[发明专利]利用石墨烯膜球探针获取异质材料间摩擦系数的方法

说明书

本发明提供一种利用石墨烯膜球探针获取异质材料间摩擦系数的方法，包括：提供一石墨烯膜球探针，包括一悬臂及一针尖，所述针尖包括一球状基底及一石墨烯层；提供一基板，所述基板的表面具有一异质材料层；将石墨烯膜球探针接触异质材料层，向针尖施加初始载荷，并在初始载荷作用下，在异质材料层表面来回摩擦针尖，获得针尖侧向扭转的第一组电压信号，并通过第一组电压信号获得石墨烯层与异质材料层之间的第一层间摩擦力；改变载荷的大小，获得第二组电压信号，并通过第二组电压信号获得第二层间摩擦力；以此类推，通过再次改变载荷的大小，得到N组层间摩擦力随载荷变化的曲线，通过所述曲线斜率获得石墨烯层与异质材料层之间的摩擦系数。

技术领域

本发明涉及一种利用用于原子力显微镜的石墨烯膜球探针获取异质材料间摩擦系数的方法。

背景技术

运动部件的表界面之间的摩擦普遍会造成磨损甚至于零部件的失效。机械零部件的磨损以及摩擦损失的能源更突显摩擦润滑的现实意义。液体润滑材料由于其本身的局限性，在低速、极压等苛刻环境下易失效。固体润滑的引入，突破了油膜润滑极限，在空间等极端场合下，显示出巨大的优越性。对于超精密制造的微机电(MEMS)系统，由于尺寸的减小，摩擦副的间隙通常在纳米级，此时纳米结构固体润滑薄膜的出现，在MEMS系统的减磨降磨领域得到了广泛的应用。

对纳米摩擦学的探索主要是基于原子力显微镜(AFM)，不仅可以实现纳米级尺寸和纳牛级微力的测量，而且可以同时得到三维形貌等信息，实现针对过程的测量。然而，由于普通的AFM针尖在接触模式下很容易磨损，造成微力的测量误差，无法精确的获得材料间的摩擦系数，并且无法获得异质材料间的超滑状态(摩擦系数小于0.01)。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够获得较高测量精度的异质材料间摩擦系数的获取方法。

一种利用石墨烯膜球探针获取异质材料间摩擦系数的方法，包括：提供一石墨烯膜球探针，包括一悬臂及一针尖，其中，所述针尖包括一球状基底及一石墨烯层，所述石墨烯层包覆于所述球状基底的表面并与所述球状基底直接接触，所述石墨烯层中为纯石墨烯；提供一基板，所述基板的表面具有一异质材料层，所述异质材料层的材料为六方氮化硼或二硫化钼；将石墨烯膜球探针接触异质材料层，向针尖施加初始载荷，并在初始载荷作用下，在异质材料层表面来回摩擦针尖，获得针尖侧向扭转的第一组电压信号，并通过第一组电压信号获得石墨烯层与异质材料层之间的第一层间摩擦力；改变载荷的大小，再次在异质材料层的表面来回摩擦针尖，获得第二组电压信号，并通过第二组电压信号获得第二层间摩擦力；以此类推，通过再次改变载荷的大小，获得N组层间摩擦力，其中N≥2，进而得到N组层间摩擦力随载荷变化的曲线，通过分析所述曲线斜率获得石墨烯层与异质材料层之间的摩擦系数。

所述针尖相对于异质材料层的摩擦方向垂直于所述悬臂的延伸方向。

所述石墨烯层与异质材料层之间的摩擦系数为0.0025。

所述石墨烯膜球探针及所述异质材料层设置于液体中，所述石墨烯膜球探针在所述异质材料层的表面摩擦获取摩擦系数。

所述石墨烯层包括多层石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的层数为3-10层，厚度为1纳米至3纳米。

所述石墨烯层为一纯石墨烯结构，所述石墨烯层中仅含有石墨烯且不含有官能团。

所述球状基底的材料为氧化硅，所述石墨烯层直接生长于所述氧化硅的外表面。

所述球状基底的直径为5微米至10微米。

与现有技术相比较，本发明提供的摩擦系数的获取方法，通过将石墨烯直接包覆在传统针尖的表面与异质材料进行对摩，使得石墨烯膜球探针具有优异的抗磨损性能，能够降低探针与其他表面之间的粘附力，并且具有非常好的耐湿度性能，从而使得利用该石墨烯膜球探针获取异质材料层间摩擦力时，具有很高的测量精度及使用寿命，适应性好，能够获得超滑的状态。