金屬Ag,Cu及其與石墨烯復(fù)合界面摩擦的第一性原理研究.pdf

1、摩擦現(xiàn)象對人類的生產(chǎn)和生活有著不可忽視的影響。世界上有大約1/3-1/2的一次性能源消耗在摩擦過程中，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家由于摩擦和磨損引起的損失占了國民生產(chǎn)總值（GDP）的5％-7%。所以對摩擦的研究至關(guān)重要，從四世紀(jì)開始，人們已經(jīng)開始對摩擦進(jìn)行研究，最基本的摩擦學(xué)規(guī)律是阿蒙頓定律。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代精密器件的尺寸越來越小，比表面積越來越大，摩擦對微電子機(jī)械器件的正常運(yùn)行和使用壽命有著決定性的影響?？茖W(xué)家在對一些材料研究中發(fā)現(xiàn)了超

2、潤滑現(xiàn)象，超潤滑指摩擦因數(shù)為0或無限接近于0，超潤滑的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代微納機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和制造帶來了希望。理論研究表明最有可能產(chǎn)生超潤滑現(xiàn)象的材料就是二維材料，如石墨烯，二硫化鉬，六方氮化硼等。這些二維材料由于晶面原子間有極強(qiáng)的化學(xué)鍵，晶面間不易發(fā)生形變，同時層間有很弱的范德華力，界面間滑動時的摩擦力更易接近零。隨后在實驗中也證實了超潤滑現(xiàn)象驗證了理論預(yù)測。
　　軟金屬Ag，Cu的優(yōu)良潤滑性能使它們被應(yīng)用于精密儀器的制造。但是隨著科學(xué)技術(shù)

3、的飛速發(fā)展，在超高精密儀器或微電子機(jī)械系統(tǒng)的滑動界面需要非常低的摩擦甚至沒有摩擦。這就對潤滑材料有了更苛刻的要求，傳統(tǒng)的軟金屬Ag，Cu的潤滑性能已不能滿足需要,超潤滑（Superlubricity）（指發(fā)生相對運(yùn)動的物體間的摩擦力幾乎為零甚至完全消失的現(xiàn)象）性能的發(fā)現(xiàn)和研究為更高摩擦學(xué)性能需求的器件和微電子機(jī)械系統(tǒng)帶來了希望。二維材料（石墨烯，MoS2，WO2等）在特定的實驗條件下摩擦力消失摩擦因數(shù)為零出現(xiàn)超潤滑現(xiàn)象，但是，都有不足之

4、處，就拿石墨烯來說，承受一定載荷后滑動會引起邊緣起皺，這種面內(nèi)形變會引起摩擦因數(shù)升高導(dǎo)致超潤滑失效。于是，我們希望把石墨烯附著在軟金屬表面上作為潤滑層，一方面保護(hù)金屬層，另一方面改善表面的潤滑性能，滿足機(jī)械系統(tǒng)所需要的超低摩擦要求。本文中運(yùn)用第一性原理密度泛函理論（DFT）系統(tǒng)地研究了在微納尺度下金屬與金屬界面，金屬與石墨烯界面和通過石墨修飾的金屬界面的摩擦性能研究。我們的研究發(fā)現(xiàn)了金屬與金屬界面在微尺度下仍遵守阿蒙頓定律；金屬與石墨烯