纳米碳材料摩擦的起源与振动控制摩擦的机理

Microscale friction becomes an important problem in manufacture and operation of carbon nano-materials owing to surface and interface effect. Understanding of the origin of friction in atomic scale, study on how to control the friction and why the method can work are necessary for the application of carbon nano-materials. To solve the questions mentioned above, this project adopts carbon nanotube and graphene to carry out the research. The project intends to investigate the the mechanism that multiple interface interactions influence microscale friction, phonon emission and damping during energy dissipation, and the influences of groups on carbon nano-materials interfaces on energy dissipation using the first-principle and molecular dynamics method, then the origin of friction of carbon nano-materials will be uncovered. The project also simulates dynamics processes of interface under vibration. Potential field, contact and vibration of interface atoms with periodical change of interface space and their influences on energy dissipation will be studied. Meanwhile, the friction of various carbon nanotubes and graphenes will be measured by atomic force microscope(AFM). The influences of vibration amplitude and frequency on carbon nanotube tip's motion and friction will be investigated to valid simulation results and explore the effective range of vibration amplitude and frequency. The results of this project can provide theoretical suggestion in tribology for the application of carbon nano-materials, and push forward the advance of the basic theory of tribology.

由于表面界面效应，在纳米碳材料器件的建造和运行中，微观摩擦问题成为亟待解决的难题。阐明原子分子尺度摩擦的起源，研究微观摩擦的控制方式和机理具有重要意义。本项目拟以碳纳米管和石墨烯为对象，采用第一性原理、分子动力学方法研究化学处理后纳米碳材料表面基团导致的差异化界面相互作用影响摩擦的机理，能量耗散过程中声子的发射、衰减以及基团与能量耗散的关系，阐明纳米碳材料摩擦的起源；采用分子动力学模拟外加振动时纳米碳材料摩擦界面的动力学过程，研究界面间距周期性改变时界面势场、原子接触状态与振动的变化以及它们对能量耗散的影响，探索振动控制微观摩擦的机理。同时，采用原子力显微镜（AFM）研究各类碳纳米管、石墨烯的摩擦性能，振动幅度和频率对碳纳米管针尖运动、摩擦行为的影响，验证理论结果并提出振动控制的有效参数范围。研究结果可为纳米碳材料的应用从摩擦学角度提供参考，对推进摩擦学基础理论的进展也具有科学意义。

由于表面界面效应，在纳米碳材料器件的建造和运行中，微观摩擦问题成为亟待解决的难题。阐明原子分子尺度摩擦的起源，研究微观摩擦的控制方式和机理具有重要意义。本项目以纳米碳材料为研究对象，主要采用分子动力学方法研究了差异化界面作用影响微观摩擦的机理、接枝基团对体系能量耗散方式的影响以及振动控制微观摩擦的可能性。主要结论如下：（1）通过碳纳米管与石墨烯、多晶石墨烯、基底Si组成的模拟模型，研究了范德华力、氢键和库仑力三种差异化界面作用对微观摩擦的影响。结果表明界面摩擦与氢键数量紧密相关，但范德华力在界面作用力中仍占据主要作用，决定界面摩擦的深层原因在于界面间距的改变。界面间的氢键作用对摩擦的影响比表面粗糙度的影响显著得多。（2）接枝羟基对体系的声子态密度具有显著影响。对于碳纳米管与Si组成的体系，随接枝羟基数目的增加，羟基对应的振动峰峰值增大，碳纳米管和硅基底的固有振动峰降低，当碳纳米管和硅基底的羟基比例为10%/20%时，体系能量耗散的主要途径由碳纳米管和硅基底的振动转变为羟基的振动。（3）通过在界面间引入不同比例的羟基，可对不同手性角、直径和长度的碳纳米管进行滑动、滚动运动模式的调节。这一结果可用于控制碳纳米管的运动以及用于制备可编程纳米器件。（4）研究了无介质、存在聚乙烯这一第三介质时法向振动对界面微观摩擦的影响，结果表明无第三介质时外加振动对针尖、基底体系界面摩擦的调控效果受振动频率的影响。超高频下振动增大摩擦，而远低于针尖固有频率的外加振动可抑制界面摩擦，原因在于针尖动力学刚度的改变引起的界面间距的变化。界面存在第三介质聚乙烯时，小幅低频振动对于控制摩擦具有显著作用。（5）在石墨烯、MoS2和h-BN三种二维材料组成异质结构中，石墨烯和MoS2的界面摩擦性能最优，MoS2和h-BN组成的异质结构界面摩擦最大。对于三种异质结构，点缺陷的存在均增大了界面摩擦。