基于分子動力學石墨烯臺階處摩擦特性的研究

李永旭 ，歐陽再東(湖南三一工業職業技術學院 智能制造學院，湖南 長沙 400410)

0 引言

機械系統中的摩擦和磨損不僅會造成能量損失，還會降低工件的使用壽命。隨著機械系統不斷趨于小型化，摩擦和磨損所產生的問題變得更加嚴重[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界面產生了更大的影響[2]。

宏觀尺度下接觸表面為多個微凸體相互接觸而成，針對單凸體接觸研究是了解摩擦機理的一個基本方法：微觀尺度下，微凸體間原子級別相互接觸，會直接受到化學鍵以及范德華作用力的影響。JKR理論以及DMT理論在原子級光滑接觸表面摩擦力預測中具有重要應用價值，以上理論雖然并不能夠對基底變形關于摩擦力的影響進行詳細解釋，但是在原子級薄層材料摩擦研究中具有重要作用。近年來，二維材料的出現為摩擦學的優化提供了新的解決方案，石墨烯作為二維納米材料的代表，具有優異的光學性能[3]、電學性能[4]和力學性能[5-6]。

由于自身獨特的層狀結構，石墨烯具有良好的潤滑性能，同時層面內碳原子也具有非常強的共價鍵作用，所以結構具有非常強的穩定性。因為石墨烯存在多種優異性能，因此在機械、材料以及電子等不同領域都得到了廣泛應用，展開關于石墨烯摩擦特性的研究，有助于為其應用提供相關理論基礎。石墨烯具有高比表面積、高楊氏模量、高拉伸強度和低摩擦系數等優點，可作為基材涂層材料以減少器件表面磨損，防止表面發生化學侵蝕。然而，石墨烯在減摩領域的應用仍然具有一定挑戰性，研究發現，石墨烯的表面形貌對摩擦潤滑性能具有較大影響[7-9]。

目前通過機械剝離法、氧化還原法、外延生長法所制備的石墨烯表面仍具有一定缺陷，潤滑性能并不理想。因此，一些學者針對缺陷石墨烯的摩擦性能進行了研究，Qi等研究了刀尖劃傷石墨烯后對其耐磨性的影響[10]；李玉娟等利用分子動力學對石墨烯空位缺陷和SW缺陷的摩擦性能進行了分析[11]，結果表明，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壘增大，導致能量耗散增加，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；華軍等對雙層缺陷石墨烯劃切前的壓痕進行了模擬分析[12]，結果表明，薄膜中心存在缺陷時，破壞強度下降幅度明顯，缺陷數目越多，其楊氏模量、破壞強度等就越低。

這些學者所研究的石墨烯大多為空位、SW等較小缺陷的情形，而對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薄層材料，目前對其墨燦機制還不夠明確。

在以上研究方法中，分子動力學模擬是在統計力學的背景下，分析離散離子的特性，以此展開關于宏觀連續物質特性研究的一種方法，存在非常高的時間和空間分辨率，尤其是在原子尺度問題分析中具有重要的參考價值。分子動力學模擬仿真研究能夠對具體實驗過程中存在的局限性起到有效彌補作用，且能夠結合原子層面針對材料結構特性和其他特性實施分析，是針對納尺度下摩擦學研究的一個重要方法。因此文章以分子動力學方法作為研究石墨烯階梯處于不同下壓力、階梯厚度對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制，此研究將對涂層器件的發展和應用提供參考。

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，其余基底設為牛頓層，基底材質選為硅(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寬度進行剛化處理，以防止石墨烯在壓頭摩擦的作用下發生橫向移動；壓頭的形狀為錐形圓臺，圓臺上下面的半徑分別為0.2 nm和0.1 nm，圓臺整體高度2 nm，壓頭材質為金剛石，劃切過程中壓頭被設為剛體。

