[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

摘要

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。

主权项

1.一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k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平均摩擦力与滑移时间的对应关系，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，摩擦力逐渐减小，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、薄片和基底各接触区对摩擦力贡献的研究为了明晰刚度梯度和质心刚度对摩擦力的影响，本方法将探针吸附薄片划分成7个区域，即沿刚度增大方向依次为T1～T7，除T4在X方向包含22列原子外，其余各区均包含1列原子；通过分析各区在质心刚度等于12nN/nm、刚度梯度等于1.34nN/nm²下所受的摩擦力，也就是滑移方向的范德华力得知，在整个滑移过程中，T1和T2所受的摩擦力为正，其余各区摩擦力均为负，并且所有划分区的摩擦力绝对值均随刚度的增大而减小，将T4所受的摩擦力平均到每列原子后发现，各区每列原子所受的摩擦力Ti_f排序为T1_f>T2_f>0>T5_f>T3_f>T4_f>T6_f>T7_f，i取1～7，总摩擦力也就是说，T1_f和T2_f不但没有贡献摩擦力，反而驱动薄片向前滑动，T7_f贡献的摩擦力最大；如果将每列原子的摩擦力占总摩擦力的比值定义为摩擦贡献比，那么在整个滑移过程中，T1_f对总摩擦力的贡献比为‑36％～‑39％，T2_f的贡献比为‑7％～‑10％；随着支撑刚度的增大，T7_f对总摩擦力的贡献比也越高，从33％上升到47％，约为T3_f～T6_f贡献比的4～15倍；摩擦力是两相对运动的摩擦副接触面间各种力的合力；为了理清基底对薄片各接触区摩擦力的影响，本方法分别对质心刚度等于17nN/nm、刚度梯度等于2.68nN/nm2下薄片各区域所对应的基底接触区S1～S7以及接触边界过渡区外延处S0和S8的原子振动幅值和法向变形量进行统计，此处Si由Ti对应；结果表明，较大的基底支撑刚度会抑制原子的热运动，同时S0和S8处的原子热振动幅值明显高于相邻接触区，说明原子的热振动不仅受基底支撑刚度的约束，薄片和基底的接触挤压也会抑制原子的振荡；而且，在接触边界过渡区两侧形成了非对称变形；S0和S8处始终形成非对称变形差；因此，各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用；前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度相耦合的结果，后者是接触边界过渡区两侧原子的自由度约束突变和非对称变形引起的非平衡边界势垒，形成了刚度梯度方向的力差，两者共同合成摩擦力。