纳米尺度不公度接触中不公度-公度瞬时、局域相变和表面缺陷对结构性超滑的影响机理研究

Structural lubricity has attracted more and more attention from researchers due to its great potential application in many different fields. However, at present the underlying mechanisms for the occurrence of structural lubricity have not been fully understood. The ultralow friction which the theory of structural lubricity predicts is not observed in many incommensurate interfaces. In addition, the influence of surface defects that are common in materials on commensurability of the interfaces and structural lubricity is still unclear. Aiming at these problems, firstly, in this project theoretical simulations and experiments will be conducted to study the manipulation of gold nanoparticles on an atomically flat graphite surface by the atomic force microscopy tip. The effects of load, velocity, temperature and size on the friction process will be thoroughly investigated to explore the conditions and mechanisms for the occurrence of instantaneous and local transition from incommensurate to commensurate state in incommensurate contacts. Furthermore, the manipulation of gold nanoparticles on graphite surface with vacancies, holes or Stone-Wales defects by silicon tip will also be studied to analyze the effects of surface defects on the commensurability of the interfaces and structural lubricity. Finally the mechanisms and conditions for the occurrence of structural lubricity will be uncovered. Not only can this research enrich the structural lubricity theory and provide the necessary theoretical and technical supports for the design and fabrication of superlubricity devices, but also it can help uncover the microscopic origins of friction.

结构性超滑因其广阔的应用前景受到了研究人员的广泛关注，但目前其机理尚未被完全揭示。实际中许多不公度界面没有出现超滑理论所预测的超低摩擦现象，并且人们对普遍存在的表面缺陷对接触界面公度性和超滑的影响规律也没有清楚的认识。针对上述问题，本项目采用理论模拟和实验相结合的方法，首先通过研究原子力显微镜探针推动金纳米颗粒在石墨基体表面的运动过程，分析载荷、速度、温度和尺寸效应等因素对摩擦的影响规律，阐明不公度接触界面出现不公度-公度构型瞬时、局域转变的条件和微观机制，揭示其对结构性超滑的影响机理；然后研究石墨基体表面存在空位、孔洞和Stone-Wales缺陷时金纳米颗粒的运动过程，阐明表面缺陷对接触界面公度性和结构性超滑的影响机制和规律，揭示结构性超滑的机理和实现条件。本项目的研究成果不仅可以丰富结构性超滑理论，为未来超滑器件的设计制造提供必要的理论和技术支持，而且对揭示摩擦的微观起源具有重要重义。

结构性超滑因其广阔的应用前景受到了研究人员的广泛关注，但目前其机理尚未被完全揭示，实际中许多不公度界面没有出现超滑理论所预测的超低摩擦现象。为此，本项目开展了一系列研究工作来探索结构性超滑现象失效的条件和物理机制，取得的主要成果如下：（1）采用分子动力学方法研究了金刚石滑块-银基体不公度摩擦系统，结果表明不公度接触界面滑动时在一定条件下会出现结构性超滑的失效，这是由于接触区域界面微观构型发生了局部调整从而在接触区域产生了瞬时公度结构。接触区域是否发生不公度-公度构型的转变主要受摩擦副材料、接触区域尺寸以及界面相互作用强度等的影响。当滑块或/和基体刚度较小，而界面相互作用较强，并且接触区域尺寸较小时容易发生不公度向公度构型的瞬时、局域转变，进而导致结构性超滑的失效。（2）采用分子动力学方法模拟原子力显微镜探针推动石墨烯片在金基体表面的滑动摩擦过程，结果表明，石墨烯和金基体的不公度接触表面在较大载荷时超滑失效的主要原因是由于金基体发生了较大的弹性变形从而增大了界面滑动势垒。这一结果是对目前结构性超滑失效机理的有益补充。（3）对于石墨烯-金基体不公度摩擦系统，摩擦力表现出了明显的尺寸效应，即平均每个原子所受的摩擦力随着石墨烯片尺寸的增大而减小。石墨烯的形状对摩擦有重要影响。正方形石墨烯平均每个原子所受的摩擦力最大，三角形石墨烯的值最小，而圆形石墨烯的值介于二者之间。金基体方位和滑动方向对摩擦也有重要影响，即摩擦力表现出明显的各向异性。这是由于势能褶皱的各向异性引起的。本项目的研究成果不仅可以丰富结构性超滑理论，为超滑器件的设计制造提供必要的理论和技术支持，而且对揭示摩擦的微观起源具有重要重义。