结构超润滑新约化模型

发布时间：2017-12-22 01:24

  本文关键词：结构超润滑新约化模型　出处：《清华大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：摩擦是造成工业生产中能源消耗、器件失效和老化的主要原因,并限制了很多领域的发展。自从1990年Hirano提出超润滑概念以来,基于层状材料的结构超润滑被认为是解决这一难题的最有潜力的技术之一,特别是近几年,超润滑在实验方面取得了很大的进展,实现了在大气环境,高温高速条件下石墨微米尺度的超润滑以及大气环境下碳纳米管厘米尺度的超润滑。超润滑实验上的突破,使其理论研究面临着许多新的挑战。目前研究超润滑的理论方法主要是基于分子动力学和一些约化模型:Prandtl-Tomlinson(PT)模型和Frenkel-Kontorova(FK)模型等。近年来的研究发现,界面变形和边缘化学基团的变形对层状材料的超润滑状态有着重要影响,弄清楚这些因素影响摩擦行为的规律,对超润滑,尤其是大尺度超润滑的进一步深入研究极其重要,然而现有理论方法无法满足这个要求:分子动力学可以考虑复杂变形的影响但只能模拟尺度很小的系统;PT模型和FK模型虽可以模拟大尺度系统却只能考虑简单的拉压变形。在此背景下,本文建立了可分别考虑界面变形和边缘化学基团变形的两个纳米摩擦约化模型,并将其应用于大尺度结构超润滑的研究。本文的主要创新性成果如下:首先,建立了一个考虑了二维晶体材料面外变形的约化模型,并获得了两个晶体表面间计及晶格周期影响的范德华相互作用解析势函数,通过理论计算(自洽屏蔽近似)和分子动力学模拟证明了该模型和解析势函数的有效性。此约化模型和解析势函数的优点是计算量小,能够有效地模拟悬空或置于基底上的大尺度二维晶体材料的变形性质,为大尺度超润滑的进一步理论研究奠定了坚实的基础。其次,基于上述约化模型和解析势函数,发展了一个描述含二维晶体材料层状结构摩擦性质的理论模型。模型揭示了影响该类结构摩擦行为的两个因素(接触表面间的公度性和面外变形)及其内在联系。基于这种联系,本文提出了利用异质结构压制面外变形实现超低摩擦的方法,为实现大尺度超润滑提供了新的思路。最后,建立了一个包含边缘化学基团内部自由度的广义PT模型,基于此模型,揭示了边缘化学基团的结构、形变及其相对表面的取向对系统摩擦行为的巨大影响,模拟的结果得到单分子实验的有力支撑。基于边缘化学基团的摩擦特性,本文提出了调控纳米系统摩擦行为的新方法。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O313.5

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本文编号：1317913