基于分子動(dòng)力學(xué)石墨烯臺(tái)階處摩擦特性的研究

李永旭 ，歐陽再東(湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 400410)

0 引言

機(jī)械系統(tǒng)中的摩擦和磨損不僅會(huì)造成能量損失，還會(huì)降低工件的使用壽命。隨著機(jī)械系統(tǒng)不斷趨于小型化，摩擦和磨損所產(chǎn)生的問題變得更加嚴(yán)重[1]。這是由于在微/納尺度下，高表面體積比使粘附力和摩擦力對(duì)界面產(chǎn)生了更大的影響[2]。

宏觀尺度下接觸表面為多個(gè)微凸體相互接觸而成，針對(duì)單凸體接觸研究是了解摩擦機(jī)理的一個(gè)基本方法：微觀尺度下，微凸體間原子級(jí)別相互接觸，會(huì)直接受到化學(xué)鍵以及范德華作用力的影響。JKR理論以及DMT理論在原子級(jí)光滑接觸表面摩擦力預(yù)測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值，以上理論雖然并不能夠?qū)鬃冃侮P(guān)于摩擦力的影響進(jìn)行詳細(xì)解釋，但是在原子級(jí)薄層材料摩擦研究中具有重要作用。近年來，二維材料的出現(xiàn)為摩擦學(xué)的優(yōu)化提供了新的解決方案，石墨烯作為二維納米材料的代表，具有優(yōu)異的光學(xué)性能[3]、電學(xué)性能[4]和力學(xué)性能[5-6]。

由于自身獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，石墨烯具有良好的潤(rùn)滑性能，同時(shí)層面內(nèi)碳原子也具有非常強(qiáng)的共價(jià)鍵作用，所以結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定性。因?yàn)槭┐嬖诙喾N優(yōu)異性能，因此在機(jī)械、材料以及電子等不同領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，展開關(guān)于石墨烯摩擦特性的研究，有助于為其應(yīng)用提供相關(guān)理論基礎(chǔ)。石墨烯具有高比表面積、高楊氏模量、高拉伸強(qiáng)度和低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可作為基材涂層材料以減少器件表面磨損，防止表面發(fā)生化學(xué)侵蝕。然而，石墨烯在減摩領(lǐng)域的應(yīng)用仍然具有一定挑戰(zhàn)性，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的表面形貌對(duì)摩擦潤(rùn)滑性能具有較大影響[7-9]。

目前通過機(jī)械剝離法、氧化還原法、外延生長(zhǎng)法所制備的石墨烯表面仍具有一定缺陷，潤(rùn)滑性能并不理想。因此，一些學(xué)者針對(duì)缺陷石墨烯的摩擦性能進(jìn)行了研究，Qi等研究了刀尖劃傷石墨烯后對(duì)其耐磨性的影響[10]；李玉娟等利用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)石墨烯空位缺陷和SW缺陷的摩擦性能進(jìn)行了分析[11]，結(jié)果表明，兩種缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯，空位缺陷使石墨烯界面勢(shì)壘增大，導(dǎo)致能量耗散增加，摩擦力增大，SW缺陷使石墨烯表面形成凸起，阻礙探針滑移，摩擦力增大；華軍等對(duì)雙層缺陷石墨烯劃切前的壓痕進(jìn)行了模擬分析[12]，結(jié)果表明，薄膜中心存在缺陷時(shí)，破壞強(qiáng)度下降幅度明顯，缺陷數(shù)目越多，其楊氏模量、破壞強(qiáng)度等就越低。

這些學(xué)者所研究的石墨烯大多為空位、SW等較小缺陷的情形，而對(duì)于因石墨烯涂層不完全或磨損較大后的階梯型缺陷研究較少。石墨烯作為一種原子級(jí)薄層材料，目前對(duì)其墨燦機(jī)制還不夠明確。

在以上研究方法中，分子動(dòng)力學(xué)模擬是在統(tǒng)計(jì)力學(xué)的背景下，分析離散離子的特性，以此展開關(guān)于宏觀連續(xù)物質(zhì)特性研究的一種方法，存在非常高的時(shí)間和空間分辨率，尤其是在原子尺度問題分析中具有重要的參考價(jià)值。分子動(dòng)力學(xué)模擬仿真研究能夠?qū)唧w實(shí)驗(yàn)過程中存在的局限性起到有效彌補(bǔ)作用，且能夠結(jié)合原子層面針對(duì)材料結(jié)構(gòu)特性和其他特性實(shí)施分析，是針對(duì)納尺度下摩擦學(xué)研究的一個(gè)重要方法。因此文章以分子動(dòng)力學(xué)方法作為研究石墨烯階梯處于不同下壓力、階梯厚度對(duì)摩擦特性影響的手段，通過石墨烯涂層在壓頭劃切作用下的形貌變化探究階梯處的摩擦機(jī)制，此研究將對(duì)涂層器件的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 模型建立及模擬方法

