摩擦磨损的分子动力学模拟 方亮
碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究
第28卷第5期摩擦学学报Vol.28 No.5 2008年9月Tribol ogy Sep t.2008碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究李 瑞,胡元中,王 慧(清华大学摩擦学国家重点实验室,北京 100084)摘要:采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力2碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.关键词:碳纳米管;分子动力学;摩擦;能量耗散中图分类号:T H117.1;O313.5文献标志码:A文章编号:100420595(2008)0520400206 原子尺度摩擦的研究对理解摩擦和能量耗散机制具有重要意义.随着原子力显微镜(AF M)、表面力仪(SF A)和石英晶体微平衡仪(QC M)的发明,使得人们探索滑动过程中原子尺度的摩擦与能量耗散成为可能[122].另外,分子动力学模拟的研究也推动了对微观摩擦过程的理解[324].1991年,日本学者Iiji m a[5]首次发现碳纳米管,随后碳纳米管因具有优良的力学、电学和光学特性[627]而引起广泛关注.碳纳米管可视为由单层石墨卷曲而成,与石墨的特殊联系使得碳纳米管2石墨系统成为原子尺度运动和摩擦研究的良好模型.Falvo 等[829]采用实验方法、Bulbu m等[10212]采用模拟方法研究了碳纳米管在石墨基底上的运动行为.我们[13]也曾研究了不同手性角的碳纳米管在石墨基底上的运动行为.本文探讨公度和不公度情况下碳纳米管与石墨基底之间的微观摩擦和能量耗散,进一步探索其原子尺度的摩擦理论.1 模型采用等温分子动力学方法[14]进行研究.模型由碳纳米管和两层石墨基底组成.上层石墨分子做热运动,下层石墨分子固定,近似模拟大块石墨.碳纳米管原子间与石墨层间原子的相互作用采用第二代经验键序作用(REBO)[15]势,势函数中引入了多体势效应和原子局部环境效应,形式为E b=∑i∑j(>i)[V R(r ij)-b ij V A(r ij)],其能够描述C2C键之间的相互作用.石墨基底上、下层之间、碳纳米管与上层石墨间的相互作用采用6212Lennard2Jones势函数描述,形式为Vr=c12r-12(其中r为原子间距离,c12,c6为范德华力系数,文中分别取值55.77×10-124J・m6和32.00×10-79J・m6[16]).本文中单壁碳纳米管选择CNT(10,10),直径1.365n m,在水平方向施加二维周期性边界条件.模拟分两部分进行:第一,将碳纳米管与石墨以晶格相匹配放置,即,如果碳纳米管展开为平面并与石墨基底的晶格完全对准,碳纳米管与石墨基底之间为公度结构;第二,将碳纳米管在水平方向旋转90°并置于石墨基底上,碳纳米管与基底之间为不公度结构,此时碳纳米管单元长度和基底宽度方向的晶格之比为2/3,是无理数,周期延拓后也无法得到相同的数值,即碳纳米管轴向长度与自然状态下的基底宽基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(50730007);国家自然科学基金资助项目(50675111).收稿日期:2007212227;修回日期:2008204225/联系人李瑞,e2mail:lirui03@ 作者简介:胡元中,男,1946年生,教授,目前主要从事碳纳米管微观摩擦的研究.度不同,故在模拟中对基底在Y 方向施加一定的压应变,使二者宽度保持一致.石墨基底为正则系综(NVT ),采用广义Langevin 方法控制温度为1K,体系动力学方程的数值积分采用四阶预测2校正方法,计算步长为1fs .动力学模拟过程为:先使碳纳米管在基底上弛豫达到平衡状态,然后对碳纳米管施加水平方向推力8n N ,时间持续500fs,使碳纳米管具有一定的初速度,撤去外力后,碳纳米管逐渐减速至相对基底停止.2 结果及讨论2.1 公度及不公度下的摩擦力在公度条件下,碳纳米管的运动形式分为2个阶段,第一阶段碳纳米管在石墨基底上滑动,第二阶段为动能降低至一定值后运动形式为翻转、滑动和滚动交替进行,直至相对基底静止;在不公度时,碳纳米管在基底上一直处于滑动状态,至相对基底静止.图1分别为在公度、不公度情况下碳纳米管所Fig 1 Lateral f orce on carbon nanotube图1 碳纳米管所受侧向力随时间变化的曲线图受的侧向力曲线,其中侧向力即碳纳米管所受的摩擦力.可见,在不公度下摩擦力与运动方向相反,随着滑动速度的降低逐渐降至0.