[发明专利]一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法

摘要

本发明公开了一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法。包括以下步骤：步骤1、分子动力学模型的建立。模型系统包括模拟原子力显微镜探针针尖吸附的一方形石墨烯薄片和刚度梯度支撑的单层石墨烯基底；步骤2、刚度梯度对石墨烯平均摩擦力的影响。随着支撑刚度增大，导致摩擦能耗减小，当刚度超过一定临界值时，摩擦力不再减小。步骤3、刚度梯度对法向载荷的影响。支撑刚度较大时，基底法向变形小，薄片和基底之间的距离较小，层间范德华力较大。步骤4、刚度梯度对摩擦力影响的内在机理。摩擦力是由界面势垒和不同刚度支撑原子的热振动引起的势梯度，以及边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的边界势垒共同引起的。

主权项

1.一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、分子动力学模型的建立建立的模型系统包括模拟原子力显微镜探针针尖吸附的一方形石墨烯薄片和刚度梯度支撑的单层石墨烯基底；利用法向刚度沿X方向线性递增的弹簧床将支撑体和基底石墨烯的每个原子相连接，为了模拟探针悬臂，将石墨烯薄片质心用弹簧连接于沿X方向以恒速3m/s滑动的外部一虚拟原子，该虚拟原子相当于悬臂梁；薄片和基底在滑动方向上均为锯齿型且在Y方向等宽，并以A‑B方式堆垛；石墨烯基底尺寸为21.5nm×6.7nm，薄片尺寸为6.7nm×6.7nm，晶格常数为0.142nm，薄片质心初始位置位于离基底质心偏软区域1.87nm处，基底沿X方向两端3列原子为支撑边界，约束其除Z方向平动外的所有自由度，紧邻支撑边界的3列原子为调温边，约束薄片沿Y方向的平动和绕Z轴的转动，系统的Y方向设置成周期性边界条件；同层原子之间的作用势采用Tersoff‑Brenner势，薄片和基底之间的作用势采用耦合强度较弱的Lennard‑Jones势，势阱常数为3.73×10‑3eV，平衡常数为0.34nm，截断半径为0.884nm；系统采用NVT系综，即粒子数、体积以及温度均保持恒定，并通过Langevin调温法调节温度到300K，时间步长为0.5fs，滑移总时长为1.25ns；所有的模拟都是通过LAMMPS软件包实现并在1.5ns内完成的；步骤2、刚度梯度对摩擦力的影响根据以上模型系统，对薄片每个原子施加0.5nN的法向面载荷，分别计算不同基底质心刚度和刚度梯度下瞬时摩擦力和平均摩擦力与滑移时间T的对应关系，以下将平均摩擦力简称为摩擦力；结果表明，随着薄片从较软区域向较硬区域滑动，瞬时摩擦力的最大值和摩擦力均逐渐减小，当滑移时间超过1ns时，摩擦力基本保持恒定，并且当质心刚度恒定时，刚度梯度越大，摩擦力下降越明显；建立的梯度刚度支撑系统能够模拟基底支撑约束下不同层数的石墨烯，随着支撑刚度增大，相当于石墨烯层数增加，导致摩擦能耗减小，当刚度超过一定临界值时，弹簧支撑的石墨烯系统相当于石墨，摩擦力不再减小，在质心刚度恒定时，不同刚度梯度下滑移至1ns时摩擦系数均为0.005，与已有的实验和仿真结果有相同的数量级，说明了此模型的正确性；由于刚度梯度方向上摩擦力随滑动时间逐渐减小，因此，为了反映探针跨过其与基底之间界面势垒的难易程度，对如何统计摩擦力显得尤为重要；薄片和基底在滑动方向均为锯齿型，连接薄片虚拟原子的滑动速度恒定为3m/s，单位时间内薄片滑移距离相等，结合石墨烯晶格常数0.142nm和滑移总时长1.25ns，在0.25ns内恰好完成了3个瞬时摩擦力黏‑滑周期；因此，在对平均摩擦力进行统计时时长取0.25ns；本方法中所有的误差棒均是在5个不同随机速度种子下计算结果平均值的标准差；步骤3、刚度梯度对法向载荷的影响为了模拟力控制接触模式的AFM扫描过程，用反馈信息调整针尖吸附薄片在Z方向的位置，确保法向载荷恒定的同时尽量减小针尖吸附薄片的振荡，所施加的法向载荷是确保薄片恒高的弹性面载荷；然而随着刚度的增大，当刚度梯度分别等于1.34nN/nm2和1.84nN/nm2时，有效法向总载荷从896nN分别增大到898nN和901nN；这是由于支撑刚度较大时，基底法向变形小，薄片和基底之间的距离变小，摩擦副界面范德华力增大，法向载荷增大时增加界面势垒高度,导致摩擦力增大；然而计算结果表明，法向载荷增加引起的摩擦力增加值不足以抵消刚度增大导致的摩擦力减小值，这更说明了刚度梯度对摩擦力有显著影响。