镀有石墨烯层微热压模具电热耦合作用数值仿真

提出一种提高微热压模具加热冷却速率、缩短微热压成型循环周期的方法。在硅片表面使用化学气相沉积CVD的方法制备石墨烯层,利用石墨烯层高电导率、热导率等特性,研究石墨烯层电热耦合作用对模具温度的影响规律。模拟结果表明,硅模具施加电势增加或石墨烯层厚增加,硅片表面平均温度的升高速率增大;当石墨烯层厚为40 nm、施加电压为150 V时,硅片表面由室温升温加热速率可以达到9.87 K/s,模具温度稳定后,微结构处的温度略高于硅片表面其他位置。

基于耦合界面键合效应的石墨烯磨损研究

石墨烯作为二维固体润滑材料,其超滑特性不仅是物理作用结果,其化学键结构机制下的摩擦化学现象,是深入理解石墨烯摩擦性能的关键.本文采用分子动力学(MD)方法构建了多重层数石墨烯增强不同粗糙形貌的金属基底模型,实现了其与金刚石尖端滑动过程的动态分析,揭示了考虑尖端与石墨烯之间存在界面键时石墨烯层的理化耦合作用下的磨损机理.研究结果表明:当考虑金刚石尖端与石墨烯之间化学键合时,石墨烯发生磨损破裂的临界载荷相对于不考虑界面化学键时的值减小,这是由于界面键的形成会剥离石墨烯导致石墨烯断裂所致;金属基底的粗糙度也是决定石墨烯发生磨损破裂时临界载荷的重要因素之一,当粗糙度增大,临界载荷减小,同时通过增加石墨烯层的层数(增韧)来提高石墨烯发生磨损破裂失效的临界载荷.

含少层石墨烯锂基润滑脂摩擦学与流变学性能研究

为了研究少层石墨烯对锂基润滑脂摩擦学与流变学性能的影响,通过机械搅拌、超声分散及三辊研磨的方式制备不同质量分数的少层石墨烯改性锂基润滑脂,利用MR-10型四球试验机和DHR-2旋转式流变仪分别考察其摩擦学性能和流变学性能。结果表明:少层石墨烯的加入可以有效提高锂基润滑脂的减摩抗磨性能,当少层石墨烯的质量分数为0.1%时效果最佳;少层石墨烯的加入,显著增加了润滑脂流动点对应的应变值和破坏润滑脂皂纤维所需的能量,以及皂纤维结构破坏后恢复所需要的时间。对试验数据进行回归分析,建立基于Herschel-Bulkley模型的不同质量分数少层石墨烯改性锂基润滑脂的流动方程。

少层石墨烯纳米流体的球磨法制备及其导热性能

针对高频化电子器件对散热技术日益增高的迫切需求,该文提出利用物理-机械手段,以天然膨胀石墨为原料,依靠机械碰撞和电荷相互作用,通过改变研磨时间,制备出不同粒径的少层改性球磨石墨烯,并通过水溶液分散技术获得了不同浓度的少层石墨烯纳米流体.利用XRD、Raman、TEM和激光粒度仪对所制备的少层石墨烯形貌、结构和粒径分布进行了表征.结果表明,所制备的少层石墨烯层数约为6~7层,其微晶尺寸较小,且具有规则的层状结构,粒径集中分布在80 nm附近且分布均匀.借助自主搭建的导热测试平台,研究了在浓度和粒径影响下少层石墨烯纳米流体的导热性能.研究发现,少层石墨烯纳米流体的热阻随着质量分数的增大而减小,导热系数明显大于基液且随着少层石墨烯粒径的减小而增大,在热管中的平均传热功率随质量分数的增大而增大.粒径为83.72 nm,质量分数为0.1%的少层石墨烯纳米流体的热阻比水降低10.96%,导热系数提高27.31%,平均传热功率提高193.1%.因此,这一方法未来将对电子器件、芯片散热技术的优化和提升具有重要的指导价值.

