【摘要】：摩擦與人類的生活息息相關(guān),人類對(duì)摩擦現(xiàn)象的研究也由來已久。摩擦學(xué)是研究有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑,以及三者間相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的一門邊緣學(xué)科。摩擦學(xué)對(duì)涉及到滑動(dòng)和滾動(dòng)表面的現(xiàn)代機(jī)器非常關(guān)鍵,大到航天飛行器,小到用筆寫字等無不與摩擦和磨損緊密相關(guān)。世界上目前使用能源的大約三分之一都以摩擦的一種形式或另一種形式存在。因此,減少摩擦和控制磨損是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展的需要,研究摩擦學(xué)的目的就是將涉及到表面摩擦的各個(gè)尺度上的摩擦和磨損的損失最小化或消除。然而,通常人們接觸到的摩擦屬于宏觀摩擦,長(zhǎng)期的實(shí)踐證明各種宏觀系統(tǒng)的干摩擦(界面之間無潤(rùn)滑劑)都遵循形式簡(jiǎn)單的經(jīng)典摩擦學(xué)的三大定律。上世紀(jì)八十年代,一方面,隨著納米科技的發(fā)展,設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的納米器件促使人們?nèi)パ芯扛鞣N納米尺度下的摩擦和磨損;另一方面,這個(gè)時(shí)期發(fā)明的新儀器實(shí)現(xiàn)了在微觀及納米尺度下進(jìn)行測(cè)量和研究�；谶@兩方面的原因,國(guó)際上興起了納米摩擦學(xué)的研究,納米摩擦學(xué)的出現(xiàn)標(biāo)志著摩擦學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。然而,納米尺度下材料特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和隧穿效應(yīng)導(dǎo)致納米摩擦不同于宏觀經(jīng)典摩擦學(xué)的特性。因此,雖然納米摩擦作為一個(gè)新的領(lǐng)域被廣泛研究,但是人們?nèi)匀粵]有在納米尺度下清楚地理解摩擦,因?yàn)榧{米摩擦對(duì)環(huán)境極為敏感,研究結(jié)果缺乏可靠性,且難以重復(fù)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng),作為溝通實(shí)驗(yàn)與理論的橋梁,納米摩擦的模擬計(jì)算也在不斷發(fā)展。現(xiàn)在,數(shù)值方法已經(jīng)成功用于材料納米摩擦特性的研究。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了一些單原子層或分子在典型的二維體系Pb(111)薄膜、h-BN、石墨烯和Mn/W(110)表面上的納米摩擦特性。我們的研究結(jié)果對(duì)納米尺度下摩擦的調(diào)制、納米摩擦耗散機(jī)制的理解以及剝離高質(zhì)量的石墨烯有重要意義。本文的研究?jī)?nèi)容分為四部分,簡(jiǎn)要概括如下:1)在納米尺度下,量子尺寸效應(yīng)(QSEs)和邊界效應(yīng)會(huì)大幅影響摩擦性質(zhì)。應(yīng)用基于范德瓦爾斯修正的密度泛函理論的第一性原理研究了量子尺寸效應(yīng)對(duì)稀有氣體原子在Pb(111)薄膜表面滑動(dòng)的納米摩擦的調(diào)制。研究結(jié)果顯示摩擦隨著層厚存在奇-偶振蕩關(guān)系,不同層厚的Pb(111)薄膜對(duì)摩擦的調(diào)制可達(dá)30%以上。此外,這些調(diào)制對(duì)較大原子半徑的稀有氣體更為顯著,其背后的物理是費(fèi)米面上電子態(tài)密度的振蕩導(dǎo)致稀有氣體原子與具有不同層厚的Pb(111)薄膜之間產(chǎn)生不同的相互作用和滑動(dòng)勢(shì)壘�？偟膩碚f,研究結(jié)果提出了一種在納米尺度下調(diào)制摩擦和通過襯底的不同層厚來確定電子對(duì)摩擦貢獻(xiàn)的方法。2)應(yīng)用包含色散校正的密度泛函理論研究了石墨烯和h-BN兩種薄膜的層間納米摩擦性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),與石墨烯體系的層間各向同性的摩擦不同的是,六角硼氮(h-BN)體系呈現(xiàn)各向異性的層間摩擦。這個(gè)結(jié)果可用這兩個(gè)體系電子結(jié)構(gòu)的不同來解釋。由B和N原子的不同電負(fù)性而誘發(fā)的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致在B和N原子周圍的電荷的失和得,加劇了不同堆棧下相互作用能的不同,該機(jī)制可通過h-BN在石墨烯和氫化的石墨烯上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步證實(shí)。研究結(jié)論有助于人們深刻認(rèn)識(shí)電負(fù)性在納米摩擦中的重要作用,同時(shí)也提供了一種調(diào)控低維極性材料納米摩擦的方法。3)應(yīng)用基于密度泛函理論的范德瓦爾斯修正的第一性原理研究了用芘基分子直接從石墨上剝離石墨烯的機(jī)制。結(jié)果表明:芘基分子和石墨烯之間的相互作用能強(qiáng)于石墨烯薄片之間的相互作用能,然而,二者之間的摩擦卻低于雙層石墨烯的層間摩擦。對(duì)比不同芘基分子在石墨烯面上的吸附能和摩擦說明其附加側(cè)鏈長(zhǎng)度和類型會(huì)影響摩擦的大小。從吸附能的角度來看,這些研究結(jié)果預(yù)示著PCA分子能夠和石墨烯成鍵,并且容易在其面上滑動(dòng),很好地解釋了實(shí)驗(yàn),同時(shí)為不同需要條件下生產(chǎn)石墨烯薄片的水性分散體提供了一些替代分子。4)采用基于密度泛函理論的第一性原理研究了Co單原子層在Mn/W(110)表面滑動(dòng)的自旋摩擦特性。自旋摩擦的量級(jí)是通過計(jì)算自旋極化摩擦和非自旋極化摩擦的差別獲得。結(jié)果顯示磁性體系明顯呈現(xiàn)出比相應(yīng)的非磁性體系低的摩擦,這可通過作用于摩擦特性上的自旋的電子機(jī)制來解釋。該研究結(jié)果提供了一種在密度泛函理論框架下估算自旋摩擦的一種方法。
【圖文】：