1.1 模型建立

如圖1所示，模型共由基底層、石墨烯層、壓頭三部分組成。沿下x、y、z方向的尺寸分別為20 nm×20 nm×4 nm，基底底端z向0～0.5 nm設(shè)定為固定層，固定層上方為恒溫層，z向高度為0.5～1 nm，其余基底設(shè)為牛頓層，基底材質(zhì)選為硅(Si)；基底上方為石墨烯涂層，涂層由兩部分組成，襯底層石墨烯在x、y方向的尺寸為19 nm×19 nm，階梯層石墨烯在x、y方向的尺寸為10 nm×19 nm，石墨烯層y向兩端0.2 nm寬度進(jìn)行剛化處理，以防止石墨烯在壓頭摩擦的作用下發(fā)生橫向移動(dòng)；壓頭的形狀為錐形圓臺(tái)，圓臺(tái)上下面的半徑分別為0.2 nm和0.1 nm，圓臺(tái)整體高度2 nm，壓頭材質(zhì)為金剛石，劃切過程中壓頭被設(shè)為剛體。

圖1 石墨烯階梯分子動(dòng)力學(xué)模型

1.2 模擬方法

模型在x、y、z方向均采用周期性邊界條件，模擬步長(zhǎng)為1 fs。在模型加載前，首先對(duì)體系進(jìn)行能量最小化，使模型達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其次，將體系置于NVE系綜下弛豫20 ps，并用Langevin控溫方式對(duì)基底恒溫層進(jìn)行控溫，將體系目標(biāo)溫度設(shè)定為300 K。隨后，壓頭在z向恒定力的作用下壓入石墨烯襯底，壓頭穩(wěn)定在石墨烯襯底后，以50 m/s的速度沿x正方向向石墨烯階梯層滑動(dòng)，滑動(dòng)距離為5 nm。最后，沿50 m/s的速度回到劃切起始點(diǎn)。模擬過程中每隔500步輸出壓頭所受到的摩擦力Fx，每隔100步輸出各原子的坐標(biāo)信息。

文章采用AIREBO勢(shì)函數(shù)來描述石墨烯層內(nèi)間的相互作用；采用TERSOFF勢(shì)來描述壓頭內(nèi)碳原子、基底內(nèi)硅原子、壓頭內(nèi)碳原子和硅原子的相互作用；而對(duì)壓頭和石墨烯、基底和石墨烯之間的相互作用均采用LJ勢(shì)函數(shù)描述，具體參數(shù)如表1所示[13-14]。

表1 Lennrad-Jones勢(shì)函數(shù)參數(shù)

利用Lammps軟件進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，采用Verlet算法進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果采用OVITO軟件進(jìn)行可視化分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同下壓力對(duì)石墨烯階梯摩擦特性的影響

如圖2所示，在壓頭向石墨烯階梯攀升的過程中，當(dāng)壓頭接觸石墨烯臺(tái)階時(shí)，摩擦力Fx迅速增大，滑行一段距離后，摩擦力值迅速回落至摩擦初期階段。這主要是因?yàn)槭┳鳛槎S材料，仍具有一定厚度，當(dāng)石墨烯邊緣被固定，壓頭在接觸石墨烯階梯時(shí)會(huì)受到石階梯層的嚴(yán)重阻礙作用，在壓頭持續(xù)移動(dòng)的過程中，石墨烯變形嚴(yán)重，在變形量達(dá)到一定程度時(shí)，在壓頭正角度的影響下，石墨烯迅速恢復(fù)至初始構(gòu)型，壓頭攀升至石墨烯階梯上，石墨烯階梯層對(duì)刀具阻礙作用瞬間消失。結(jié)合石墨烯z向應(yīng)變?cè)茍D，可證實(shí)上述說明。