而在公度情况下,开始阶段碳纳米管所受的侧向力呈周期性变化,几个周期后则表现为更复杂的特性.图2所示为公度下碳纳米管在X方向的平动Fig 2 Fricti on f orce and kinetic energy curve of carbon nanotube versus dis p lace ment in commensurati on图2 公度时碳纳米管的摩擦力和动能随位移变化的关系曲线能、转动能和摩擦力随位移变化的关系曲线.可见,当时间约为21p s 时,碳纳米管的转动能迅速增大,X 方向的平动能相应减小,此时碳纳米管由滑动变为滚动,运动形式由第一阶段(滑动阶段)进入第二阶段(滑滚阶段).在第一阶段,X 方向的平动能和侧向力均呈现周期性变化,平均周期为0.477nm ,104第5期李 瑞等: 碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究中间存在2个小峰,与石墨晶格结构(晶格常数为0.426nm )相符.在第二阶段开始,即碳纳米管开始滚动时,摩擦力达到负向最大值.与之相对应,不公度时CNT (10,10)所承受的摩擦力始终为负.在公度、不公度时摩擦力的区别是由碳纳米管底部与石墨基底之间的微观结构差异所引起的.图3(a 和b )所示分别为公度、不公度情况下模拟系统Fig 3 Side vie w of model syste m图3 模拟系统侧视图的侧视图(石墨固定层在图中未显示),碳纳米管可视为由单元(Unit Cell )周期拓展而成,CNT (10,10)的单元即为图3(a )黑框中的结构.可见,在公度时,CNT (10,10)的单元长度与石墨晶格数值相符,因而各个单元的受力相同,即碳纳米管的受力与单元受力一致,当CNT (10,10)在石墨上滑动时,对每个单元进行受力分析可见,侧向力在石墨的1个晶格内具有正半周期与负半周期,随着石墨晶格的周期性重复,侧向力呈现周期性变化,周期与石墨晶格结构相符.当碳纳米管在X 方向的平动能降至一定值后,底部的一排原子能量不足以直接越过基底的一排原子所构成的势垒,导致碳纳米管翻转,此时摩擦力达到负向最大,直到两排原子发生交错,碳纳米管继续向前滑动.当接近基底下一排原子时,重复上面的过程.文中不公度系统由公度系统中CNT (10,10)沿轴向沿水平方向旋转90°生成,此时碳纳米管单元与此方向上的石墨晶格长度之比为2/3,碳纳米管原子在基底上的投影与基底的原子交错排列,每个单元原子受力不同,具有随机性,当在石墨表面滑动时,侧向力也表现出统计规律,平均值为负,所受的摩擦力与运动方向相反,随着速度的降低逐渐降至0.2.2 公度滑动状态下侧向力对称性的破缺如图2所示,在公度滑动阶段,CNT (10,10)动能随运动进程逐渐下降,在正半周期,侧向力与运动方向一致,动能增加;在负半周期,侧向力与运动方向相反,动能减小.由于正、负半周期的不对称性,侧向力的均值不为0.而在经典弹簧振子模型中,当振子在周期势场上做等高运动时,侧向力对称,每个周期内均值为0[17].为了研究碳纳米管所受侧向力对称性破缺的原因,我们对原子间的作用力进行深入研究.由于范德华力的特点决定了碳纳米管底部原子的受力最大,因系统的公度性,每排原子的受力类似,因而我们选取碳纳米管底部的几个原子以及所对应的基底原子进行考察.图4为系统示意图.图5为基底编号为1991、1995、1999、2003的原子在Z 方向的位移变化曲线.可见,在碳纳米管经过前后,基底的一排原子在Z 方向的位移出现起伏.以174号与基底1995号原子对为例,图6所示为174原子经过1995原子前后,1995号原子在Z 方向的位移与侧向力曲线.可204摩 擦 学 学 报第28卷Fig 6 Vertical dis p lace ment of nu mber 1995at om andlateral force of carbon nanotube图6 1995号原子法向位移与碳纳米管侧向力曲线见,1995原子在Z 方向出现起伏,而在滑动起始阶段,174号原子在Z 方向的位移几乎不变,这一对原子存在法向趋近2分离的过程,且原子对的趋近和分离与侧向力峰值相对应.对其他关键原子对的统计发现,也具有相同的规律.与经典弹簧振子模型比较,碳纳米管与石墨基底间的法向趋近分离造成了侧向力的对称破缺,由此成为摩擦的起源之一.2.3 能量耗散机制图7所示为174号原子经过基底1995号原子时,原子间在X 方向的相对位移、碳纳米管所受的Fig 7 Relative dis p lace ment in X directi on of 17421995at om coup le and lateral force of carbon nanotube图7 17421995原子对在X 方向的相对位移与碳纳米管的侧向力曲线侧向力曲线.