材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展.pdf

第２５卷第３期２０17年６月材料科学与工艺MAＴEＲIAＬＳＳＣIENＣE＆ＴEＣHNＯＬＯＧＹVｏl.２５Nｏ.３Ｊｕn.２０17ＤＯI：1０.11９５1／ｊ.ｉｓｓn.1００５－０２９９.２０1６０4２２材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展柳培，韩秀丽，孙东立，王清（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨1５０００1）摘要：随着新技术的发展以及材料服役环境的日益复杂化，传统的试验研究已经不能满足人们对摩擦磨损的认识需求，因此必须借助数值模拟方法来研究材料的摩擦磨损行为.特别是随着近年来原子尺度理论模型的不断完善和计算机运算能力的不断提高，分子动力学模拟已经成为研究材料摩擦磨损行为和机制的重要方法.本文详细综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟的国内外研究现状.首先阐述了分子动力学模拟中势能函数的建立；其次介绍了材料摩擦磨损分子动力学模拟常用的接触模型；然后概述了采用分子动力学模拟方法研究接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素对材料摩擦磨损的影响；最后指出了目前材料摩擦磨损分子动力学模拟中存在的一些问题，并对未来发展方向进行了展望.关键词：摩擦磨损；分子动力学；势能函数；接触模型；晶体取向中图分类号：ＴH117.1文献标志码：A文章编号：1００５－０２９９（２０17）０３－００２６－０９ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｗｅａｒｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓＬIＵPｅｉ，HANＸｉｕlｉ，ＳＵNＤｏnｇlｉ，WANＧＱｉnｇ（ＳｃｈｏｏlｏｆMａｔｅｒｉａlｓＳｃｉｅnｃｅａnｄEnｇｉnｅｅｒｉnｇ，HａｒｂｉnInｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈnｏlｏｇｙ，Hａｒｂｉn1５０００1，Ｃｈｉnａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Wｉｔｈｔｈｅｄｅvｅlｏｐｍｅnｔｏｆnｅｗｔｅｃｈnｏlｏｇｉｅｓａnｄｔｈｅｉnｃｒｅａｓｉnｇｃｏｍｐlｅxｉｔｙｏｆｓｅｒvｉｃｅｅnvｉｒｏnｍｅnｔｓ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏnａlｅxｐｅｒｉｍｅnｔａlｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｃａnnｏｔａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｉnｓｔｒｉnｓｉｃｍｅｃｈａnｉｓｍｏｆｆｒｉｃｔｉｏnａlｗｅａｒ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，nｕｍｅｒｉｃａlｓｉｍｕlａｔｉｏnｈａｓｂｅｅnｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｂｅｈａvｉｏｒｓ.Pａｒｔｉｃｕlａｒlｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｏnｇｏｉnｇｄｅvｅlｏｐｍｅnｔｏｆａｔｏｍｉｃ-ｓｃａlｅｔｈｅｏｒｙｍｏｄｅlａnｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏnａlｃａｐａｃｉｔｙ，ｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅnvｅｒｉｆｉｅｄａｓａnｅｆｆｅｃｔｉvｅｔｏｏlｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒ.