KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 纳米摩擦的非线性特征与超滑行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 孙军辉 | |
| Thesis Advisor | 薛群基 ; 鲁志斌 |
| 2018-05-23 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 纳米摩擦 基本规律 超润滑 负摩擦系数 第一性原理 Nanoscale friction Fundamental laws Superlubricity Negative friction coefficients First-principles calculation |
| Abstract | 由于构成材料的原子的本征离散性，使电荷密度分布不均匀，导致界面原子间相对运动发生能量起伏，这种能量梯度的存在使滑动产生摩擦阻力。迄今为止，学术界对给定滑动体系，尚不能准确预测摩擦力，这迫切需要我们对摩擦学的基础问题进行深入的探知，其中微观摩擦的基本行为是最关键的科学问题之一。虽然宏观摩擦是一个跨尺度作用耦合的结果，但在原子尺度认识摩擦的基本特征是理解不同尺度摩擦行为的基础。因此，本论文的主要目标是试图认识摩擦在原子尺度随载荷演化的一般行为，并面向超滑行为的实现开展工作。本论文从滑动界面上原子的离散本性及其跨界面的相互作用出发，通过第一性原理计算，对多种与实验密切相关的微观滑动体系进行探究，阐释微观摩擦的一般特征，拓展我们对纳米摩擦、润滑及其他微尺度接触相关界面问题的现有认识。主要研究内容和结果为以下几个方面： 1.法向压力诱发二硫化钼侧向层间滑动产生结构相变。对于宏观尺度的接触体系，生活直觉经验告诉我们载荷越大，滑动界面的阻力越大，使表面间难以发生滑动。然而，微观接触体系却可能出现不同的物理行为。层结构材料天然拥有原子级的平坦表面，是研究摩擦基础问题的良好载体。当前工作以2H-MoS2结构为研究对象，采用第一性原理计算从理论上探讨了法向压力对层间界面结构和物理性质的影响。结果表明，尽管初始稳定的界面结构2Hc-MoS2与2Ha-MoS2在9.2GPa的外界压力下即存在近似相等的能量，但只有在压力约为30GPa的临界状态时，在鞍位过渡状态的能垒才可能消失，诱发层间滑动，导致结构相变发生。这与分子动力学模拟和实验报道的28-30GPa的临界压力一致。静电排斥作用是产生该行为的主要原因。虽然当前基于2H-MoS2的临界压力可能大于通常宏观接触中平均表观压力，但在宏观接触的单峰基元也可能发生类似的失稳现象。 2.界面吸引诱导稀有气体层在金属表面超低摩擦滑动。对应高载荷机制的滑动行为，我们推测在界面吸引为主导的低载荷机制下，纳米摩擦也可能会出现背离经典阿蒙顿定律的反常行为。采用色散修正的密度泛函理论，以多种稀有气体层在金属表面的滑动为研究对象，展示了表面间吸引作用诱导的超低摩擦现象，并指出其源于在临界状态下界面吸引诱导滑移路径上势能面褶皱的平坦化。这种超低摩擦状态与目前学术界广泛关注的其它低摩擦态，如结构润滑和超低摩擦等，存在本质的不同。因此，本研究提供了一种实现超低摩擦的有效策略。 3.刚性界面下原子力显微镜难以测试的负摩擦系数行为。近期实验报道的负摩擦系数现象由于其背离宏观摩擦规律而引起了学术界的广泛关注，主要观点认为该行为的出现须依赖于滑动基底的褶皱变形。换言之，刚性滑动表面可能难以出现负摩擦系数行为。在此我们探讨刚性界面发生负摩擦系数行为的可能性。以常规的纳米材料如石墨烯、六方氮化硼的同/异质界面为研究对象，采用色散修正的密度泛函理论计算了吸引力机制下摩擦力随载荷演化的一般特征。结果表明，在界面间距大于平衡距离的远表面区域，存在临界间距zc，产生结合能的极大变化率，同时在此临界间距，原子力显微镜实验中由于接触失稳效应，针尖与被测样品分离。然而，实际上在大于临界间距zc的区域，法向载荷随着间距的增加而变大，而滑动势的褶皱和摩擦力却不断降低。这体现出刚性滑动界面、无基底褶皱条件下的负摩擦系数行为，并提出由于传统原子力显微镜测试技术的接触失稳，使该行为不易在实验中展示。 4.压力诱导摩擦塌缩实现超低摩擦。随着研究的深入，我们逐渐认识到微尺度下的界面滑动可能出现不同于宏观摩擦规律的行为。当前工作采用色散修正的密度泛函理论，系统的研究了压力下石墨烯的层间滑动行为。结果表明，在高载荷机制的近接触区域和低载荷的远接触区域，均出现相互作用能量曲线发生交叉行为，使滑动势能面势在对应的区域发生褶皱-平坦-反褶皱的转变。因此，随着界面接触压力的增加或降低，在相应的临界高和低载荷区域出现反常的超低摩擦特征。进一步研究发现，该行为可能推广至与实验密切相关的金属针尖在石墨表面滑动和稀有气体层在金属表面滑动等体系，并能够对层结构材料如二硫化钼的相变问题给予摩擦学的解释。因此，当前反直觉的特征暗示了纳米摩擦偏离宏观摩擦定律的奇特行为。同时，这种基于量子力学效应滑动势褶皱消失的超滑行为，可能帮助我们进一步认识―超润滑‖的概念。本工作展示了纳米摩擦不同于宏观摩擦的基本特征，同时提供了消除势垒实现超滑态的一般途径。 5.压力诱导反常超滑的图像化识别。通过第一性原理计算，研究了AFM测试中金属针尖在碳纳米材料表面的滑动，发现针尖-样品间距依赖的材料表面超滑与相互作用能量、表面化学力和AFM图像对比度反转存在的直接联系。结果表明，随着针尖高度的变化，针尖在材料表面的滑动势能面图像体现出对比度反转行为，在临界针尖高度出现理论上势能面极平坦的超滑行为，源于滑动路径上不同针尖-样品位点能量曲线的交叉特征。同样，由于该交叉行为，使材料的表面化学力和原子力显微镜图像数据曲线分别在相应的临界间距产生交叉，获得与实验报道吻合的化学力图像和显微图像的对比度反转。通过对上述曲线交点充分必要性存在的论证，明确了碳纳米材料的超滑与其能量图像、表面力和原子力显微图像可以相互识别。本工作能够帮助从材料的AFM图像出发快速检索材料潜在的超滑特性，可能帮助发展原子力显微镜技术的图像采集和分析功能，其中从材料图像反向检索性能的方法对机器学习具有一定的帮助。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25270 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 孙军辉. 纳米摩擦的非线性特征与超滑行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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| 201805孙军辉.pdf（10829KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
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