可见,当174号原子经过1995号原子正上方时,Δx =0,侧向力转向.侧向力与运动方向的关系为负半周期反向,正半周期同向,即17421995之间的作用力为斥力.弹簧2振子模型中的能量耗散通常为2种类型,即引力2黏滑型和斥力2碰撞型,文中碳纳米管的能量即为通过与基底原子间的碰撞耗散.在公度时,增大初始推动力,使得碳纳米管的运动过程变长,统计各个周期内的摩擦力均值和平均速度,得到在公度时摩擦力随速度变化的关系曲线[如图8(a )所示].图8(b )为在非公度下摩擦力2速度曲线.可见,图8(a 和b )中的曲线均为线性,碳纳米管与石墨基底之间为黏性摩擦.在公度和非公度时,由于系统结构的差异,使得侧向力差异显著,但摩擦类型和能量耗散方式相同.3 结论a . 公度、不公度系统结构造成了碳纳米管侧向力的明显差异.在公度滑动阶段呈现周期性起伏,在开始滚动时摩擦力达到负向最大,之后由于滚动、滑动和翻转的交替进行而表现出更复杂的形式,不公度时的侧向力始终为负.b . 侧向力对称性的破缺是由碳纳米管和石墨304第5期李 瑞等: 碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究Fig8 Curve of fricti on f orce versus vel ocity 图8 摩擦力2速度曲线基底原子间的法向趋近2分离所引起的,为摩擦的起源之一.c. 在公度、不公度情况下,CNT(10,10)与石墨原子之间均为斥力2碰撞型能量耗散,其原子间的摩擦为黏性摩擦.参考文献:[1] J ianp ing Gao,Luedtke W D,Gourdon 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(10,10)and graphite substrate were investigated using molecular dyna m ics si m ulati ons .The S WCNT (10,10)was first relaxed t o the equilibrium state,then a force was app lied al ong the lateral directi on for a peri od of ti m e t o set the nanotube int o moti on .After the app lied f orce being re moved,the carbon nanotube moved in relative t o the substrate in decelerating s peed until it ca me t o rest .I n commensurati on case,firstly carbon nanotube slides on graphite,then s witches bet w een sliding and r olling due t o the peri odic change of at om ic configurati on during the moti on .Lateral force on carbon nanotube als o revealed peri odic nature during sliding peri od .I n incommensurate case,S WCNT (10,10)slided on graphite during the whole p r ocess,and lateral f orce was opposite t o the moti on .The study on a pair of interacting at om s in relative moti on indicates that app r oach 2separati on in vertical directi on bet w een at om s of carbon nanotube and graphite leads t o a br oken of sy mmetry in lateral force,which may relate t o the origin of fric 2ti on .I n commensurate and incommensurate case,interacting f orces bet w een carbon nanotube and graphite are