Ｔｈｉｓｒｅvｉｅｗａｒｔｉｃlｅｐｒｏvｉｄｅｓａｃｏｍｐｒｅｈｅnｓｉvｅｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｒｅｃｅnｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉnｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｓｉｍｕlａｔｉｏnｉnｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｏｆｍａｔｅｒｉａlｓ.Ｆｉｒｓｔlｙ，ｔｈｅｒｅvｉｅｗｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｅｓｔａｂlｉｓｈｍｅnｔｏｆｐｏｔｅnｔｉａlｅnｅｒｇｙｆｕnｃｔｉｏnｉnｔｈｅｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｉｍｕlａｔｉｏn.Ｓｅｃｏnｄlｙ，ｔｈｒｅｅｃｏnｔａｃｔｍｏｄｅlｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｕｓｅｄｉnｔｈｅｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｓｉｍｕlａｔｉｏnａｒｅｉnｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｔｈｉｒｄlｙ，ｔｈｅｒｅvｉｅｗｆｏｃｕｓｅｓｏnｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉnｃlｕｄｉnｇｃｏnｔａｃｔａｒｅａ，nｏｒｍａllｏａｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，vｅlｏｃｉｔｙａnｄｃｒｙｓｔａllｏｇｒａｐｈｉｃｏｒｉｅnｔａｔｉｏn，ｏnｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａlｗｅａｒｏｆｍａｔｅｒｉａlｓｉnｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉvｅｏｆｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｉｍｕlａｔｉｏn.Ｆｉnａllｙ，ｔｈｅｒｅvｉｅｗｉｄｅnｔｉｆｉｅｓａnｕｍｂｅｒｏｆkｅｙｒｅｍａｉnｉnｇｐｒｏｂlｅｍｓｔｏｂｅａｄｄｒｅｓｓｅｄｉnｔｈｅｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｓｉｍｕlａｔｉｏnｉnｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａlｗｅａｒｐｒｏｃｅｓｓ，ａnｄｐｒｅｓｅnｔｓａnｏｕｔlｏｏkｆｏｒｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅlｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒ；ｍｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓ；ｐｏｔｅnｔｉａlｆｕnｃｔｉｏn；ｃｏnｔａｃｔｍｏｄｅlｓ；ｃｒｙｓｔａllｏｇｒａｐｈｉｃｏｒｉｅnｔａｔｉｏn收稿日期：２０1６－1２－０５.网络出版时间：２０17－０３－1５.基金项目：国家自然科学基金资助项目（５1471０５８，５1２０1０4６）.