基于推广Frenkel-Kontorova模型的超低摩擦机理研究

By using molecular dynamics method, we explore the microscopic mechanism of friction problems, and study the relationship between the friction and the parameters of material based on Frenkel-Kontorova (FK) model, which lays a foundation for the development of new materials with tribology. The one-dimensional (1D) monatomic lattice is extended to 1D diatomic chain. We will study the function relation between friction and the parameters which includes the elastic coefficient between adjacent atoms in the chain, periodic potential, the winding number, damping coefficient and external driving force. Especially, the material with the two-dimensional (2D) square lattice structure and the 2D hexagonal lattice structure will be studied with the extended 2D FK model, which will be compared with the experimental results. The study will provide ideas for further study on the tribological properties.

采用分子动力学方法，基于Frenkel-Kontorova(FK)模型从原子分子层次研究摩擦力产生的微观物理机制，以及摩擦力大小随不同材料的参数变化关系，为研制具备工业应用价值的摩擦学新材料奠定基础。本研究将一维单原子分子晶格链的FK模型推广到一维双原子分子晶格链的推广FK模型，并将其扩展到二维平面。借助于推广的一维FK模型，研究在周期势场作用下，一维晶格链受到的摩擦力大小与链中相邻原子间的弹性系数、周期势场的形式、周期势场的周期与晶格链中的晶格常数的比值、阻力系数和外部驱动力等物理量之间的关系。采用推广的二维FK模型，分别研究具有二维简单正方点阵和二维六角点阵结构的特殊固体材料产生的摩擦及超润滑现象的相关物理问题，并与实验结果进行对比，为进一步研究具有工程应用价值的固体材料间的摩擦学性能提供思路。

本项目针对不同的固体晶格结构参数，基于Frenkel-Kontorova(FK)模型从原子分子层次探讨摩擦力产生的微观物理机制。从理论分析和数值模拟两方面，研究系统摩擦力受到的影响。通过数值模拟计算得到固体晶格结构出现超润滑的条件，为研制具备工程应用价值的摩擦学新材料奠定基础，为新型固体润滑薄膜的研究提供新的思路。.本项目开展的主要研究内容及研究成果有：1）将一维经典FK模型推广至三层润滑模型，理论分析和数值模拟相结合，重点讨论欠阻尼系统中固体润滑层和原子链的倔强系数对系统摩擦力大小的影响。模拟结果表明，系统的摩擦行为出现hysteretic现象，上层原子链受到的摩擦力F1的大小与倔强系数无关，同时，F1的数值模拟结果和理论解析结果完全符合。2）借助推广的三层润滑模型，重点讨论过阻尼系统中固体润滑层对系统摩擦力大小的影响。数值模拟结果表明，上层和润滑层均出现mode-locking行为，润滑层克服最大静摩擦力的临界力大小随着交变力的振幅呈现Bessel形式振荡。