both repulsive,and at om ic collisi ons resulted in energy dissi pati on in the cases under study .Fricti on 2vel ocity curves of S WCNT (10,10)show linear distributi on,which confir m s that viscous dissi pati on dom inanted the dyna m ics p r ocess .Key words:carbon nanotube,molecular dyna m ics si m ulati on,fricti on,energy dissi pati onAuthor:HU Yuan 2zhong,male,born in 1946,Ph .D.,Pr ofess or,e 2mail:huyz@tsinghua .edu .cn504第5期李 瑞等: 碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究。
纳米尺度下润滑摩擦分子动力学模拟
定程度上已经限制了芯片性能的提高。
因此，如何消除芯片工作过程所产生的热量，降低芯片的温度是芯片稳定工作的基本条件。
要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走是一个富有挑战性的课题，其困难在于［５］：首先，冷却空气的速率不能太高，否则会产生声学噪音；其次，器件结构小型化和紧凑性要求仅允许保留有限的空问用来冷却流体；再次，由于器件的小型化，在模块上安装大容量热沉（扩展表面）是不合理的，同时也是不允许的；最后，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封装芯片，而这又会增大芯片与模块表面之间的导热热阻，将会使热量主要聚集在基底材料上。
微电子器件的性能和可靠性对温度十分敏感，当温度在７０１２’８０１２水平上每增Ｎ１℃，器件的性能和可靠性将下降５％。
正如Ｉｎｔｅｌ科学家Ｐａｃｋａｎ指出的那样，若继续按照Ｍｏｏｒｅ定律缩小芯片的尺寸并同时提高其性能，则硅基芯片将很快达到其熟力学极限。
因此，微电子器件的冷却问题早在８０年代中期已成为国际微电子界和国际传热界的热点［４］。
当今的电子部件需要更快的速度来完成工作任务，因此必须制造出更高性能的集成电路来图１－１附着在Ｐ４ｓｏｃｋｅｔ４７８ＣＰＵ散热片上的微流管吸热器满足这一需求，这些高速电路会产生大量热量从而可能使得电路超过它的允许温度。
为了解决这一问题，ＴｕｃｋｅｒｍａｎａｎｄＰｅａｓｅ［６］在１９８１年提出了微流管散热。
微流管散热器以一种相当简单的方式运行，多重微流管制造在电子部件基地的背面，通过强制对流，这些电子部件产生的热量被传递到冷却液。
流管的微小尺寸导致了热边界层厚度的下降，这导致了热传递的对流阻抗的下降，从而达到一个高的制冷率。
图１—２微流管制冷系统的工作原理图卜１为附着在Ｐ４ｓｏｃｋｅｔ４７８ＣＰＵ散热片上的微流管吸热器，通过液体从吸热器回流到散热片，传递热量到空气中，然后流入安置在散热片下面的微泵，微泵驱动液体流回微流管吸热器，完成一个封闭循环。
图１－２为微流管系统制冷的工作原理，对于高热量半导体的微流管冷却循环系统包括三个部分，刻蚀在硅芯片上的微流管吸热器带走吸取由芯片产生的热量的流体；然后流体到达散热器，在这里热量传到空气中，最后冷却的液体回到动电式微泵，由微泵推回到微流管吸热器，形成一个封闭的回路，从而实现连续制冷。
分子动力学模拟常见材料表面反应
分子动力学模拟常见材料表面反应表面反应是重要的物理和化学现象，对于我们理解材料的性质和开发新材料具有重要意义。
分子动力学模拟是一种有效的理论和计算方法，可以用来研究材料的表面反应。
本文将介绍几种常见材料的表面反应，并探讨如何利用分子动力学模拟来模拟和研究这些反应。
1. 金属表面氧化反应金属材料的氧化反应在自然界或工业生产中都是非常常见的。
以铜表面的氧化为例，铜表面的氧化反应可以通过在分子动力学模拟中引入氧分子来模拟。
通过控制氧分子的注入速率和温度等参数，可以研究在不同条件下铜表面的氧化动力学过程和生成的氧化产物结构。
这些模拟可以帮助我们理解金属的氧化机理和优化金属表面的抗氧化性能。
2. 半导体表面反应半导体材料的表面反应对于半导体器件的制造和性能有着重要影响。
以硅表面的氧化为例，硅表面的氧化反应可以通过在分子动力学模拟中引入氧分子和硅原子来模拟。
通过调节不同条件下氧分子和硅原子的注入速率和温度等参数，可以研究硅表面的氧化动力学过程和生成的二氧化硅结构。
