一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法
本专利技术属于分子动力学
，涉及一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法。
技术介绍
当两个接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时，阻碍其相对运动的力称为摩擦力，接触面之间的这种现象或特性叫摩擦。摩擦本质上是接触表面原子相互作用下的不可逆能量耗散，涉及复杂的非平衡态热力学过程。从组成物质的原子层面分析，光滑接触变成了众多粗糙峰接触，宏观应用的连续介质接触理论不再适用于微观离散接触模型。石墨烯是一种具有原子级厚度的二维碳材料，因其特有的大比表面积结构，被认为是理想的摩擦力研究材料。同时，由于其具有优异的力学、热学、电学和光学等性质，人们认为它将有可能取代硅，开启新的碳时代。当前石墨烯基器件的应用研究迅速发展，在纳米晶体管、透明导电薄膜、高灵敏度传感器、微/纳机电系统等方面都取得了实质性的进展。在一些纳米器件中，石墨烯层间的相对运动诱导机械功，同时由于其层间较弱的范德华力和较强的层内共价键作用，多层石墨烯可以作为理想的固体润滑剂。于是，以石墨烯为研究对象，从原子级的长度尺度和声子级的时间尺度观察摩擦现象，探究其规律，理清相关机理，构筑纳米摩擦理论已成为当前最受关注的纳米摩擦学研究内容。基于纳尺度驱动和能量转换的重要性，人们对纳米器件定向运动的研究引起了广泛关注。Bailey等在非手性外碳纳米管两端施加直流电压产生电流，使手性内碳纳米管形成旋转扭矩以克服内外管间的摩擦力做旋转运动。Guo等通过实验对一双壁碳纳米管的内管两端施加电流后发现，较短的外管会做定向平动或转动，即使改变了外加电流方向，外管的运动状态也不会改变，作者将此现象归因于初始电流使内管沿轴向方向产生的非均匀性热流形成的温度梯度，造成内外管接触区的范德华势能差以及连接边界过渡处热振动幅值差的共同作用驱使外管运动。Somada等利用透射电子显微镜发现了一胶囊型碳纳米管在长纳米管内做往复直线运动，并用分子动力学证明了驱动力由两部分造成，分别是外管端部壁帽和胶囊之间的范德华作用吸收了系统能量造成外管两端部形成能量谷，以及热振动导致的纳米管轴向波状变形。Shiomi等和Coluci等也分别通过水分子簇和富勒烯在碳纳米管中的定向运动证实了驱动力是由温度梯度引起的。不同于以往在碳管或基底两端持续施加外激励以保持恒定的驱动力，Chang等将锯齿型(zigzag)石墨烯薄片放置在刚度梯度支撑的扶手椅型(armchair)石墨烯基底上(非公度接触)，发现薄片会自发地从刚度较小区域向较大区域滑动，说明系统内部自身材料属性的差异会诱导刚度梯度方向的驱动力。当器件滑过两个不同约束基底或两种材质界面时，由于材料弹性模量的不同导致支撑体在滑动方向上形成刚度梯度，并且公度接触时界面之间的范德华势能小，接触稳定，两摩擦副界面通常以公度方式接触。所以，结合刚度梯度诱发的驱动力和公度接触下界面褶皱势引起的阻碍力研究纳米器件的滑移行为非常重要。而将石墨烯层间公度接触和基底支撑刚度梯度变化相结合的相对运动，国内外学者鲜有研究。因此，研究基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响，具有重要的科学和现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基底支撑刚度梯度变化对摩擦力影响的研究方法。其具体技术方案为：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，有效法向总载荷从896nN分别增大到898nN(刚度梯度等于1.34nN/nm2)和901nN(刚度梯度等于1.84nN/nm2)，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。步骤4、刚度梯度对摩擦力影响的内在机理本方法首先统计了质心刚度等于12nN/nm、刚度梯度等于1.84nN/nm2下探针和基底接触区的温度随滑动时间的变化情况。利用热振幅判断温度的条件是所有原子所受的外界条件均相同时才能成立。若支撑基底原子的刚度相等，那么在弛豫平衡后，接触区原子的振幅处处相等，温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：董赟，冯瑞成，朱宗孝，陈卫华，何天经，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62