圖2 不同壓頭下壓力摩擦力 Fx 隨劃切距離 L 的變化關(guān)系

而當(dāng)壓頭沿反方向劃切回落時(shí)，壓頭受到與攀升過程相同方向的摩擦力，但摩擦力數(shù)值較小，這是因?yàn)榈毒呓嵌群拖聣毫Φ墓餐饔茫毒哌€未下落至石墨烯襯底時(shí)，石墨烯階梯邊緣已經(jīng)被壓至壓頭側(cè)面，產(chǎn)生與壓頭攀升過程相同的變形，但變形程度相對(duì)于攀升過程小得多。

且壓頭不同下壓力對(duì)完整石墨烯表面的摩擦性能影響較小，但對(duì)于石墨烯階梯處的摩擦影響較大，隨著下壓力的增加，壓頭在攀升和回落過程中的摩擦力均有所增加，這是因?yàn)檩^大的下壓力使石墨烯階梯產(chǎn)生更大的變形，使石墨烯的能量升高，降低了石墨烯的穩(wěn)定性。

2.2 不同石墨烯階梯層數(shù)對(duì)摩擦特性的影響

如圖3所示，隨著石墨烯層數(shù)的增加，摩擦力在壓頭攀升與回落階段均有所上升，但1層與2層石墨烯階梯所產(chǎn)生的摩擦力相近，3層石墨烯對(duì)摩擦力的影響明顯升高，且摩擦力增大與降低起始點(diǎn)有所提前。這是由于壓頭與石墨烯之間層高作用，使壓頭側(cè)面與石墨烯階梯提前接觸，三層石墨烯較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度使刀具提前向上攀升，石墨烯提前恢復(fù)初始形貌。

圖3 不同石墨烯層數(shù)摩擦力 Fx 隨劃切距離 L 的變化關(guān)系

2.3 不同變量對(duì)石墨烯能量產(chǎn)生的影響

如圖4所示，當(dāng)壓頭接觸階梯邊緣時(shí)，石墨烯的勢(shì)能Pe升高，且達(dá)到一定位置時(shí)，勢(shì)能迅速降低，并隨下壓力的增大，勢(shì)能升高越明顯，這是因?yàn)殡S壓頭與石墨烯階梯接觸，石墨烯變形不斷增大，原子間相互作用力加強(qiáng)，迫使能量不斷上升，降低石墨烯的穩(wěn)定性，當(dāng)壓頭下壓力無法抵抗石墨烯勢(shì)能的升高時(shí)，下頭攀升至石墨烯上方，此時(shí)石墨烯迅速恢復(fù)至初始形貌，導(dǎo)致能量迅速降低，提高了墨烯穩(wěn)定性。

圖4 石墨烯勢(shì)能Pe隨劃切距離L的變化關(guān)系

3 結(jié)語

摩擦力組成主要為范德華作用力和基底變形移動(dòng)粘彈性離溝力，由于受到重載作用的影響，石墨烯基底凸體變形移動(dòng)所需能量占了大量平均摩擦能量損耗。在相同荷載作用下，小尺寸探針更容易加大基底變形，也就需要更多能量移動(dòng)基底土體變形。在多層石墨烯中，層數(shù)對(duì)于摩擦性能具有直接影響，荷載相同情況下層數(shù)越多，摩擦力增大與降低起始點(diǎn)越提前，相應(yīng)的變形量越大，壓頭所受摩擦力隨著石墨烯階梯層數(shù)的增加而增加，也就需要更多能量。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯摩擦性能受到多種因素的影響，其中壓力荷載作用影響較大。文章基于分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合Lammps軟件研究了壓頭不同下壓力、石墨烯階梯不同層數(shù)對(duì)石墨烯摩擦特性的影響，做出相應(yīng)解釋。所得到的結(jié)論如下：

(1)完整石墨烯條件下，不同壓力對(duì)石墨烯摩擦特性的影響較小，在石墨烯階梯處摩擦力產(chǎn)生劇烈變換；隨下壓力增加，壓頭所受摩擦力增加越明顯。

(2)石墨烯階梯在壓頭攀升和回落階段均對(duì)摩擦力產(chǎn)生影響，其中，攀升階段明顯高于回落階段的摩擦力。

(3)壓頭所受摩擦力隨著石墨烯階梯層數(shù)的增加而增加，3層石墨烯對(duì)摩擦力的增加最為明顯。

(4)石墨烯的勢(shì)能在壓頭劃切的作用下有所增加，且勢(shì)能隨著下壓力的增加而增大，降低了石墨烯的穩(wěn)定性，提高了石墨烯的破損幾率。