429 / 2021-06-17 09:12:11

基于分子动力学模拟的含氢类金刚石(a-C:H)薄膜摩擦界面行为研究

摘 要: 含氢类金刚石（a-C:H）薄膜在特定环境下具有超低的摩擦系数，在固体超滑领域展现出巨大潜力^[1,2]。在剪切力作用下a-C:H薄膜摩擦界面发生复杂的物理化学反应，显著影响系统的摩擦学特性^[3-5]。深入了解原子尺度下a-C:H摩擦界面行为，可以为理解不同工况条件下a-C:H系统的摩擦特性以及设计碳基超滑界面提供重要的理论依据。由于DLC结构的复杂性，以及对环境的敏感性，a-C:H摩擦界面的物理化学过程始终缺乏量化表示。本文采用分子动力学模拟（MD）定量地呈现a-C:H原子尺度的摩擦界面行为，如图1所示，表面黏附、氢钝化和原子发射被量化表达，以其作为桥梁，系统研究了工况条件对a-C:H系统摩擦性能的影响，结果显示稳定的原子黏附将促进转移膜形成；氢钝化会显著减少滑动界面的成键数量，进而降低摩擦系数。综合分析上述影响规律得出工况参数通过影响界面行为的强度从而使系统具有不同的摩擦系数。其中，转移膜性质对系统摩擦性能的影响最为显著，原子排列均匀，表层被氢原子钝化的转移膜性能最优。此外，还澄清了含氧官能团介入对界面行为的影响，揭示了氧原子是通过键合作用影响系统的摩擦性能。本文的研究方法在一定程度上实现了a-C:H界面物理化学反应的量化表示，使得不同工况条件下系统摩擦性能的改变机理更加清晰，也为新型纳米复合DLC薄膜的制备提供了理论支持。

关键词：含氢类金刚石薄膜（a-C:H）；分子动力学模拟；摩擦界面行为；工况参数；含氧官能团