涂层)和石墨烯重防腐涂层(石墨烯涂层)的附着力和电化学性能,并利用数值模拟研究了牺牲阳极和石墨烯涂层防护下的海上风电钢管桩的防腐性能.结果表明:石墨烯涂层的附着力明显大于常规涂层;石墨烯涂层的腐蚀电... 详细信息

研究了常规重防腐涂层(常规涂层)和石墨烯重防腐涂层(石墨烯涂层)的附着力和电化学性能,并利用数值模拟研究了牺牲阳极和石墨烯涂层防护下的海上风电钢管桩的防腐性能.结果表明:石墨烯涂层的附着力明显大于常规涂层;石墨烯涂层的腐蚀电流密度比常规涂层降低了1个数量级,且其腐蚀电位正移,表明石墨烯涂层的防腐效果较好;与常规涂层相比,石墨烯涂层可显著减小钢管桩表面的腐蚀速率,提高涂层的阴极保护作用.

关键词：海上风电石墨烯涂层钢管桩腐蚀

基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

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摩擦学学报 2018年第4期38卷 391-400页

作者：洪红陈苏琳陈茜张执南沈彬上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显... 详细信息

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.

关键词：石墨烯涂层电泳沉积摩擦承载能力固体润滑涂层

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石墨烯涂层/铝界面性能的分子动力学研究

石墨烯涂层/铝界面性能的分子动力学研究

作者：吴瑶南昌航空大学

学位级别：硕士

自石墨烯被发现以来,其特殊的光学、电学、热学、机械等性能引起了众多研究者广泛的关注。特别是在涂层方面,可以显著提高材料的热学性能、光电性能、防腐性能和抗磨性能。因此,本文采用经典的分子动力学(MD)方法,研究了石墨烯涂层材料... 详细信息

自石墨烯被发现以来,其特殊的光学、电学、热学、机械等性能引起了众多研究者广泛的关注。特别是在涂层方面,可以显著提高材料的热学性能、光电性能、防腐性能和抗磨性能。因此,本文采用经典的分子动力学(MD)方法,研究了石墨烯涂层材料的界面行为,其主要研究内容如下:(1)在不同应变率和不同温度下对多层石墨烯进行了MD拉伸模拟,并以此研究了多层石墨烯层间界面性能的拉伸速率和温度效应。研究结果表明,当拉伸应变速率增加,界面强度增强,然而当速率提高到10s后,界面强度基本保持不变。此外,研究还表明,界面强度先随着温度的升高而出现增加,但温度到达350K后,界面强度出现减小的现象,这是由于多层石墨烯的热膨胀系数在不同温度下表现出截然不同的变化趋势。同时基于分子动力学模拟结果,计算了多层石墨烯层间界面内聚力本构关系的界面参数。(2)采用原子尺度分子动力学和有限元(FE)方法,研究了石墨烯涂层和无缺陷铝(GA-perfect)之间的界面性质。模拟结果表明,随着温度逐渐升高,界面拉伸强度逐渐降低,而界面剪切强度随着温度由150 K升高到450 K时,界面的剪切强度持续增大,之后随着温度从450 K到600K时,界面的剪切强度减少。这种随温度变化的趋势与石墨烯在0?600K温度范围内热膨胀系数的变化趋势有关;最后,确定上述与温度相关的内聚力模型(CZM)参数,然后将其输入到FE模型中。采用FE模拟了石墨烯涂层/完美Al体系的鼓包测试,并用鼓包测试得到的FE结果和鼓包测试得到的MD结果进行验证,表明所提出的方法在确定基底和超薄涂层之间的界面行为的CZM参数方面是有效的。(3)另外,我们还通过分子动力学方法研究了石墨烯涂层和缺陷铝(GA-defect)之间的界面性能。研究结果表明:随着缺陷Q值(Q值为矩形缺陷中心点离Al基体界面的距离)的增大,缺陷对石墨烯涂层/Al体系界面性能的影响逐渐消失。也发现缺陷P值(P值为锯齿形缺陷中每个等腰三角形底边的长度)对Al-C键作用和范德华力作用造成的变化,影响了拉伸强度和内聚能的强弱。(4)在不同的石墨烯层数和温度下,采用拉伸模拟和鼓包测试方法研究了多层石墨烯/Al体系的界面性能。拉伸模拟发现,当石墨烯的层数小于三层时,最大拉伸强度和内聚能均增加,而石墨烯的层数大于三层时,最大拉伸强度和内聚能均减小,这种现象主要与范德华力作用范围有关;鼓包测试模拟发现,石墨烯的层数增加,反作用力逐渐增大,当石墨烯层数大于七层时,反作用力基本保持不变。拉伸载荷模拟也发现,五种体系均是随着温度的升高而最大拉伸强度逐渐减少;并且鼓包测试模拟也发现,五种体系在温度600K以下时,反作用力随着石墨烯层数的增加而变大,而当温度大于或者等于600K时,我们发现反作用力的变化规律发生异常,这种现象可能与铝基体的软化现象有关。我们通过模拟结果发现两种方法得到的结果具有差异性,其主要原因是石墨烯层间界面强度小于石墨烯/Al的界面强度,因此拉伸模拟需将多层石墨烯设置为加载区,而鼓包测试是将多层石墨烯顶开,因此石墨烯不需要进行额外处理,在界面性能测试中更加合理。