第 1 章 緒論的高度下，于 2001 年初在國(guó)內(nèi)首次提出了“綠色摩擦學(xué)”這個(gè)術(shù)語和概念[7,8]，以突出摩擦學(xué)在節(jié)能和減少（或消除）對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的負(fù)面影響作用，建立新的摩擦學(xué)分支。這些發(fā)展變化標(biāo)志著摩擦學(xué)已從原來的經(jīng)典摩擦學(xué)（Classicaltribology）發(fā)展到一個(gè)新階段，即現(xiàn)代摩擦學(xué)。

、特點(diǎn)及意義、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、橫向力或者摩擦力平等先進(jìn)儀器的出現(xiàn)為摩擦學(xué)開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域觀摩擦學(xué)、分子摩擦學(xué)或原子摩擦學(xué)。它是研究從原子內(nèi)的粘附、摩擦、磨損和薄膜潤(rùn)滑過程的學(xué)科，其研究微觀摩擦磨損機(jī)理，以及表面和界面分子工程，即通過涂層，，抑或建立有序分子膜的潤(rùn)滑狀態(tài)，以獲得優(yōu)異的觀摩擦與納米摩擦之間的對(duì)比如圖 1.2 所示。在宏觀摩荷下的大質(zhì)量的物體上進(jìn)行。在這些實(shí)驗(yàn)中，磨損是不的塊體特性在摩擦行為中占主導(dǎo)地位。而在納米摩擦中荷和相對(duì)較小的質(zhì)量的相互作用物體之間進(jìn)行的。在這，表面的性質(zhì)決定著摩擦行為，同時(shí)微觀尺度下的量子致納米摩擦學(xué)不同于宏觀經(jīng)典摩擦學(xué)的特性。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O313.5;TB383.1

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