《納米碳材料摩擦的起源與振動控制摩擦的機理》是依託北京科技大學，由李瑞擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米碳材料摩擦的起源與振動控制摩擦的機理
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：李瑞
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於表面界面效應，在納米碳材料器件的建造和運行中，微觀摩擦問題成為亟待解決的難題。闡明原子分子尺度摩擦的起源，研究微觀摩擦的控制方式和機理具有重要意義。本項目擬以碳納米管和石墨烯為對象，採用第一性原理、分子動力學方法研究化學處理後納米碳材料表面基團導致的差異化界面相互作用影響摩擦的機理，能量耗散過程中聲子的發射、衰減以及基團與能量耗散的關係，闡明納米碳材料摩擦的起源；採用分子動力學模擬外加振動時納米碳材料摩擦界面的動力學過程，研究界面間距周期性改變時界面勢場、原子接觸狀態與振動的變化以及它們對能量耗散的影響，探索振動控制微觀摩擦的機理。同時，採用原子力顯微鏡（AFM）研究各類碳納米管、石墨烯的摩擦性能，振動幅度和頻率對碳納米管針尖運動、摩擦行為的影響，驗證理論結果並提出振動控制的有效參數範圍。研究結果可為納米碳材料的套用從摩擦學角度提供參考，對推進摩擦學基礎理論的進展也具有科學意義。
結題摘要
由於表面界面效應，在納米碳材料器件的建造和運行中，微觀摩擦問題成為亟待解決的難題。闡明原子分子尺度摩擦的起源，研究微觀摩擦的控制方式和機理具有重要意義。本項目以納米碳材料為研究對象，主要採用分子動力學方法研究了差異化界面作用影響微觀摩擦的機理、接枝基團對體系能量耗散方式的影響以及振動控制微觀摩擦的可能性。主要結論如下：（1）通過碳納米管與石墨烯、多晶石墨烯、基底Si組成的模擬模型，研究了范德華力、氫鍵和庫侖力三種差異化界面作用對微觀摩擦的影響。結果表明界面摩擦與氫鍵數量緊密相關，但范德華力在界面作用力中仍占據主要作用，決定界面摩擦的深層原因在於界面間距的改變。界面間的氫鍵作用對摩擦的影響比表面粗糙度的影響顯著得多。（2）接枝羥基對體系的聲子態密度具有顯著影響。對於碳納米管與Si組成的體系，隨接枝羥基數目的增加，羥基對應的振動峰峰值增大，碳納米管和矽基底的固有振動峰降低，當碳納米管和矽基底的羥基比例為10%/20%時，體系能量耗散的主要途徑由碳納米管和矽基底的振動轉變為羥基的振動。（3）通過在界面間引入不同比例的羥基，可對不同手性角、直徑和長度的碳納米管進行滑動、滾動運動模式的調節。這一結果可用於控制碳納米管的運動以及用於製備可程式納米器件。（4）研究了無介質、存在聚乙烯這一第三介質時法向振動對界面微觀摩擦的影響，結果表明無第三介質時外加振動對針尖、基底體系界面摩擦的調控效果受振動頻率的影響。超高頻下振動增大摩擦，而遠低於針尖固有頻率的外加振動可抑制界面摩擦，原因在於針尖動力學剛度的改變引起的界面間距的變化。界面存在第三介質聚乙烯時，小幅低頻振動對於控制摩擦具有顯著作用。（5）在石墨烯、MoS2和h-BN三種二維材料組成異質結構中，石墨烯和MoS2的界面摩擦性能最優，MoS2和h-BN組成的異質結構界面摩擦最大。對於三種異質結構，點缺陷的存在均增大了界面摩擦。
