二维晶体层间超润滑行为及界面调控机制研究

Friction exists from everyday life to advanced technology with a major cause of energy loss and inefficiencies as well as mechanical failures. The reduction of friction in mechanical systems has energy, environment and economic implications. Therefore, researchers have been looking for a long time for innovative ways to achieve superlubricity. Recently, superlubricity has been observed in nano- and micro-scale contacts. However, the fundamental understanding of energy dissipation, deformation mechanisms and impact factors have not been systematically studied. Graphene-like two dimensional (2D) materials are bring amazing opportunities to study, design and develop superlubricity. In the current project, we focus on the stacking structures of 2D materials, for instance, graphene, single-layer black phosphorus and single-layer molybdenum disulfide. Based on molecular dynamics simulations, first-principles calculations and experimental characterizations, we will explore the change rules of the coupling effect between interlayer van der Waals' forces and intra-layer lattice mismatch, as well as to establish the physical relationship between Moiré Patterns and interface commensurability. We will systematically study the basic conditions of superlubricity and internal/external factors. Then, we will uncover the deformation and energy dissipation mechanisms of interlayer superlubricity, according to the change of atomic stress/strain distribution, energy state, phonon spectra and electron density of states. The achievements will be of great guidance value for the design of future superlubricity devices.

摩擦现象遍及日常生活和工业生产，不仅会导致能源利用率的显著降低，且可能造成机械零部件表面的严重磨损。倘若在零部件或物体之间能实现超低摩擦力，将对世界能源、环境和经济发展带来巨大影响。因此，超润滑成为人类梦寐追求的目标。尽管当前学术界已初步发现了超润滑现象，但对其能量耗散、物理机制及影响因素尚缺乏系统认识。以石墨烯为代表的二维材料为超润滑特性的实现和研究提供了天然途径。本项目拟以石墨烯、黑磷烯及二硫化钼等二维材料组成的复合叠层结构为例，基于分子动力学模拟，考察并阐明二维材料叠层结构层间晶格失配与范德瓦尔斯作用力的变化规律，建立摩尔图案与界面公度性的关系；揭示二维材料发生超润滑的基本条件及其内/外部影响因素；根据界面原子应力/应变分布、能量状态、晶格振动声子谱及电子态密度的变化，揭示二维材料层间超润滑的变形及能量耗散机制，为新型超润滑机械硬盘、微/纳机电系统设计提供重要的材料学参考。

理论上的结构超润滑，是近年来摩擦学领域研究的热点和重点。尽管国内外学者对超润滑现象的发展做出了突出贡献，目前已在纳米至宏观尺度均观察到了超润滑的存在，但对超润滑的本征机理及其界面调控机制仍然缺乏足够理解。本项目以石墨烯为代表的二维晶体材料界面为研究对象，基于分子动力学模拟，从原子尺度系统研究了界面特征结构与超润滑之间的关系，顺利完成了各项研究内容，达到了预期指标。取得的主要研究进展如下：（1）开发了定量重构摩尔图案的普适方法并揭示了石墨烯界面超润滑特征及其调控机理，定量揭示了超润滑与旋转角度，接触尺寸之间的关系，基于理论模型提出了超润滑状态的预测相图，为有效设计超润器件提供了理论基础和设计准则。2）重构了针对双层石墨烯体系中给定层施加单轴应变时诱发界面所形成的一种特殊摩尔图案--一维应变孤子的特征，建立了应变、应变孤子特征与超润滑之间的物理关系。3）将上述方法扩展至其它二维材料体系中，在二维磷烯界面发现了丰富的摩尔图案结构，证明异质界面的能垒远小于同质界面，是实现超润滑的理想体系。4）揭示了铜/三维石墨烯复合材料的结构演化及强化机制，发现石墨烯片层间通过碳碳共价键的断裂与重新形成进行结合，最终形成Y型结构。5）系统研究了铜铁合金的快速冷却过程中的结晶行为与相形态的调控，证明通过调节合金成分与冷却速率，能够实现对铜铁合金相形态、数量、大小以及分布的合理调控，进一步发展了半共格界面诱发位错形核的临界分切应力预测理论，预测了纳米沉淀相最佳存在形式，包括尺寸、分布密度等，从而实现强韧化的理性设计。本项目的研究充分展示了界面特征对石墨烯及其复合材料超润滑特性及力学性能的重要影响及调控作用，完成了预期目标。