[发明专利]一种探针薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究方法

说明书

本发明公开了一种探针薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究方法，包括以下步骤：步骤1、利用分子动力学方法建立了公度接触下刚度梯度支撑的石墨烯层间摩擦力模型；步骤2、分析了不同基底质心刚度和支撑刚度梯度下基底和薄片各接触区对摩擦能耗的贡献。软边界区始终贡献驱动力，硬边界区贡献的摩擦力最大,且随着支撑刚度的增大,硬边界区对总摩擦的贡献比也越高；步骤3、阐释了刚度梯度对各接触区摩擦力影响的内在机理。各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的界面褶皱势和接触区之间的法向变形差相耦合的结果。

技术领域

本发明属于分子动力学技术领域，涉及一种探针薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究方法。

背景技术

当两个接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时，阻碍其相对运动的力称为摩擦力，接触面之间的这种现象或特性叫摩擦。摩擦本质上是接触表面原子相互作用下的不可逆能量耗散，涉及复杂的非平衡态热力学过程。从组成物质的原子层面分析，光滑接触变成了众多粗糙峰接触，宏观应用的连续介质接触理论不再适用于微观离散接触模型。石墨烯是一种具有原子级厚度的二维碳材料，因其特有的大比表面积结构，被认为是理想的摩擦力研究材料。同时，由于其具有优异的力学、热学、电学和光学等性质，人们认为它将有可能取代硅，开启新的碳时代。当前石墨烯基器件的应用研究迅速发展，在纳米晶体管、透明导电薄膜、高灵敏度传感器、微/纳机电系统等方面都取得了实质性的进展。在一些纳米器件中，石墨烯层间的相对运动诱导机械功，同时由于其层间较弱的范德华力和较强的层内共价键作用，多层石墨烯可以作为理想的固体润滑剂。于是，以石墨烯为研究对象，从原子级的长度尺度和声子级的时间尺度观察摩擦现象，探究其规律，理清相关机理，构筑纳米摩擦理论已成为当前最受关注的纳米摩擦学研究内容。

基于纳尺度驱动和能量转换的重要性，人们对纳米器件定向运动的研究引起了广泛关注。Bailey等在非手性外碳纳米管两端施加直流电压产生电流，使手性内碳纳米管形成旋转扭矩以克服内外管间的摩擦力做旋转运动。Guo等通过实验对一双壁碳纳米管的内管两端施加电流后发现，较短的外管会做定向平动或转动，即使改变了外加电流方向，外管的运动状态也不会改变，作者将此现象归因于初始电流使内管沿轴向方向产生的非均匀性热流形成的温度梯度，造成内外管接触区的范德华势能差以及连接边界过渡处热振动幅值差的共同作用驱使外管运动。Somada等利用透射电子显微镜发现了一胶囊型碳纳米管在长纳米管内做往复直线运动，并用分子动力学证明了驱动力由两部分造成，分别是外管端部壁帽和胶囊之间的范德华作用吸收了系统能量造成外管两端部形成能量谷，以及热振动导致的纳米管轴向波状变形。Shiomi等和Coluci等也分别通过水分子簇和富勒烯在碳纳米管中的定向运动证实了驱动力是由温度梯度引起的。不同于以往在碳管或基底两端持续施加外激励以保持恒定的驱动力，Chang等将锯齿型(zigzag)石墨烯薄片放置在刚度梯度支撑的扶手椅型(armchair)石墨烯基底上(非公度接触)，发现薄片会自发地从刚度较小区域向较大区域滑动，说明系统内部自身材料属性的差异会诱导刚度梯度方向的驱动力。当器件滑过两个不同约束基底或两种材质界面时，由于材料弹性模量的不同导致支撑体在滑动方向上形成刚度梯度，并且公度接触时界面之间的范德华势能小，接触稳定，两摩擦副界面通常以公度方式接触。所以，结合刚度梯度诱发的驱动力和公度接触下界面褶皱势引起的阻碍力研究纳米器件的滑移行为非常重要。而将石墨烯层间公度接触和基底支撑刚度梯度变化相结合的相对运动，国内外学者鲜有研究。因此，研究基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响，具有重要的科学和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探针薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究方法。

其具体技术方案为：

一种探针薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究方法，包括以下步骤：

步骤1、分子动力学模型的建立