SiC基底覆多层石墨烯力学强化性能分子动力学模拟

微机电系统半导体SiC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SiC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,SiC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C-C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:SiC基底覆三层石墨烯的力学强化性能是纯SiC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大,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大,诱导界面接触原子数增多,以致界面接触质量增大,而界面接触刚度随之减弱,最终引起SiC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,SiC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.

不同尺寸单层氧化石墨烯用于膜蒸馏分离H_(2)O/HDO

核电站运行产生的放射性氚化水(HTO)的处理涉及到H_(2)O/HTO分离难题。实验室研究常把无放射性H_(2)O/HDO(氘化水)分离作为研究模型来代替H_(2)O/HTO分离。近年来,基于多层氧化石墨烯(graphene oxide,GO)膜的膜蒸馏分离工艺显示出较好的H_(2)O/HDO分离效果,但进一步提高分离性能仍需开发新型膜材料或结构。本工作采用不同横向尺寸单层GO制备聚四氟乙烯(PTFE)支撑的氧化石墨烯复合膜用于研究膜蒸馏分离H_(2)O/HDO:(1)选用两种不同横向尺寸的单层GO研究GO横向尺寸对膜的H_(2)O/HDO分离性能影响,基于横向尺寸较小GO膜的渗透通量和分离因子分别可达0.944 L/(m^(2)·h)和1.043,整体分离性能比基于横向尺寸较大GO膜高;(2)为结合不同横向尺寸单层GO的结构特点,把不同横向尺寸单层GO混合制备复合膜,当两种石墨烯质量比例为1∶1时,所得GO复合膜的渗透通量可达0.806 L/(m^(2)·h),比基于横向尺寸较大GO复合膜的渗透通量高,而两者分离因子相近;(3)对横向尺寸较大GO进行刻蚀处理,可提高膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能。结果表明:单层氧化石墨烯的横向尺寸可影响膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能;基于横向尺寸较小单层氧化石墨烯或混合不同横向尺寸单层氧化石墨烯制备的膜具有较好的膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能;并且刻蚀处理横向尺寸较大GO也可提高膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能。因此,本工作可指导后续发展新型膜材料或膜结构以实现H_(2)O/HDO分离效果更好的膜蒸馏工艺,为含HTO的放射性废水处理问题提供解决方案。

单层多孔石墨烯膜结构对C_(2)烃气体分离性能影响的分子动力学研究

利用分子动力学模拟研究了孔径、孔形状、官能团修饰对纳米多孔石墨烯膜分离C_(2)烃气体的效率和选择性的影响。结果表明:孔径为0.444~0.484 nm的石墨烯膜对乙烷的截留性能较好,乙烯的通过率较高;圆形孔石墨烯膜具有较高的气体通过效率,扁平孔石墨烯膜具有较高的气体分离的选择性;孔短径为0.510 nm、孔长径为1.164 nm的石墨烯膜对乙烷的截留性能较好,其乙烯通量较大;孔径为0.596 nm且孔口周围带有两个羧基的石墨烯膜对乙烯的截留性能较好,乙炔的通过率较高。所得模拟结果为设计高效、高选择性分离C_(2)烃气体的单层多孔石墨烯膜提供理论依据。

化学气相沉积合成纯单层石墨烯的技术综述

石墨烯的各种优异性能使其在半导体领域中具有广阔的应用前景,同时其单原子层的特殊结构使得石墨烯的层数对其各种特性有着显著的影响。因此,高质量和层数可控的石墨烯薄膜的规模化稳定制备是实现其在微电子、光学和传感器等领域中各种关键器件应用的基础。目前,在众多的石墨烯制备方法中,大尺寸、高质量石墨烯薄膜制备的最主要手段是化学气相沉积法。本文综述了近年来利用化学气相沉积法合成纯单层石墨烯连续薄膜的相关研究进展,针对纯单层石墨烯薄膜的制备,分别从碳源供应、生长气氛、衬底工程等角度出发,对纯单层石墨烯生长控制机理与生长工艺进行了介绍,并对各种方法生长的石墨烯晶体质量、层数均匀性进行了说明,最后对该领域的发展进行了展望。

