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GaAs/石墨烯表面纳米划擦过程的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟，研究了金刚石磨粒对GaAs/石墨烯表面的划擦行为，并从原子水平对石墨烯的抗磨减摩机理进行了分析。研究结果表明，表面覆盖石墨烯的GaAs发生的磨损主要归因于压缩和剪切作用诱导的塑性变形，而纯GaAs表面的主要磨损机制为磨粒磨损。石墨烯抑制了划擦导致的材料堆积，磨损体积显著减小。由于石墨烯的存在提升了法向承载能力，GaAs/石墨烯具有比纯GaAs低得多的摩擦系数。GaAs亚表面的机械损伤形式主要表现为非晶化、相变和位错，在同样的划擦深度条件下，具有石墨烯的亚表面损伤更为严重，这是由于石墨烯抑制了GaAs内部应力的释放，导致更深的应力作用范围。分别研究了温度与石墨烯层数的影响，发现不同条件下的石墨烯均具有良好的抗磨减摩作用。另外，划擦后发生一定变形的石墨烯在二次划痕过程中能仍表现出良好的抗磨减摩效果，但划擦路径末端处的石墨烯发生了破裂，这是由于这一部分石墨烯内部存在严重的应力集中。研究结果可为GaAs表面的抗磨减磨设计提供理论参考。