关键词：石墨烯涂层界面性能分子动力学内聚力模型鼓包测试

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不同基底石墨烯涂层的层间滑移减磨性能研究

原子与分子物理学报 2024年第5期41卷 74-84页

作者：周家源卢艳武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

石墨烯薄膜作为一种二维材料,是提高微/纳机电系统(MEMS/NEMS)摩擦力学性能的优异润滑剂.为了探究基底材料和石墨烯层数对其减磨性能的影响,本文通过在不同基底制备了不同层数的石墨烯涂层,利用原子力显微镜(AFM)实验和分子动力学(MD)... 详细信息

石墨烯薄膜作为一种二维材料,是提高微/纳机电系统(MEMS/NEMS)摩擦力学性能的优异润滑剂.为了探究基底材料和石墨烯层数对其减磨性能的影响,本文通过在不同基底制备了不同层数的石墨烯涂层,利用原子力显微镜(AFM)实验和分子动力学(MD)仿真结合的方法,研究了石墨烯层数对减磨效应的影响.并且通过建立不同层数石墨烯涂层的摩擦性能分析模型,探究出石墨烯层间滑移是产生减磨的主要因素.结果表明:在不同载荷下,石墨烯涂层对硅基底和铜基底均有优异的减磨效果,摩擦力随着石墨烯层数的增加逐渐降低,当石墨烯层数大于10层时,达到最优99.3%的减磨效果.通过仿真分析发现,随着层数增加,石墨烯与基底的干摩擦转变为石墨烯的层间摩擦,并产生层间剪切滑移,石墨烯层间滑移是导致多层石墨烯优异减磨性能的主要因素.

关键词：石墨烯涂层原子力显微镜分子动力学仿真剪切滑移

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利用环压试验研究低碳钢塑性成形过程中石墨烯涂层的摩擦磨损特性

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锻压技术 2019年第12期44卷 114-121页

作者：钱勇龚红英姜天亮赵小云缪军廖泽寰上海工程技术大学材料工程学院上海201620 上海东芙格尔冷锻制造有限公司上海201821

通过环压试验研究了低碳钢在塑性成形工况下的摩擦磨损特性。参考环压试验测定内径尺寸变化来校核摩擦系数,计算接触界面上的摩擦应力及分析其随行程的变化关系。并利用超景深显微镜观测磨损表面形貌,探究塑性成形摩擦过程中的磨损机制... 详细信息

通过环压试验研究了低碳钢在塑性成形工况下的摩擦磨损特性。参考环压试验测定内径尺寸变化来校核摩擦系数,计算接触界面上的摩擦应力及分析其随行程的变化关系。并利用超景深显微镜观测磨损表面形貌,探究塑性成形摩擦过程中的磨损机制。结果表明:摩擦系数在塑性成形工况下的变化趋势不同,在一定范围内符合阿蒙顿-库伦摩擦定律,塑性成形摩擦模型主要为剪切摩擦,黏着磨损机制占主导作用。滑移变形中,面接触更能真实反映材料塑性成形时的摩擦特性,而在石墨烯涂覆之后起到了磨粒磨损的作用,有效地缓解了面与面接触产生的摩擦与磨损。

