本文關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)超潤滑新約化模型　出處：《清華大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：摩擦是造成工業(yè)生產(chǎn)中能源消耗、器件失效和老化的主要原因,并限制了很多領(lǐng)域的發(fā)展。自從1990年Hirano提出超潤滑概念以來,基于層狀材料的結(jié)構(gòu)超潤滑被認為是解決這一難題的最有潛力的技術(shù)之一,特別是近幾年,超潤滑在實驗方面取得了很大的進展,實現(xiàn)了在大氣環(huán)境,高溫高速條件下石墨微米尺度的超潤滑以及大氣環(huán)境下碳納米管厘米尺度的超潤滑。超潤滑實驗上的突破,使其理論研究面臨著許多新的挑戰(zhàn)。目前研究超潤滑的理論方法主要是基于分子動力學(xué)和一些約化模型:Prandtl-Tomlinson(PT)模型和Frenkel-Kontorova(FK)模型等。近年來的研究發(fā)現(xiàn),界面變形和邊緣化學(xué)基團的變形對層狀材料的超潤滑狀態(tài)有著重要影響,弄清楚這些因素影響摩擦行為的規(guī)律,對超潤滑,尤其是大尺度超潤滑的進一步深入研究極其重要,然而現(xiàn)有理論方法無法滿足這個要求:分子動力學(xué)可以考慮復(fù)雜變形的影響但只能模擬尺度很小的系統(tǒng);PT模型和FK模型雖可以模擬大尺度系統(tǒng)卻只能考慮簡單的拉壓變形。在此背景下,本文建立了可分別考慮界面變形和邊緣化學(xué)基團變形的兩個納米摩擦約化模型,并將其應(yīng)用于大尺度結(jié)構(gòu)超潤滑的研究。本文的主要創(chuàng)新性成果如下:首先,建立了一個考慮了二維晶體材料面外變形的約化模型,并獲得了兩個晶體表面間計及晶格周期影響的范德華相互作用解析勢函數(shù),通過理論計算(自洽屏蔽近似)和分子動力學(xué)模擬證明了該模型和解析勢函數(shù)的有效性。此約化模型和解析勢函數(shù)的優(yōu)點是計算量小,能夠有效地模擬懸空或置于基底上的大尺度二維晶體材料的變形性質(zhì),為大尺度超潤滑的進一步理論研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。其次,基于上述約化模型和解析勢函數(shù),發(fā)展了一個描述含二維晶體材料層狀結(jié)構(gòu)摩擦性質(zhì)的理論模型。模型揭示了影響該類結(jié)構(gòu)摩擦行為的兩個因素(接觸表面間的公度性和面外變形)及其內(nèi)在聯(lián)系。基于這種聯(lián)系,本文提出了利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓制面外變形實現(xiàn)超低摩擦的方法,為實現(xiàn)大尺度超潤滑提供了新的思路。最后,建立了一個包含邊緣化學(xué)基團內(nèi)部自由度的廣義PT模型,基于此模型,揭示了邊緣化學(xué)基團的結(jié)構(gòu)、形變及其相對表面的取向?qū)ο到y(tǒng)摩擦行為的巨大影響,模擬的結(jié)果得到單分子實驗的有力支撐。基于邊緣化學(xué)基團的摩擦特性,本文提出了調(diào)控納米系統(tǒng)摩擦行為的新方法。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O313.5

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本文編號：1317913