范德华层状介质的滑移行为和力学模型

发布日期: 2017- 12- 20 文章来源:

获奖项目:范德华层状介质的滑移行为和力学模型

主要完成人:郑泉水(清华大学),刘哲(清华大学),徐志平(清华大学),刘泽(清华大学),刘益伦(清华大学)

推荐单位:专家推荐

获奖等级:国家自然科学奖二等奖

项目简介:

范德华层状介质是材料中的一大类,如由石墨烯作为基本单层构成的石墨和多壁碳纳米管就是典型的范德华层状介质。其特征是层间相互作用很弱 (范德华力)、层内原子间相互作用很强 (化学键),由此导致了高度各向异性、层与层之间抗滑移强度很低等独特力学特性。该项目组自2000年开始对范德华层状介质的超滑行为和力学模型作了持续深入的理论与实验研究,取得如下重要科学发现和开拓性创新研究成果:

(1)超滑行为:实现固体接触“零” (零或几乎为零的) 摩擦是人类久远的梦想之一。1990年人们预期非公度接触的范德华界面可实现“零”摩擦,称为超滑(superlubricity),但直到2011年还认为超滑将局限于纳米尺度、超高真空环境、和微米/秒低速。2012-2013年项目组在国际上首次报道了在微米以上尺度、室内大气环境、和速度从零到25米/秒的超滑。相关成果被业界权威评价为领域内的一大突破和重大进展,引起了广泛关注和固体超滑研究的热潮。上述实验的成功主要利用了项目组的另一个实验发现,即微弱且有效作用程只有数纳米的范德华作用力居然可以驱动石墨片克服固-固界面摩擦实现微米尺度的自缩回运动;以这个现象为基础,项目组提出并发展了研究超滑、表面“绝对”清洁、直接实验测定层状介质解理能等多个独特的实验方法。此外,项目组率先研究了范德华力驱动自回复运动的机制。

(2)力学模型:发现范德华层状介质可出现一种源于高度各向异性、且仅由材料弹性常数决定的内禀失稳机制,由此合理解释了报道于Science (1997, 1999)上的多个奇特实验现象。发现石墨在所有已知六方晶体材料中具有最高的各向异性程度;而单壁碳纳米管束作为六方超晶格材料具有更高的各向异性。首次建立了包含所有的弹性常数、各向异性和尺度效应的单壁碳纳米管的弹性力学模型。发现多层石墨烯梁具有传统连续介质力学不能解释的共振模式,提出了多梁剪切模型。提出了基于微结构和层间交联调控的动态材料力学模型,并应用于范德华层状介质的强韧化设计。

这些重要科学问题的发现与解决促进了固体力学和相关交叉学科的发展,为实现极低摩擦磨损、设计高性能微纳米结构材料等方面的实际应用提供了有科学价值的理论引导。

该项目组上述工作的8篇代表论文被SCI引592次,得到了石墨烯发现者诺贝尔奖得主A. K. Geim和K. S. Novoselov,美国科学院/工程院院士T. Belytschko、美国工程院院士和中国科学院外籍院士高华健, 荷兰科学院院士J. W. M. Frenken、中国科学院院士杨卫和雒建斌等国内外著名学者,Nature、Science和Review of Modern Physics等著名期刊论文的引用和积极评价。项目组成员应邀在国际会议上做大会和Keynote报告十多次,获得了首个专门研究超滑现象的973项目支持等,产生了重要的学术影响。

发现单晶自回缩运动现象(2008:PRL)


 

首次实现微米尺度超润滑(2012:PRL)

 

利用激光刀口法首次实现高速超润滑回复速度测试示意图及实验展示(2013:PRL)

 

   

郑泉水教授指导学生进行超润滑实验

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