关键词：环压试验石墨烯涂层黏着磨损磨粒磨损库仑摩擦

基于石墨烯涂层的垃圾处理设备液压油箱散热研究

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机床与液压 2022年第6期50卷 158-162页

作者：赵莺慧田勇王天义河南工业大学机电工程学院河南郑州450001

油箱作为垃圾处理设备液压系统的主要散热主体,其散热性能对液压系统的工作性能影响很大。通过计算垃圾处理设备压缩工位散热,得出环境温度分别为25、30、35℃时油液的温升曲线。建立油箱三维模型,利用ANSYS的Fluent模块进行仿真分析,... 详细信息

油箱作为垃圾处理设备液压系统的主要散热主体,其散热性能对液压系统的工作性能影响很大。通过计算垃圾处理设备压缩工位散热,得出环境温度分别为25、30、35℃时油液的温升曲线。建立油箱三维模型,利用ANSYS的Fluent模块进行仿真分析,得出有无石墨烯涂层时油箱温度的变化曲线。结果表明:不同初始温度下,石墨烯涂层的使用能够降低油箱达到热平衡时的温度,但对达到平衡温度的时间影响很小。

关键词：液压油箱散热石墨烯涂层

电化学方法制备石墨烯涂层及其防腐蚀性能研究

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电化学方法制备石墨烯涂层及其防腐蚀性能研究

作者：蒋涛明武汉科技大学

学位级别：硕士

随着我国海洋经济的高度发展,海洋钢铁材料也得到越来越广泛的应用,但长期处于海洋环境中的钢铁材料无疑会受到海水的腐蚀,给国民经济带来巨大损失。因此研制具有高防护性能的涂料涂层,是解决海洋腐蚀问题最有效的途径之一。本论文通过... 详细信息

随着我国海洋经济的高度发展,海洋钢铁材料也得到越来越广泛的应用,但长期处于海洋环境中的钢铁材料无疑会受到海水的腐蚀,给国民经济带来巨大损失。因此研制具有高防护性能的涂料涂层,是解决海洋腐蚀问题最有效的途径之一。本论文通过在C750及M15型石墨烯纳米碎片（Gnps）片层间掺杂H+,分别采用了电泳沉积及循环伏安的方法在Q235碳钢基体上沉积石墨烯涂层,采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）、Raman光谱分析（Raman）等技术对石墨烯涂层的物理性能进行了表征,并采用电化学方法研究了在不同浓度的纳米石墨烯碎片电解液下所制得石墨烯涂层对碳钢基体防腐蚀性能的影响,取得的主要研究进展如下:（1）解决了有机溶剂分散石墨烯纳米碎片的难题,确定了纳米石墨烯分散液的溶剂最优配比为H2O:NMP:ACN=1:3:6;（2）优化了在碳钢基体上电泳沉积制备石墨烯涂层的工艺参数,所确定的最优工艺参数为:30℃恒温、80V恒电压、5min沉积时间;（3）分别采用电泳沉积法与循环伏安法在Q235碳钢基体上沉积得到的C750型石墨烯涂层与循环伏安法在Q235碳钢基体上沉积得到的M15型石墨烯涂层的晶体结构均未被破坏;（4）当电解液中H+-C750的浓度为1.6mg/m L时,电泳沉积制得C750型石墨烯涂层的防腐性能最好,并且优于循环伏安法所得C750型石墨烯涂层的防腐性能;当电解液中H+-M15的浓度为0.75mg/m L时,循环伏安法所制得M15型石墨烯涂层防腐蚀性能最好;（5）采用多巴胺对碳钢试样表面进行改性处理,在一定程度上改善了C750型石墨烯涂层与基体间的结合,并且当电解液中H+-C750的浓度为1.8mg/mL时,所得涂层的耐蚀性最好。这些研究进展为石墨烯在防腐蚀领域的推广应用提供了理论依据和数据积累。

关键词：石墨烯涂层电泳沉积循环伏安海洋环境防腐性能

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多层碳键联石墨烯涂层的宏观摩擦磨损特性

多层碳键联石墨烯涂层的宏观摩擦磨损特性

作者：王彬合肥工业大学

学位级别：硕士

石墨烯作为新型固体润滑剂,具有优异的减摩抗磨性能,在微机电系统领域具有重要应用。但是目前在宏观载荷下,多层石墨烯涂层对微机电系统中硅材料器件的保护作用及其长期服役过程中的退化失效机理,尚待进一步探索。本文通过化学气相沉积... 详细信息