高性能多层氧化石墨烯基复合水凝胶的可控合成方法研究

以多层氧化石墨烯(GO)为原料,羟丙基纤维素(HPC)为骨架,采用溶剂热法制备还原氧化石墨烯复合海绵的前驱物——三维还原氧化石墨烯复合水凝胶。考察分散液配比、置换程度、pH、反应时间与温度、HPC添加量等因素对水凝胶成型性的影响。结果表明:分散液中无水乙醇与去离子水最佳配比为1∶1;离心时间30min、置换次数6次时层间水分置换最彻底;pH=8、反应温度210℃、时间14h、HPC添加量10mg时制备效果最佳。

多层石墨烯插层化合物的制备及电导率调控研究

由于多层石墨烯的低载流子密度限制了其电导率,为了提升石墨烯电导率,通过两温区气相插层方法制备了基于激光诱导石墨烯(LIG)的一阶与二阶石墨烯插层化合物,利用XRD、扫描电子显微镜、拉曼光谱等对插层化合物进行形貌和结构表征,用标准的四探针法测试了电导率。结果表明该化合物很好的保留了LiG的三维多孔结构,为电子传导提供了快速通道;其电导率由纯LIG的634 S/m提高到一阶插层的943 S/m和二阶插层的1 306 S/m,且插层过后仍然能够较完整的转移到其他基面,结构没有破坏。插层过程是由插层剂从中心向边缘逐渐扩散形成的,插层剂分子在插层过程中的剧烈运动,LiG表面发生破损。

多层石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能研究

采用液相超声直接剥离法制备了不同厚度的纳米石墨烯片,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能.通过SEM、EDS、XPS等手段,分析了磨损表面的形貌、元素组成和典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯水分散体系的润滑机理.结果表明:所制备的石墨烯为厚度不一的多层石墨烯混合物,厚度范围为10~180 nm;石墨烯作为水基添加剂具有良好的减摩抗磨性能,使纯水的磨损机理发生转变,由严重的黏着磨损和腐蚀磨损转变为磨粒磨损,主要原因是在石墨烯水分散体系润滑下,磨损表面形成吸附减摩层和摩擦化学反应膜,两者协同作用,抑制Fe的氧化,减轻摩擦磨损.

功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能

以氧化石墨(GO)作为前驱体,在两种不同热剥离温度下制备了两类功能型单层石墨烯.其中第一类功能型单层石墨烯通过在较低温度及空气气氛下热剥离GO制备;第二类功能型单层石墨烯通过在氮气保护下高温热剥离GO得到;利用氮气吸附-脱附方法测定了两类样品的比表面积,利用电化学测试方法分析了其超电容性能.结果表明,通过低温热剥离的方式即可以有效剥离GO;两类样品均具有较高的BET比表面积.低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯在2 mol/L KOH体系中的最大比电容值约为220 F/g;而通过高温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯虽然同样具有较高的BET比表面积,但其最大比电容值下降至约150 F/g.这表明通过低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能.

空位缺陷对单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对完美的和含空位缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了单个单原子空位缺陷和单个双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单原子空位缺陷和双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜的杨氏模量没有影响,但在一定程度上降低了拉伸强度和拉伸极限应变.单原子空位缺陷和双原子空位缺陷使拉伸强度降低幅度最高达8.10%和6.41%,并大幅度降低极限应变.缺陷对石墨烯的拉伸变形破坏机制也有一定的影响.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置均出现在空位缺陷附近.

基于Lenosky原子作用势单层石墨烯片的力学模型

基于对Lenosky碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton原理,导出了单层石墨烯的动力学方程.使用该数学模型及Galerkin方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题.结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.