作者简介：柳培（1９９1—），男，博士研究生；孙东立（1—９５８），女，教授，博士生导师.通信作者：孙东立，E-ｍａｉl：ｓｕnｄl1９５８＠ｈｉｔ.ｅｄｕ.ｃn.据统计，每年因摩擦磨损造成的经济损失约占一个工业化国家ＧＤP的1％～２％.正因为摩擦磨损与生产和经济密切联系，关于材料摩擦磨损的研究一直是当今多学科的研究热点［1－２］.长期以来，关于摩擦磨损的研究大多是通过试验进行的，主要是通过模拟实际工况条件，获得摩擦磨损的特征和变化，从磨损产物、磨损表面状态、摩擦磨损对组织结构的影响等方面来研究各种摩擦磨损的机制和原理［３－５］.但这种试验研究不仅耗费大量的人力、物力和财力，还有以下缺点：1）摩擦磨损是在多因素耦合作用下发生的，任何单一因素对万方数据摩擦行为的影响都可能受其他因素的干涉.因此，试验研究很难筛选出影响摩擦磨损的主要因素并定量确定单一因素对摩擦磨损的影响规律.２）摩擦磨损是一个动态过程，但试验研究很难观察到摩擦磨损过程中的动态变化过程，如位错的移动、应力应变的变化、表层和亚表层的变化等.３）摩擦磨损实际上是材料表面原子之间键合的破坏，试验研究很难从原子微观角度来揭示摩擦磨损的特性.随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为摩擦学领域研究常用的研究手段［６］.作为主要的数值模拟方法之一，分子动力学模拟方法可以通过构造比较理想的模型，定量地再现真实固体中所发生的动态过程，能够很好地弥补实际实验方法的缺陷，还可以根据研究需要轻易地改变周围环境条件和材料的性质.因此，分子动力学模拟已成为摩擦磨损研究的重要手段.目前已经成功应用于超高精密加工、微纳米元器件等研究领域.本文详细综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟的最新研究进展，旨在为材料摩擦磨损研究提供有效方法，进而实现材料摩擦磨损性能的改善和减摩抗磨材料的设计.文章结构如下：第1节介绍了分子动力学模拟中势能函数的建立；第２节综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟常用的接触模型；第３节重点归纳了接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素对材料摩擦磨损分子动力学模拟结果的影响；第4节指出了目前采用分子动力学模拟方法对材料摩擦磨损进行研究的过程中存在的一些问题，并对未来发展方向进行了初步展望.1原子间势能函数模型分子动力学模拟方法的原理是通过原子间的相互作用势，按照经典牛顿运动定律求出原子轨迹及其演化过程.因此，建立合适的势能函数是进行材料摩擦磨损分子动力学模拟的第一步，也是最关键一步.势能函数的正确与否，直接关系到模拟结果的精确性和可靠性.１．１经典对势函数经典对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其他粒子无关.这类函数的特点是虽然不能充分反映材料的一些真实性能（弹性模量或者热力学性质），但是能够反映粒子的一般运动轨迹.这类对势函数的典型代表就是Ｌ－Ｊ势和Mｏｒｓｅ势.Ｌ－Ｊ势函数的表达式为［7］VＬＪ＝4ε（σｒ）1２－（σｒ）６．（1）式中：VＬＪ为系统势能；ε为能量参数；σ为长度参数；ｒ为２个原子之间的距离.在该表达式中，第1项代表短程泡利排斥力，第２项代表范德瓦尔兹相互吸引力.Ｌ－Ｊ势能函数可以用于描述稀有气体之间的相互作用，同样可以用于描述一些其他材料.关于材料摩擦学分子动力学模拟的很多显著发现都是采用Ｌ－Ｊ势.例如，Ｌｕａn等［８］采用Ｌ－Ｊ势建立摩擦模型，预测了适用于宏观摩擦的连续介质模型并不适用于纳观尺度摩擦.Ｃｉｅｐlａk等［９］采用Ｌ－Ｊ势建立模型，研究了吸附单层对摩擦的效果.此外当摩擦体系中摩擦副（基体）和对磨材料（压头）的性质不同，且无严重磨损的情况下，Ｌ－Ｊ势可以很好地描述基体和压头之间的相互作用势［1０］.这可以帮助绝大多数的摩擦磨损模拟体系在保证模拟结果精确的情况下，减小运行时间，提高运行效率.