圖1 石墨烯階梯分子動力學模型

1.2 模擬方法

模型在x、y、z方向均采用周期性邊界條件，模擬步長為1 fs。在模型加載前，首先對體系進行能量最小化，使模型達到穩態。其次，將體系置于NVE系綜下弛豫20 ps，并用Langevin控溫方式對基底恒溫層進行控溫，將體系目標溫度設定為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，滑動距離為5 nm。最后，沿50 m/s的速度回到劃切起始點。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信息。

文章采用AIREBO勢函數來描述石墨烯層內間的相互作用；采用TERSOFF勢來描述壓頭內碳原子、基底內硅原子、壓頭內碳原子和硅原子的相互作用；而對壓頭和石墨烯、基底和石墨烯之間的相互作用均采用LJ勢函數描述，具體參數如表1所示[13-14]。

表1 Lennrad-Jones勢函數參數

利用Lammps軟件進行分子動力學模擬，采用Verlet算法進行計算，模擬結果采用OVITO軟件進行可視化分析。

2 結果與討論

2.1 不同下壓力對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，當壓頭接觸石墨烯臺階時，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。這主要是因為石墨烯作為二維材料，仍具有一定厚度，當石墨烯邊緣被固定，壓頭在接觸石墨烯階梯時會受到石階梯層的嚴重阻礙作用，在壓頭持續移動的過程中，石墨烯變形嚴重，在變形量達到一定程度時，在壓頭正角度的影響下，石墨烯迅速恢復至初始構型，壓頭攀升至石墨烯階梯上，石墨烯階梯層對刀具阻礙作用瞬間消失。結合石墨烯z向應變云圖，可證實上述說明。

圖2 不同壓頭下壓力摩擦力 Fx 隨劃切距離 L 的變化關系

而當壓頭沿反方向劃切回落時，壓頭受到與攀升過程相同方向的摩擦力，但摩擦力數值較小，這是因為刀具角度和下壓力的共同作用，刀具還未下落至石墨烯襯底時，石墨烯階梯邊緣已經被壓至壓頭側面，產生與壓頭攀升過程相同的變形，但變形程度相對于攀升過程小得多。

且壓頭不同下壓力對完整石墨烯表面的摩擦性能影響較小，但對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，這是因為較大的下壓力使石墨烯階梯產生更大的變形，使石墨烯的能量升高，降低了石墨烯的穩定性。

2.2 不同石墨烯階梯層數對摩擦特性的影響

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

圖3 不同石墨烯層數摩擦力 Fx 隨劃切距離 L 的變化關系

2.3 不同變量對石墨烯能量產生的影響

如圖4所示，當壓頭接觸階梯邊緣時，石墨烯的勢能Pe升高，且達到一定位置時，勢能迅速降低，并隨下壓力的增大，勢能升高越明顯，這是因為隨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，迫使能量不斷上升，降低石墨烯的穩定性，當壓頭下壓力無法抵抗石墨烯勢能的升高時，下頭攀升至石墨烯上方，此時石墨烯迅速恢復至初始形貌，導致能量迅速降低，提高了墨烯穩定性。

圖4 石墨烯勢能Pe隨劃切距離L的變化關系

3 結語

摩擦力組成主要為范德華作用力和基底變形移動粘彈性離溝力，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基底土體變形。在多層石墨烯中，層數對于摩擦性能具有直接影響，荷載相同情況下層數越多，摩擦力增大與降低起始點越提前，相應的變形量越大，壓頭所受摩擦力隨著石墨烯階梯層數的增加而增加，也就需要更多能量。通過研究可以發現，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。文章基于分子動力學結合Lammps軟件研究了壓頭不同下壓力、石墨烯階梯不同層數對石墨烯摩擦特性的影響，做出相應解釋。所得到的結論如下：

(1)完整石墨烯條件下，不同壓力對石墨烯摩擦特性的影響較小，在石墨烯階梯處摩擦力產生劇烈變換；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摩擦力產生影響，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的增加而增加，3層石墨烯對摩擦力的增加最為明顯。

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