化学分散法制备少数层石墨烯及其表征

以粉状石墨、天然鳞片石墨和可膨胀石墨为原料,采用化学分散法制备石墨烯;利用X射线衍射仪、傅立叶转换红外光谱仪、Zeta电位分析仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪及原子力显微镜等对其进行了表征。结果表明:与用粉状石墨和天然鳞片石墨相比,用可膨胀石墨为原料制备的氧化石墨氧化程度较高,分散稳定性较好;对其超声剥离"原位"还原后所制备的石墨烯片层结构均匀,其厚度为4～5nm,层数为4～5层,属于少数层石墨烯。

单层石墨烯薄膜材料纳米压痕过程的分子动力学解析

在原子尺度上分析了单层石墨烯的纳米力学性能和变形损伤机理,得到了纳米压痕仿真的载荷-位移曲线;对不同半径金刚石压头、不同半径石墨烯材料、不同温度以及边界条件等因素对石墨烯纳米力学性能的影响分别进行了讨论,并得到了以下结论:当压头压入深度小于临界深度hc时,石墨烯材料发生纯弹性形变;达到hc时,石墨烯薄膜压头下方原子键断裂并产生撕裂破坏;大于hc时,在压头下方区域的原子相对位置不能完全恢复到压入前的位置,这些原子成为石墨烯材料再次加载时的破坏起点。薄膜材料出现裂口后,集中于压头下方的最大应力迅速减小,应力随之发生了均匀化分布。此外,石墨烯材料半径主要影响压痕过程中的临界深度,而对临界载荷、弹性模量和破坏应力的影响不大。温度升高引发石墨烯薄膜材料的弹性模量和破坏极限均出现了一定程度的下降。

多层石墨烯用作超级电容器电极导电剂

将多层石墨烯用作超级电容器的导电剂，并与10％炭黑为导电剂的极片进行对比。随着多层石墨烯含量的增加，超级电容器的等效串联电阻减小，但含量超过5％后，减小不明显；电极比电容先增大、后减小，当含量为5％时达到最大。5％多层石墨烯电极与10％炭黑电极相比，倍率特性略差，但可在增加活性材料含量的同时获得较大的比电容（117．4F／g）和较小的等效串联电阻（1．18Ω），以1．2A／g的电流在0—2．7V循环1000次，电容衰减率不超过1．5％。

单层单晶石墨烯与柔性基底界面性能的实验研究

单晶石墨烯具有更优异的力学及电学性能,有望成为新一代柔性电子器件的核心材料.因此,有必要从实验的角度精细分析化学气相沉积法制得的大尺度单晶石墨烯与柔性基底复合结构的界面力学行为.本文通过显微拉曼光谱实验方法测量了不同长度的单层单晶石墨烯/PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底的界面力学性能参数及其在长度方向上界面边缘的尺度效应.实验给出了石墨烯在PET基底加载过程中与基底间黏附、滑移、脱黏三个界面状态的演化过程与应力分布规律.实验发现,单晶石墨烯与柔性基底间由范德瓦耳斯力控制的界面应变传递过程存在明显的边缘效应,并且与石墨烯的长度有关.界面的切应力具有尺度效应,其值随石墨烯长度的增加而减小,而石墨烯界面传递最大应变以及界面脱黏极限则不受试件尺度的影响.

多层石墨烯的粗粒化分子动力学模型与力学性能

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法.该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处理,提高了计算效率.通过与全原子模型计算结果比较,本文提出的粗粒化分子动力学方法可以准确预测多层石墨烯的拉伸破坏性能,对制备高性能石墨烯纤维有一定的指导意义.

PP/多层石墨烯纳米复合材料性能研究

利用双螺杆挤出机制备了聚丙烯/多层石墨烯(GNPs)纳米复合材料并研究了其性能。结果表明,GNPs具有明显的异相成核作用,使PP的结晶过程可在较高温度下进行。GNPs对PP具有增强增韧作用,在GNPs质量分数为1.5%时,拉伸强度增加了15%,弹性模量增加了33%。GNPs能有效地提高聚丙烯的耐热性能,在GNPs质量分数为2%时,维卡软化点提高了10℃以上。