单层石墨烯和二硫化钼的宏观尺度磨损行为及机理研究
黄月华^1，2，姚泉舟³，张济³，祁一洲³，卢至行⁴，焦丽颖⁴，王洪涛⁵，赵沛⁵，李群仰^2，3*，孟永钢^2*
1西南大学工程技术学院，   重庆，400715
2清华大学摩擦学国家重点实验室，北京，100084
3清华大学航空航天学院工程力学系，北京，100084
4清华大学化学系，北京，100084
5浙江大学航空航天学院，浙江 杭州 310058
Email: huangyuehua@swu.edu.cn
摘 要:保持固体润滑剂降摩减磨性能的同时减小其厚度，成为摩擦学领域研究人员追求的目标。单层石墨烯和二硫化钼在微观尺度表现出优异的润滑特性，但其在宏观尺度下的耐磨特性却不尽如人意。因此，本文对单层石墨烯和二硫化钼在宏观尺度下的磨损行为进行了研究。首先，我们率先研究单层石墨烯宏观尺度磨损演化行为，证实单层石墨烯在宏观尺度存在磨损的临界压力。宏观尺度部分磨损的石墨烯仍然有显著的减摩作用。石墨烯在粗糙峰处所受面内拉应力超过其断裂极限可能是其在宏观尺度下磨损载荷低的原因。其次，单层二硫化钼也有类似的宏观磨损行为。更深入地，我们发现二硫化钼的残余拉伸应变会降低其宏观抗磨损性能，这也进一步证实二维材料宏观磨损是由于其面内拉应力超过其强度极限所致。再次，以上实验证实宏观尺度摩擦力对石墨烯磨损的监测具有滞后性。我们率先提出利用石墨烯的电学性能对其磨损进行原位在线监测。实验证明监测石墨烯面内电阻是在线检测石墨烯磨损的一种简单灵敏和更具预测性的方法。最后，对于厚度只有单原子层厚度的石墨烯材料空气中污染物对其影响不可忽略。我们发现污染物会一定程度提高单层石墨烯的抗磨损性能，主要原因是其隔离了摩擦副与石墨烯褶皱的接触。
关键词: 石墨烯；固体润滑剂；磨损；宏观尺度

图1单层石墨烯和二硫化钼宏观磨损行为研究：(a)单层石墨烯宏观尺度磨损演化；(b)残余拉伸应变降低单层二硫化钼的宏观抗磨损性能；(c)石墨烯面内电阻能实时反应石墨烯宏观磨损[2]；(d)石墨烯表面污染物能一定程度提高其宏观抗磨损性能

参 考 文 献：
[1] Carbon, 2019, 153, 699-706
[2] Surface and Coatings Technology, 2019, 358, 247-255.
[3] Nanotechnology 2021, 32,035704.

黄月华，博士期间就读于清华大学机械系摩擦学国家重点实验室，师从孟永钢教授，主要从事二维材料磨损行为及机理研究工作。博士毕业后就职于西南大学工程技术学院，继续从事石墨烯磨损相关研究，同时拓宽至石墨烯薄膜器件研究。在过去五年中，以第一作者在Carbon、Surface & Coatings Technology、ACS Applied Nano Materials、Smart Materials and Structures、Science China Technological Sciences等国际知名期刊共发表研究论文7篇，总被引62次。在第六届世界摩擦学大会上获“最佳海报奖”(Best Poster Award)。


 

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