这些模拟可以帮助我们优化半导体器件的制造工艺和改善半导体材料的性能。
3. 催化剂表面反应催化剂在化学反应中起到重要的作用，对于理解和改进催化反应的机理至关重要。
分子动力学模拟可以用来研究催化剂表面上的吸附、解离和反应过程。
例如，针对以铂为催化剂的氢气吸附和解离反应，可以通过引入氢分子和铂原子来模拟。
通过调节不同条件下氢分子和铂原子的注入速率和温度等参数，可以研究催化剂表面的氢吸附和解离动力学过程。
这些模拟可以帮助我们理解催化反应的机理和优化催化剂的性能。
4. 生物分子与表面反应生物分子与表面之间的相互作用对于生物医学和生物传感器等领域具有重要的意义。
分子动力学模拟可以用来模拟生物分子与材料表面的交互作用。
例如，通过引入特定的生物分子和材料表面来模拟生物分子的吸附和结构变化过程。
通过调节不同条件下生物分子的注入速率和温度等参数，可以研究生物分子与材料表面的交互作用动力学过程。
双铁块约束的2纳米颗粒(金刚石和二氧化硅)摩擦学性能的分子动力学模拟
双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟关键词：金刚石纳米颗粒二氧化硅纳米颗粒分子动力学摩擦学行为摘要通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。
在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。
由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。
然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。
没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。
这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。
然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。
引言添加纳米颗粒大小为1～120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。
实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。
然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。
这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。
事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。
这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。
然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏理论支持与直接证据。
表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。
此外，纳米粒子的润滑机理随着润滑状态的变化而变化。
还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。
例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。
周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。
这些问题是不容易解决的实验。
因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。
对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。
粗糙表面刻划摩擦的分子动力学模拟
粗糙表面刻划摩擦的分子动力学模拟摘要：为了深入研究粗糙表面刻划摩擦现象的本质，本文基于分子动力学模拟技术，建立了一个模拟模型。
模型中，采用周期性边界条件，将表面的粗糙微观结构和流体分子在同一单元内进行模拟。
引入适当的径向分布函数和切向分布函数在表面处引入刻划，并添加适当的摩擦力，以模拟表面摩擦过程。
通过数值仿真，研究了表面粗糙度、温度、压强及流体分子种类等因素对摩擦力的影响，分析了不同表面微观结构对摩擦的贡献，探究了表面流体分子在不同形态下对摩擦力的影响。
最后，本文提出了一些有关控制表面摩擦性能的思路和建议，为提高表面质量、改善摩擦特性提供了技术支持和理论指导。
