碳纳米管与摩擦学前沿学习教案

1、会计学1碳纳米管与摩擦学前沿碳纳米管与摩擦学前沿(qinyn)第一页，共45页。2第2页/共45页第二页，共45页。3第3页/共45页第三页，共45页。4第4页/共45页第四页，共45页。5第5页/共45页第五页，共45页。6第6页/共45页第六页，共45页。7n分子动力学模拟第7页/共45页第七页，共45页。8 左：总体框图(kungt)；右：密封工作室结构表面(biomin)力仪（SFA）结构图。法向间隙测量光学系统第8页/共45页第八页，共45页。9原子力显微镜（AFM）探针(tn zhn)工作原理图自组装(z zhun)膜表面形貌第9页/共45页第九页，共45页。10扫描(somio)

2、电子显微镜（SEM）羧化后的碳纳米管（3万倍）表面形貌(xn mo)、表面元素成分分析、化学成分分析第10页/共45页第十页，共45页。11纳米(n m)膜厚测量仪石英(shyng)晶体微天平（QCM）第11页/共45页第十一页，共45页。12分子动力学模拟（MD）是采用(ciyng)各种经验力场，根据原子间作用势函数求解各个粒子的运动方程，进而得到模拟系统动力学演化过程的方法。宏观、介观尺度纳米尺度原子内部第12页/共45页第十二页，共45页。13第13页/共45页第十三页，共45页。14第14页/共45页第十四页，共45页。15第15页/共45页第十五页，共45页。16表面技术(jsh)概

3、论第16页/共45页第十六页，共45页。17表面处理(chl)技术分类第17页/共45页第十七页，共45页。18表面处理(chl)技术分类第18页/共45页第十八页，共45页。19电镀、化学镀、复合镀, 热浸镀激光熔敷, 堆焊热喷涂- 等离子、电弧、火焰、超音速、爆炸自蔓延(mn yn)涂层SHS (Self-propagating high-temperature synthesis)黏结涂层 - 静电喷涂、涂镀基体(j t)基体表面处理方法(fngf)一览第19页/共45页第十九页，共45页。2048个铁原子构成(guchng)的“量子栅栏”分子(fnz)齿轮第20页/共45页第二十页，共

4、45页。21化学(huxu)机械抛光实验机硬盘盘片：目前达到的表面粗糙度Ra0.2nm要求：Ra0.05nm以下、波纹度Wa0.1nm以下第21页/共45页第二十一页，共45页。22第22页/共45页第二十二页，共45页。23技术技术(jsh)和科学问题和科学问题：表面润滑分子膜的制备表面润滑分子膜的制备、迁移特性、迁移特性 纳米薄膜的生长机理、纳米薄膜的生长机理、界面力学特性和均匀生界面力学特性和均匀生长技术长技术(jsh)微纳制造(zhzo)过程中的摩擦学第23页/共45页第二十三页，共45页。24磁盘表面润滑分子迁移(qiny)流动示意图 第24页/共45页第二十四页，共45页。25第2

5、5页/共45页第二十五页，共45页。26 关注的热点：碳笼分子家族 1986年Smalley发现(fxin)C60，获得诺贝尔奖 1991年发现(fxin)多壁碳纳米管，1993年发现(fxin)单壁碳纳米管 2004年发现(fxin)石墨烯 第26页/共45页第二十六页，共45页。27单壁碳纳米管多壁碳纳米管第27页/共45页第二十七页，共45页。28管状石墨(shm)第28页/共45页第二十八页，共45页。29armchair nanotube (n,n) =30zigzag nanotube (n,0) =0chiral nanotube (n,m) 030碳纳米管简介(jin ji)

6、-结构特征不同(b tn)手性角的碳纳米管第29页/共45页第二十九页，共45页。30 碳纳米管具有优良碳纳米管具有优良(yuling)(yuling)的场发射性能的场发射性能 碳纳米管作为场发射电源，具有低阈值电压、强发射电流的特点，三星公司制备出了15英寸的彩色动态(dngti)显示器，碳纳米管场发射显示器正向市场化、商业化迈进。定向多壁碳纳米管阵列 第30页/共45页第三十页，共45页。31 碳纳米管具有二重碳纳米管具有二重(r zhn)(r zhn)电性质电性质碳纳米管构建的电路模型 第31页/共45页第三十一页，共45页。32 A、Top-Down（自上而下(z shn r xi)）