对势除了前面提到的Ｌ－Ｊ势之外，还有Mｏｒｓｅ势.Mｏｒｓｅ势是在用量子力学解决双原子分子震动谱时给出的分析式.值得指出的是，Ｌ－Ｊ势和Mｏｒｓｅ势的参数可直接由原子之间的平衡距离及结合能来拟合获得.因此这２种势函数对于单质和一些简单的合金材料均适用.１．２多体势函数简单对势函数并不能充分反映多原子体系材料的一些真实性能，因此，学者们一直致力于建立能够更准确描述多原子体系相互作用的多体势函数.常用于摩擦磨损的材料主要包含３种：金属晶体，离子晶体和共价晶体.因为组成这３种晶体的键的性质不同，因此其势能函数的建立方法也不尽相同，下面分开讨论这３种材料势能函数的建立.1.２.1金属晶体的势能函数对于金属晶体的势函数而言，目前应用最广泛的是ＢAＳＫEＳ和ＤAW在1９８4年提出的嵌入原子法（EAM）理论［7］，该理论的基本思想就是将金属晶体总能分为２个部分：一部分就是晶体点阵上原子核之间的相互作用，另一部分是原子核嵌入在电子云背景中的嵌入能.可以表示为Ｅｔｏｔ＝ΣｉＦ（ρｉ）+1２Σｊ≠ｉΦ（ｒｉｊ）．（２）式中：Ｅｔｏｔ为系统的总势能；Ｆ表示把原子ｉ嵌入到密度为ρｉ背景电子云中时的嵌入能；ρｉ表示原子ｉ处的电子云密度；Φ是原子ｉ和ｊ之间的相互作用对势，ｒｉｊ是原子ｉ和ｊ之间的距离.·7２·第３期柳培，等：材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展万方数据式（２）中，右边第1项是原子ｉ在周围原子叠加电子云中的嵌入能，第２项是原子核间的对势能.上式对于纯金属和合金材料均适用，只是纯金属和合金材料的两体势函数的表达式不同.EAM势能函数已经在Pｔ、Aｕ、Ｃｕ、Al和Aｇ等金属的摩擦磨损分子动力学模拟研究中得到了成功的应用，得到了很多金属的原子尺度摩擦现象，例如：犁沟、切削、冷焊和黏滑［11－1３］.EAM势函数的建立是基于电子密度球对称分布.但是这种假设在一些情形下与实际情况偏离，例如ｄ电子轨道不满的过渡族（Ｆｅ，Ｃｏ，Nｉ）元素，金刚石结构的半导体元素及轨道杂化的体系.为了将EAM推广到共价键和过渡金属材料，必须考虑电子云的非球形对称.于是，Ｂａｓkｅｓ等［14］提出了修正型嵌入原子法（MEAM）.该方法是在基体电子密度求和中引入原子电子密度分布的角度依赖因素.1.２.２共价晶体的势能函数用于摩擦磨损的另一大类材料是共价晶体.例如ＳｉＯ２、石墨、金刚石、类金刚石碳和一些氧化物.共价键有２个主要的特征：首先是结合能非常强，其次是有一个显著的方向性.为了准确反映这２个特征，研究者们建立了一种由键长、键角和扭曲度确定的势能函数.这种势能函数的典型代表是Ｓ－W模型，该模型提出最初是为了模拟类金刚石结构的Ｓｉ［1５］.该模型能够简化原子间相互作用，但是该模型的缺点是只允许存在一种平衡的结构.为克服这一缺点，人们提出了键序势函数，通过引进一个键序参数来评价不同键的强度，因此一个势能函数可以同时描述含不同键合的平衡结构.但是，因为考虑了更多的参数，所以计算量大大增加.键序势能函数的代表是Ｔｅｒｓｏｆｆ势能函数，ＲEＢＯ势能函数，ＲｅａxＦＦ势能函数.很多共价晶体摩擦的分子动力学模拟都运用了上述势能函数.例如：Ｌｉ等［1６］采用Ｔｅｒｓｏｆｆ函数来描述单晶硅的相互作用势，利用分子动力学模拟方法研究了金刚石压头的切削速度对单晶硅亚表面和表面损伤的影响.Ｇａｏ等［17］用ＲEＢＯ势能函数描述了氢终端金刚石的势能函数，研究了温度的变化对金刚石－金刚石摩擦磨损的影响.Wｅn等［1８］采用基于ＲｅａxＦＦ势能函数的分子动力学模拟方法研究了水环境中Ｓｉ／ＳｉＯ２界面处Ｓｉ的摩擦磨损机制.1.２.３离子晶体的势能函数相比于金属晶体和共价晶体而言，对离子晶体的摩擦磨损分子动力学研究较少.离子晶体中包含２个或者更多的反向带电离子.为了对这些离子键进行模型化，需要用长程库仑力来描述原子间相互作用.但是，长程相互作用大大增加了计算时间，这就限制了分子动力学模拟的粒子数目.