关键词：粗糙表面；刻划；摩擦力；分子动力学模拟；微观结构Abstract:In order to deeply study the essence of the friction phenomenon of rough surface marking, this paper establishes a simulation model based on molecular dynamics simulation technology. In the model, periodic boundary conditions are used to simulate the rough microscopic structure of the surface and fluid molecules in the same unit. An appropriate radial distribution function and tangential distribution function are introduced to mark the surface, and anappropriate friction force is added to simulate the surface friction process. Through numerical simulation, the influence of surface roughness, temperature, pressure, and fluid molecule species on friction force is studied, the contributions of different surface micro-structures to friction are analyzed, and the influence of surface fluid molecules in differentforms on friction force is explored. Finally, some ideas and suggestions for controlling surface friction performance are proposed, which provide technical support and theoretical guidance for improving surface quality and improving friction characteristics.Keywords: Rough surface; Marking; Friction force; Molecular dynamics simulation; Microscopic structur。
分子动力学 摩擦磨损建模
分子动力学摩擦磨损建模
分子动力学是一种用来研究原子和分子在时间和空间上的运动
的计算机模拟方法。
在摩擦磨损建模中，分子动力学可以被用来模
拟材料表面的原子结构和原子间的相互作用，从而揭示摩擦和磨损
的微观机制。
首先，分子动力学模拟可以帮助我们理解摩擦磨损的基本过程。
通过模拟材料表面的原子结构和受力情况，可以研究摩擦力的产生
机制，以及在摩擦过程中原子间的相互作用如何影响材料的磨损行为。
其次，分子动力学还可以用来研究不同材料之间的摩擦磨损特性。
通过模拟不同材料表面的原子结构和摩擦过程中的原子间相互
作用，可以比较不同材料的摩擦磨损性能，为材料选择和表面润滑
剂的设计提供参考。
此外，分子动力学模拟还可以用来研究纳米材料的摩擦磨损特性。
由于纳米材料具有特殊的力学和表面特性，传统的宏观模型往
往难以描述其摩擦磨损行为，而分子动力学可以从微观角度揭示纳
米材料的摩擦磨损机制。
最后，分子动力学模拟还可以结合实验数据，对摩擦磨损过程进行验证和优化。
通过将模拟结果与实验数据进行比较，可以验证模拟模型的准确性，并进一步优化模型，以更好地预测和控制摩擦磨损过程。
总的来说，分子动力学在摩擦磨损建模中发挥着重要作用，可以帮助我们深入理解摩擦磨损的微观机制，研究不同材料的摩擦磨损特性，揭示纳米材料的摩擦磨损行为，并结合实验数据进行验证和优化。
这些研究对于提高材料的耐磨性能和开发新型润滑材料具有重要意义。
分子动力学 摩擦磨损建模
分子动力学摩擦磨损建模
摩擦磨损是在接触表面之间发生的一种常见现象，它是由于分子之间的相互作用力引起的。
分子动力学是一种研究分子运动的方法，可以用来模拟和预测材料的摩擦磨损行为。
在分子动力学模拟中，材料的摩擦磨损可以通过模拟材料表面的原子或分子的运动来研究。
通过模拟分子之间的相互作用力，我们可以观察到材料表面的微观结构变化和摩擦磨损的过程。