7、从块体从块体(kui t)(kui t)材料出发，自上而下地加工出具有特定功能的结构材料出发，自上而下地加工出具有特定功能的结构硅片硅片集成电路集成电路(jchng-dinl)(jchng-dinl)电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、光刻等电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、光刻等 第32页/共45页第三十二页，共45页。33组装组装(z (z zhun)zhun)构构件件纳米级的元件纳米级的元件(yunjin)(yunjin)B、Bottom-Up（自下而上(z xi r shn)）第33页/共45页第三十三页，共45页。34 基于(jy)碳纳米管的存储器结构 化学性质非常稳定化学性质非常稳定(wndng

8、) （C-C键，无悬空键）键，无悬空键） 碳纳米管具有化学惰性，经历充放电不发生化学作用。因此，数据保存在这样的一个存储器中可以(ky)拥有更长的保存时间。碳纳米管的性质及应用前景第34页/共45页第三十四页，共45页。35 碳纳米管具有碳纳米管具有(jyu)(jyu)优良的机械性能优良的机械性能不同材料的强度比较不同材料的强度比较 碳纳米管作聚合物材料增强相碳纳米管作聚合物材料增强相 第35页/共45页第三十五页，共45页。36第36页/共45页第三十六页，共45页。37 在用作润滑剂方面，碳纳米管为管状结构，其轴向杨氏模量很高，在用作润滑剂方面，碳纳米管为管状结构，其轴向杨氏模量很高，但径

9、向杨氏模量却很低，具有低剪切强度但径向杨氏模量却很低，具有低剪切强度(qingd)(qingd)。同时碳纳米管具。同时碳纳米管具有高拉伸、弯曲强度有高拉伸、弯曲强度(qingd)(qingd)，并可能出现滚动现象，降低摩擦系数，并可能出现滚动现象，降低摩擦系数。此外，自然碳纳米管、功能化的碳纳米管用作润滑添加剂也取得了。此外，自然碳纳米管、功能化的碳纳米管用作润滑添加剂也取得了良好的效果。良好的效果。 自发现碳纳米管之后，由于管状分子(fnz)外形和优异的机械特性被寄希望应用于润滑剂、复合材料、纳米制造等方面。 在复合材料中添加适量的碳纳米管也可以提高材料的抗摩擦磨损性能，且具有一定自修复的功

10、能。 在纳米制造方面，自下而上进行纳米制造时，黏着现象明显、摩擦力大，但实验表明碳纳米管的层间摩擦很小，有可能为纳米制造提供一种机遇。第37页/共45页第三十七页，共45页。38碳纳米管在石墨碳纳米管在石墨(shm)(shm)基底上基底上 碳纳米管在碳纳米管在SiSi基底基底(j d)(j d)上上 第38页/共45页第三十八页，共45页。39将碳纳米管沿垂直于轴向展开后，若晶格方向与下层石墨的晶格方向相同，则为公度(n d)，否则为不公度(n d)。不公度公度公度(n d)、不公度(n d)结构图 公度、不公度结构第39页/共45页第三十九页，共45页。40运动方式： 公度、不公(bgng)

11、度结构下碳纳米管的运动呈现明显区别公度情况(qngkung)下运动过程的示意图起始起始滑动滑动滚动滚动终态终态第40页/共45页第四十页，共45页。41 公度(n d) 不公(bgng)度020406080100120-0.4-0.20.00.20.4 f (nN)t (ps) 侧向力(a)050100150200-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.02(b) f (nN)t (ps) 侧向力侧向力： 对公度、不公度运动方式和侧向力的差异进行分析，能够揭示微观摩擦规律和能量耗散机制。第41页/共45页第四十一页，共45页。42碳纳米管在Si表面(biomin)间的模型图UMT实验(shyn)设备图模拟实验结果表明：具有完整结构的碳纳米管有望成为良好的固体润滑剂。第42页/共45页第四十二页，共45页。43四球机设备图通过比较磨斑、最大