固体润滑涂层理论研究:从经典模型到量子力学计算

作     者：郝宇 黄良锋 王立平 HAO Yu;HUANG Liangfeng;WANG Liping

作者机构：中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室宁波315201 

出 版 物：《中国表面工程》 (China Surface Engineering)

年 卷 期：2024年第37卷第6期

页      面：64-78页

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金(U21A20127,22272192) 国家重点研发计划(2022YFB3402803) 中国科学院战略性先导科技专项B类(XDB0470103) 

主　　题：润滑 层状材料 环境作用 第一性原理计算 机器学习 

摘      要：以层状材料为代表的固体润滑涂层如石墨、二硫化钼(MoS_2)等具有极低的摩擦因数和磨损速率,是当前优异的润滑材料。但是,摩擦作为典型的表界面过程,固体润滑涂层的性能在很大程度上会受到所处环境的影响,例如湿度等。由于试验方法在原位实时检测摩擦界面动态演变过程时会遇到极大的技术挑战,理论计算研究在揭示材料润滑行为和机制中起到越来越重要的作用。从经典的理论摩擦分析模型出发,在回顾这些模型构建思路的基础上,总结目前常用的原子级理论研究方法,包括经典分子动力学模拟、第一性原理静态势能面计算以及第一性原理分子动力学(AIMD)模拟。并且强调量子力学方法(第一性原理计算)在探索涉及复杂电子相互作用摩擦问题时不可替代的重要作用,由此基于自由能微分提出一种有效的AIMD模拟方法来精确模拟界面滑动过程,从而揭示摩擦性能演变的电子级起源。该方法还可以很好地结合机器学习力场加速,大幅增加模拟尺度并减少模拟时间。研究结果对理论模拟方法的总结和展望将有助于未来更好地探索材料在复杂环境下的微观润滑机制,并指导设计高性能润滑涂层。