超滑机制及其调控规律的理论模型研究

Friction is very important in field from space techology and nanotechology to micro- and nano-electromechanical systems. It determines the accuracy, stability, reliability and life-span of moving parts. Superlubricity observed at nano scale opens a new way to machinery without friction, but its mechanism has not been fully understood. Up to now, all theories about superlubricity including the theory of incommensurate contacting for MoS2 and graphite, the theory of hanging bond repairing for hydrogenated carbon film and the theory of molecular brush for directional chain-like polymer film are still at phenomenological level. These theories bear no relation to the process of energy dissipation, take no account of the effect of load and sliding speed and are inconsistent with each other. In this project, three different surface force fields and structures will be constructed, the slide of atom, atomic chain, and sigle and multi-layer atomic structures at their surfaces will be studied in detail by carrying out classical molecular dynamics simulations. The dynamic process of superlubricity and friction will by investigated at atomic level with considering the influence of stick-slip, deformation, creep,relaxing and defects motion. The dominant roles of surface force field and inner bond network on the friction force and the path of energy dissipation will be highlighted to derive some principles of friction modulation. A new model independent on the peculiarity of material will be set up as a general theory for surperlubricity, to guide the design of new superlubric materials.

摩擦在空间技术、精密机械和微纳机电系统等多个领域都扮演着至关重要的角色，它决定了机械系统动部件的动作精度、稳定性、可靠性和使用寿命。在纳米尺度上发现的超润滑现象为机械装置摆脱摩擦力的束缚开辟了新的道路。但在超滑机制上，现有的超滑理论（如二硫化钼、石墨的非相称匹配理论、含氢碳膜的键修复理论、高定向聚合物单分子膜的分子刷理论）都是唯象理论，既不涉及能量耗散机制，也不能考虑载荷、滑动速度的影响，而且相互之间不一致。本项目拟针对晶体、非晶和分子刷三种基本的超滑结构，构建其力场模型，并采用分子动力学方法，通过系统地模拟单原子、原子链、原子单层和多层结构在这些力场表面上的滑动过程，说明界面力场和内部键结构对摩擦机制和能量耗散过程的调控规律，并剖析粘滑、蠕动、形变、弛豫、缺陷运动对界面摩擦力的影响。本项目有望建立一种新的、不依赖于材料具体特性的超滑机制理论模型，为开发设计新的超滑体系提供指导。

超润滑是摩擦系数低于0.01超低固体润滑现象，可有效延长机械系统动部件的使用寿命、提高可靠性、稳定性和动作精度，是空间技术、精密机械和微纳机电系统研究中的新兴领域。本课题运用经典分子动力学方法：（1）构建了周期性、无规、混合型三类摩擦界面结构。（2）系统研究了周期性表面上单原子的滑动过程，结果表明弹性力拖动的单个原子在周期性表面的滑行轨迹并无简单的周期性，而具有复杂的回旋前进特征，滑行过程对牵引速度、拖动力弹性系数、滑行初始点都非常敏感。（3）系统研究了周期性表面上一维原子链的滑动过程，结果表明当链内原子键结合强度低于等于链原子与基底原子间的结合强度时，拖动模式下原子链会发生断裂，不能实现整体滑动，要实现整体滑动，链内原子键结合强度要远大于链原子与基底原子间的结合强度。此外，当链内原子周期和基底原子周期一致时，摩擦力起伏大，有明显粘滑现象，当周期性不匹配时，摩擦系数小，滑行平稳。滑行过程还与原子链的长短有关，在考察的长度范围内（50个原子），匹配条件下，原子链越长，摩擦力越大，非匹配条件下，对长度的依赖性很小。（4）研究了周期性结构上的原子片层滑动过程，只有当层内键合强度大于与基底原子间的键合强度时，片层才能实现整体滑动，否则片层会发生撕裂。当片层结构与基底结构匹配时，滑动摩擦因数有周期性起伏明显，当不匹配时，摩擦因数较小，起伏也小，粘滑特征减弱。（5）研究了多层结构滑动过程。多次结构要实现滑动，各层之间的相互作用强弱要有较大差别，如果各层间相互作用都很强，则出现变形，而不是滑动，若有两层间相互作用很弱，则这两层之间发生持续滑动，有一定的粘滑特征。这些研究结果表明，弱键相互作用的存在是实现超润滑必不可少的条件，界面非匹配接触是改善摩擦稳定性的重要途径。这对于设计制备先进超润滑材料有重要指导意义。