Influence of interface structure on the nanotribological properties of exfoliated graphene
Arayüz yapısının mekanik soyma yöntemiyle elde edilen grafenin nanotribolojik özelliklerine etkisi
- Tez No: 434195
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. MEHMET ZEYYAD BAYKARA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Nano ve mikro ölçekte sürtünmeyi en aza indirgemek amacıyla sıvı kayganlaştırıcıların kullanımı, yüksek seviyelerde gerçekleşen yüzey gerilimi ve ilgili etkilerden dolayı mümkün olmamaktadır. Bu kısıtlamayı aşmak için nano ve mikro boyutlu sistemlerde kullanıma uygun katı kayganlaştırıcılara ihtiyaç duyulmaktadır. Üstün mekanik özelliklere sahip iki boyutlu bir malzeme olan grafen, bu amaç için uygun bir aday olarak ortaya çıkmaktadır. Yukarıda sunulan argümanlar ışığında, bu yüksek lisans tezi, mekanik soyma yöntemiyle elde edilen grafenin nanotribolojik özelliklerinin atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) vasıtasıyla incelendiği ve özellikle arayüz yapısının etkisine vurgu yapılan kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Mekanik soyma yöntemi ile tek- ve az-katman grafen numuneler oluşturulup Si/SiO2 alttaşlar üzerine aktarılmıştır. Optik mikroskopi ve Raman spektroskopisi kullanılarak, tek- ve çift-katman grafen numuneler teşhis edilmiş ve yerleri saptanmıştır. Ayrıca, AKM yöntemiyle elde edilen topografik haritalar ve ilintili kesitler kullanılarak 3- ve 4-katman grafen numuneler ile yığın grafit olarak tanımlanabilecek bölgeler bulunmuştur. Dahası, AKM uçları oda koşullarında temaslı kipte kullanılacak şekilde, hem hassas normal kuvvet ölçümleri almak, hem de yanal kuvvet ölçümlerinden kantitatif sürtünme kuvveti verileri elde edebilmek adına kalibre edilmiştir. Numune hazırlama, tanımlama ve AKM uç kalibrasyonunun ardından, uygulanan dikey kuvvetin tek-, 2-, 3-, ve 4-katman grafenin sergilediği sürtünme davranışına etkisini belirlemek adına deneyler gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar literatürde rapor edilen ve buruşma etkisiyle açıklanan mevcut verileri doğrulamıştır. Ek olarak, AKM uç yarıçapının ve dolayısıyla temas alanının grafenin sürtünme davranışına olan etkisi kantitatif olarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla, ısıl buharlaştırma ve PECS (hassas dağlama ve kaplama sistemi) yöntemleri kullanılarak AKM uçları üzerine altın kaplanmış ve uç yarıçapları böylece büyütülmüştür. Bu şekilde elde edilen deney sonuçları, grafenin sürtünme özelliklerini etkileyen yeni bir değişkenin tespitini sağlamıştır: arayüz pürüzlülüğü. UC Merced bünyesinde çalışmalarını yürüten bilim insanlarıyla iş birliği sonucu elde edilen ve burada sunulan deneysel sonuçları destekleyen moleküler dinamik simülasyonları da kullanarak, alttaş pürüzlülüğünün grafenin sürtünme davranışına etkisi analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bahsi geçen etkinin, buruşma etkisine ek olarak veya ona baskın olacak şekilde tezahür ettiğini ortaya koymaktadır. Sunulan deneysel sonuçlar, grafenin katman sayısına bağlı sürtünme davranışında, literatürde iyi incelenmiş olan buruşma etkisine ek olarak alttaş pürüzlülüğünün de etkisini vurgulayan yeni bir bakış açısı getirmektedir.
Özet (Çeviri)
On the nano- and micro-scale, conventional liquid-based lubrication cannot be utilized to minimize friction due to excessive surface tension and related effects. To overcome this limitation, solid lubricants suitable for use in nano- and micro-scale systems are needed. Being a two-dimensional material with outstanding mechanical properties, graphene emerges as a promising candidate for this purpose. Motivated as above, this M.S. thesis presents a comprehensive investigation of the nanotribological properties of mechanically-exfoliated graphene conducted via atomic force microscopy (AFM), whereby special emphasis is placed on the effect of interface structure. Graphene samples ranging from single- to few-layers were fabricated using the mechanical exfoliation method and transferred onto Si/SiO2 substrates. By utilizing optical microscopy and Raman spectroscopy, graphene flakes exhibiting single- and bi-layer regions were located and identified. Furthermore, using topographical maps and associated profiles obtained via AFM, 3-, 4-layer and bulk graphite regions were found. Moreover, AFM probes were calibrated both for accurate normal force readings, and for obtaining quantitative friction force data from lateral force measurements conducted via contact-mode AFM under ambient conditions. Following sample preparation, identification and probe calibration, experiments aimed at measuring the effect of applied load on friction of single- and 2-, 3-, 4-layers of graphene were performed, confirming previous results reported in the literature as explained by the puckering phenomenon. Additionally, the effect of tip radius and thus, contact area, on the frictional behavior of graphene was quantitatively measured. In particular, thermal evaporation- and PECS (precision etching coating system)-based coating of gold onto AFM probes were utilized to modify tip radii. Results led to the determination of a new parameter affecting friction on graphene: interface roughness. In collaboration with scientists from UC Merced who performed molecular dynamics simulations complementing the experiments presented here, the effect of substrate roughness, which may be in addition to, or dominant over, the puckering phenomenon, was analyzed in terms of the frictional behavior of graphene. Presented experimental results provide a new perspective towards the layer-dependent frictional behavior of graphene, underlining the influence of substrate roughness in addition to the phenomenon of puckering that is well-studied in the literature.
Benzer Tezler
- Düz örme makinalarında iplik besleme sistemlerinin analizi ve kumaş yapısına etkileri
Analysis of the yarn feeding systems in flat knitting machines and influences on fabric structure
SALİH KUZGUNKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiUludağ ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RECEP EREN
- The role of interfaces on the mechanical performance of fiber reinforced polymer composites
Fiber takviyeli polimer kompozitler mekanik performansinda arayüzeylerin etkisi
KUTLAY SEVER
Doktora
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI TAVMAN
- Agrega-çimento hamuru arayüzeyi mikroyapısının yüksek mukavemetli betonların kırılma parametrelerine etkisi
Effect of aggregate-cement paste interface microstructure on the fracture parameters of high strength concretes
CANAN TAŞDEMİR
- Influence of various parameters on seismic-induced permanent displacement of geosynthetic reinforced segmental retaining walls
Geosentetik donatılı istinat duvarlarında depremde oluşan kalıcı yer değiştirmelerin çeşitli parametrelerle incelenmesi
ALİ KADAYIFÇI
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. EROL GÜLER
- The effect of post weld heat treatment on the mechanical properties of TIG welded inconel 718 alloy
Kaynak sonrası ısıl işlemin TIG ile kaynak yapılmış inconel 718 alaşımının mekanik özelliklerine etkisi
ECE CANAN KOŞMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU