摩擦能量耗散中晶格振动、界面阻尼和耗散系数的研究

为应对日益严峻的能源紧缺的形势，必须提高机械的能量使用效率，其中关键策略之一是减少摩擦导致的能量损耗。本项目将研究滑动界面摩擦过程中的能量耗散的方式和途径，考察界面原子运动从有序到无序的转换以及界面阻尼和耗散系数的影响，从理论上揭示摩擦起源的微观机制和实验超低摩擦的条件。研究内容包括1）摩擦中界面原子振动的激发和运动模式转换，2）穿越接触表面的声子传播和界面阻尼对声子衰减速率的影响，3）能量耗散系数和摩擦起源的微观理论模型，4）超低摩擦状态的实验研究和模拟。本研究的成果将为实现摩擦定量预测的长期目标积累研究基础，为发展减小或控制摩擦的新技术提供理论指导，它将对摩擦基础研究的突破具有重要的科学意义，并为提高机械能量效率和应对能源紧缺的总体策略提供一种思路和参考。

摩擦在本质上是一个能量转化和耗散的过程，能量耗散的机理和定量预测的是理解和控制摩擦的重要基础问题。本项目以原子尺度摩擦能量耗散中的表面晶格振动和耗散系数为对象开展理论和实验研究，取得了重要的研究进展。在研究方法方面，我们发展或应用了一系列新的模拟技术，如第一性原理研究氧化和氟化石墨烯的层间作用、滑动能垒和摩擦行为，以“反应力场”代替传统势函数以研究摩擦化学反应对摩擦的影响等。在能量耗散机理研究中，我们分析了石墨烯体系中“系统刚度”和“滑动能垒”这两个关键因素对能量耗散和摩擦行为的影响；通过考察摩擦过程中各种能量形式的转化和演变规律，证实了关于能量耗散系数的假设：即确有一部分能量以保守势能的形式保留于系统内部、在摩擦过程中不发生耗散；在能量耗散研究的基础上我们通过考察固体和液体摩擦中滑移平面的形成及其对摩擦的影响，发展了关于“超滑”的理论模型；在含氢类金刚石膜的实验中实现了超滑摩擦状态，并通过改变实验条件研究了材料和环境等因素对其摩擦行为的影响。根据上述研究成果撰写的论文已经在Physical Review B, Carbon, Journal of Physical Chemistry C, Nanotechnology等国际著名科学期刊上发表，共计发表标注本基金项目号的SCI论文9篇，另有部分论文还在整理之中。这些论文虽然发表时间不长但已经获得较好的评价和引用率。项目执行期间我们研究团队获得一项教育部自然科学一等奖，其中包含了本基金项目的部分研究成果，项目负责人为该奖项的第一完成人。项目骨干马天宝副研究员获得2013年中组部青年拔尖人才奖励。