基于纳米机器人的石墨烯力学特性的研究

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1、硕士学位论文基于纳米机器人的石墨烯力学特性的研究RESEARCHOFGRAPHENEMECHANICALPROPERTYWITHANANOROBOTICSYSTEM张号哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于纳米机器人的石墨烯力学特性的研究硕士研究生：张号导师：谢晖教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242U.D.C:681.5DissertationfortheMas

2、terDegreeinEngineeringRESEARCHOFGRAPHENEMECHANICALPROPERTYWITHANANOROBOTICSYSTEMCandidate：ZhangHaoSupervisor：Prof.XieHuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institut

3、ion：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，它由单层碳原子组成，具有优异的物理、化学和机械力学性质，受到了科学家们的普遍关注，具有广泛的研究价值和应用前景。石墨烯的特殊结构决定了其独特的性质，研究石墨烯的粘附、摩擦等力学特性对推进石墨烯的发展有着极其重要的意义。本文使用自主研发的纳米机器人系统测量了不同相对湿度下原子力显微镜（AFM）针尖和单层石墨烯、多层石墨烯与二氧化硅之间的粘附性质，结合JKR弹性接触理论分析得到了它们之间的粘附能，并比较了石墨烯和二氧化硅之间摩擦属性的差异，研究了不同

4、情况下石墨烯/二氧化硅之间的摩擦力成像问题，最后在现有的纳米压痕实验基础上，进行了悬浮石墨烯的压痕实验，通过拟合分析获得了石墨烯样品的杨氏模量和表面预应力。主要研究内容包括以下几个方面：（1）制备石墨烯样品。通过拉曼光谱检测分析了液相超声剥离法和微机械剥离法制备的石墨烯样品的差异，发现微机械剥离法制备的石墨烯样品的质量良好，基本满足研究层次上对石墨烯基本物性的要求。（2）石墨烯粘附性能的测试分析。针对力-位移（FD）多参数扫描模型开发了相应的测试程序，并将其应用到不同相对湿度下AFM探针和样品表面之间的粘附性测试，然后结合JKR粘弹性接触理论分析计算得出了AFM探针和样品表

5、面之间的粘附能。（3）石墨烯摩擦性能的测试分析及摩擦力成像研究。利用摩擦环法测试研究了石墨烯和二氧化硅之间的摩擦属性差异，然后针对该差异开发了相应的摩擦成像程序，并实现了少层石墨烯在二氧化硅基底上、单/双层石墨烯在二氧化硅基底上以及单层石墨烯在石墨烯上的摩擦力成像。（4）压痕测试获得石墨烯样品的杨氏模量。通过微机械剥离法将石墨烯转移到带有阵列孔的Si基底上，并对单层悬浮石墨烯进行了压痕实验测试，最后通过非线性弹性拟合获得了石墨烯样品的杨氏模量和表面预应力。本文中的石墨烯粘附属性测试方法，可以快速方便并准确地获得石墨烯和多种材料之间的粘附能，快速量化石墨烯与其它材料之间的粘附

6、属性，对石墨烯的应用发展具有推动意义，可以加速二维纳米材料的发展和应用。关键字：石墨烯；纳米机器人；力学特性；粘附；摩擦；杨氏模量-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGraphene，whichiscomposedofasinglelayerofcarbonatoms,isanewtypeoftwo-dimensionalcarbonnanomaterials.Itattractswideattentionbecauseofitsexcellentphysical,chemicalandmechanicalproperties.Besidesithasext

7、ensiveresearchvalueandapplicationprospect.Thespecialstructureofgraphenedeterminesitsuniqueproperties.Thestudyofgraphene’smechanicalpropertieshasextremelyimportantsignificancetopromotethedevelopmentofgraphene,suchastheadhesionorfrictionproperties.Inthispaper,th