我们可以选择一个合适的分子动力学模型，例如Lennard-Jones势模型，来描述分子之间的相互作用。
然后，我们可以在模拟中引入外力，例如平行于表面的力，来模拟摩擦。
在模拟过程中，我们可以观察到表面的原子或分子的运动。
通过分析原子或分子的位移和速度，我们可以计算摩擦力和磨损程度。
这些结果可以用来预测材料的耐磨性能，并为材料设计和改进提供参考。
我们还可以通过改变模拟条件，例如温度和压力，来研究它们对摩擦磨损行为的影响。
通过比较不同条件下的模拟结果，我们可以深入了解摩擦磨损的机制和影响因素。
总的来说，分子动力学模拟是一种重要的工具，可以帮助我们理解和预测材料的摩擦磨损行为。
通过模拟分子的运动和相互作用，我们可以揭示摩擦磨损的机制，并为材料设计和改进提供指导。
这种
方法在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
单晶硅纳米级磨削过程中磨粒磨损的分子动力学仿真
犮犞 ＝ ３ 犖 犽犅
Θ 犲 （ ） 犜）（ 犲 －１
犈 ／ Θ 犈 犜 ２
２
／ Θ 犈 犜
（ ） ４
３ 磨粒原子温度转换模型
在以往的分子动力学仿真计 算中 ， 一般认 为磨粒 是 刚性的 ， 即在磨削 过 程 中 不 会 变 形 和 磨 损 ， 而在实际的 由于 磨 粒 与 工 件 的 相 互 作 用 ， 磨削区的温 磨削过程中 ， 度会不断变化 ， 温度变化必然引起磨 粒和 工件材料性 质 的变化 ， 因此要研究磨粒磨损就必 须考虑 磨粒 原子 在磨 削过程中的受力和变形等 ， 其中建 立金 刚石磨 粒的温 度 与动能的转换模型就至关重要 ． 目前主 要有 ３ 种温度转 杜隆 伯替模型 、 德拜模型和爱因斯 坦模型 ． 换模型 ： 犛 犻 狀 如图 ２ 所 示 ） ： 在纳米 级加工 过 狀 狅 狋 狋通过对比实验证明 （ 程中 ， 德拜模型最 适 合 于 硅 原 子 ， 而爱因斯坦模型适合 ４］ 于金刚石原子 ［ 因此本文应用德拜模型建立了单晶硅 ． 原子的温度转 换 模 型 （ 具体公式请见参考文献［ ） ， 应 ４］ 用爱因斯坦模型建立了金刚石磨粒的温度转换模型 ． 用量子理论求比热容时 ， 关键 在于 角频率 的分布 函 数ρ（ 的确定 ， 但对于具 体 的 晶 体 ， 的计算是非常 ω） ω） ρ（ 爱因斯坦 提 出 了 简 化 的 晶 格 振 动 模 型 ， 具体假 复杂的 ． 设是 ： （ ） 晶体中的 原 子 只 能 在 点 阵 点 上 作 简 谐 振 动 ， 热 １ 容完全由振动 能 随 温 度 的 变 化 决 定 ； （ 这些原子的振 ２） 动是独立的 、 互 不 相 干 的； （ ） 各 原 子 的 谐 振 频 率 相 同， ３
批准号 ： ） 和国家自然科学杰出青年基金 （ 批准号 ： ） 资助项目 ５ ０ ３ ９ ０ ０ ６ １ ５ ０ ３ ２ ５ ５ １ ８ 国家自然科学重大基金 （ ： 通信作者 ． 犈犿 犪 犻 犾 狌 狅 狓 犾 ． 犮 狀 ＠犱 犵 犵 ０ ０ ７ ０ ９ １ ７ 收到 ， ２ ０ ０ ８ ０ ２ １ ２ 定稿 ２ ０ ０ ８ 中国电子学会 ２
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摩擦磨损的分子动力学模拟方亮
摩擦磨损是一个复杂的物理现象，涉及到材料表面的微观结构
和分子之间的相互作用。
分子动力学模拟是一种常用的研究方法，
可以帮助我们理解摩擦磨损的机制。
在分子动力学模拟中，我们可
以通过模拟原子或分子之间的相互作用来研究材料表面的摩擦行为。
首先，我们可以从模拟材料表面的原子结构入手。
通过构建一
个包含大量原子的模型，我们可以模拟材料表面的结构，并研究在
外力作用下原子之间的相互作用。
这有助于我们理解摩擦力是如何
影响材料表面原子的排列和运动的。
其次，分子动力学模拟还可以帮助我们研究摩擦过程中的能量
转化和热效应。
通过模拟材料表面原子的动力学行为，我们可以分
析摩擦过程中产生的热量和能量转化路径，从而揭示摩擦磨损的能
量来源和转化机制。
此外，分子动力学模拟还可以用来研究摩擦界面的润滑机制。
通过模拟添加润滑剂的情况，我们可以研究润滑剂分子与材料表面
原子的相互作用，以及润滑剂如何减少摩擦和磨损。
最后，分子动力学模拟还可以结合实验数据，验证模拟结果的
准确性，并进一步优化模型，以更好地理解摩擦磨损的本质。
综上所述，分子动力学模拟为我们提供了研究摩擦磨损现象的
重要工具，通过模拟材料表面的原子结构和相互作用，研究摩擦过
程中的能量转化和润滑机制，从而加深我们对摩擦磨损现象的理解。
这些研究成果有助于指导材料设计和摩擦磨损的控制，对提高材料
的耐磨性能具有重要意义。