石墨烯作为新型固体润滑剂,具有优异的减摩抗磨性能,在微机电系统领域具有重要应用。但是目前在宏观载荷下,多层石墨烯涂层对微机电系统中硅材料器件的保护作用及其长期服役过程中的退化失效机理,尚待进一步探索。本文通过化学气相沉积法在硅片表面制备了厚度约为230 nm的多层碳键联石墨烯涂层(简称CBG涂层)并进行充分表征,研究了载荷和滑动速度对CBG涂层宏观摩擦磨损性能的影响,探究了CBG涂层的磨损过程和破坏机理。具体研究内容和主要结论如下:利用线性往复摩擦磨损试验机,使用钢球和石英球作为对摩件,开展涂层减摩抗磨效果验证试验。试验结果表明:相比于裸硅片,沉积CBG涂层的硅片与对摩件之间的摩擦系数由0.8降低至0.13,最大磨损深度由3 000 nm降低至20 nm,有效降低了硅基底的摩擦磨损。CBG涂层良好的减摩抗磨性能主要归因于CBG涂层增大了硅基底与对摩件的接触面积、减小了赫兹接触应力和界面剪切应力,摩擦界面周围的涂层转移层阻碍了摩擦副表面的直接接触。研究CBG涂层摩擦磨损性能的载荷和速度相关性。结果表明:1)在0.5 N至4 N载荷下,两种对摩材料与CBG涂层之间的摩擦系数与载荷均呈现负相关变化规律,对于钢球,载荷增大会降低其表面磨损区域周围对磨屑的吸附,削弱因磨屑导致的磨粒磨损;对于石英球,载荷增大会降低摩擦界面的磨屑堆积程度,减小磨屑堆积对摩擦前进方向的阻力。2)5 N载荷下,钢球与CBG涂层仍能保持较低的摩擦系数,而石英球与CBG涂层出现了剧烈磨损。这可能是因为脆性石英材料在高接触应力和往复接触疲劳作用下,表面出现裂纹导致涂层被擦伤。3)增大滑动速度会导致CBG涂层的摩擦系数上升且变得不稳定。速度增加不利于涂层转移层的形成,并导致磨损区域的磨屑堆积,从而增加摩擦阻力。开展磨损试验研究CBG涂层分别与钢球和石英球的磨损过程及破坏失效机理。结果表明:1)对于钢球,CBG涂层的磨损过程历经磨合磨损、低摩擦稳定磨损、摩擦系数上升和高摩擦稳定磨损四个阶段。涂层减摩效果可持续18 000次循环,磨损率为5.0×10(mm/(N.m)),失效机理可能是摩擦副之间存在磨损颗粒,在较高的接触应力下产生了磨粒磨损和犁削行为。2)对于石英球,借助原位观测的方法发现CBG涂层磨损过程的前四个阶段与钢球相同,然而经过高摩擦稳定磨损之后出现了摩擦系数下降阶段。涂层减摩效果持续62 000次循环,磨损最大深度仅为60 nm,远低于涂层的厚度230 nm,磨损率为1.08×10(mm/(N.m))。涂层破坏机理:堆积在石英球磨损区域中心的涂层转移层,使得摩擦接触区域产生了极大的点接触应力,导致CBG涂层上形成了较深的犁沟。3)CBG涂层与硅基底的强结合力、以及涂层内部石墨烯层与层之间的稳定共价键联结,是涂层在长期高压磨损中仍能保持较低摩擦系数和持久耐磨性的原因。本文通过化学气相沉积法在硅片上制备了质量优异的CBG涂层,并通过原位观测法,验证了CBG涂层的减摩耐磨效果,分析了载荷与速度对CBG涂层摩擦磨损性能的影响,并揭示了CBG涂层在宏观载荷下的磨损过程和破坏机理。本文的研究有助于MEMS中硅材料器件表面的保护性涂层设计,对于降低硅材料器件的磨损,并延长其使用寿命具有重要意义。

关键词：石墨烯涂层摩擦磨损原位观测划痕