尽管对离子晶体摩擦磨损的直接模拟很少，但是已经有一些尝试，例如，Wｙｄｅｒ等［1９］将每一个离子抽象成由一个正离子和周围的负离子网组成，将短程力和长程力相结合来描述ＫＢｒ的势函数，研究了ＫＢｒ（1００）表面的黏滑摩擦现象.值得说明的是，目前针对一些晶体结构相对简单的一元或者二元化合物的势能函数已经有了很多的报道，而目前针对一些结构相对复杂的三元化合物势能函数鲜有报道.随着新技术的发展，一些具有复杂晶体结构的三元化合物，例如Ｔｉ２AlN、Ｔｉ３ＳｉＣ２等，已经成功用于制备抗磨减摩的薄膜材料［２０］、陶瓷材料［２1］和复合材料［３］.因此，为了更好地理解该类化合物的抗磨减摩机制，对该类复杂化合物势能函数的建立也必定是未来的研究方向.２摩擦磨损分子动力学接触模型摩擦磨损是２种材料之间的接触行为，因此建立合适的摩擦磨损分子动力学接触模型是获得正确和可靠的模拟结果的前提.目前用于摩擦磨损分子动力学的接触模型主要有平面－平面接触、粗糙峰－平面接触、粗糙峰－单峰接触３种.２．１平面－平面接触模型图1给出了平面－平面接触模型的示意图.在该模型中，２个原子尺度平面在一定的载荷作用下以速度ｖ彼此滑动.在整个模拟过程中，２个接触平面始终保持全部接触.载荷F速度v图１平面－平面接触模型示意图Ｆｉｇ.1Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆlａｔｓｕｒｆａｃｅ-ｆlａｔｓｕｒｆａｃｅｉnｔｅｒａｃｔｉｏnＪｅnｇ等［２２］建立了面心立方（111）晶面的平面－平面接触模型，采用分子动力学模拟的方法研究了“硬－软”“、软－软”２种接触体系的摩擦行为.Ｋａｒｔｉkｅｙａn等［２３］建立了Ｆｅ－Ｃｕ的平面－平面接触模型，采用分子动力学模拟方法研究了滑移速度、晶体学取向和晶体缺陷对摩擦副摩擦学特性·８２·材料科学与工艺第２５卷万方数据的影响.２．２粗糙峰－平面接触图２给出了粗糙峰－平面接触模型的示意图.在该模型中，一个粗糙峰在一定的载荷作用下以速度ｖ划过平面.粗糙峰可以有不同的尺寸和形状（球形、半球形、棱柱形、圆柱形）.在整个模拟过程中，粗糙峰与平面始终保持接触.在很多研究微纳米器件中的超精密切削的报道中，均采用粗糙峰－平面接触模型.例如，Ｚｈａnｇ等［２4］采用分子动力学方法模拟金刚石压头在铜基体表面的滑动过程来研究纳米尺度的摩擦磨损规律.Ｃｈｏ等［1３］建立了Nｉ压头与Ｃｕ表面的接触模型，采用分子动力学方法研究了原子尺度滑移中的黏滑现象.载荷F速度v图２粗糙峰－平面接触模型示意图Ｆｉｇ.２Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｓｐｅｒｉｔｙ-ｆlａｔｓｕｒｆａｃｅｉnｔｅｒａｃｔｉｏn２．３粗糙峰－粗糙峰接触图３给出了粗糙峰－粗糙峰接触模型的示意图.在该模型中，一个粗糙峰在一定的载荷作用下以速度ｖ划过另一个粗糙峰.粗糙峰可以有不同的尺寸和形状（球形、半球形、棱柱形、圆柱形）.在整个模拟过程中，只测试２个粗糙峰接触时的摩擦学特征.载荷F速度v图３粗糙峰－粗糙峰接触模型示意图Ｆｉｇ.３Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｓｐｅｒｉｔｙ-ａｓｐｅｒｉｔｙｉnｔｅｒａｃｔｉｏnＳｔｏnｅ等［２５］建立了２个球形纳米Nｉ颗粒的接触模型，采用分子动力学方法研究了球形纳米Nｉ颗粒相互滑动过程中的摩擦行为.Ｌｕａn等［２６］建立了粗糙峰－粗糙峰接触模型，采用分子动力学方法研究了压头几何结构对黏着接触和非黏着接触过程中的接触力学.从以上分析可以看出，研究的材料体系不同，所采用的接触模型也不尽相同.一般来说，在研究纳米尺度摩擦磨损的时候，３种接触模型均适用；而在研究微纳米器件中的超精密切削时，多采用粗糙峰－平面接触模型.值得指出的是，因为宏观材料摩擦磨损可以看做是许多不同尺度、不同取向的粗糙峰彼此相互作用的结果，所以粗糙峰－粗糙峰接触模型被认为最能真实反映宏观尺度的摩擦磨损.但目前最大的挑战就是粗糙峰的尺寸和数量是多少的时候才能真正反映真实宏观尺寸的表面.这也必定是未来材料摩擦磨损分子动力学研究的重点方向之一.３摩擦磨损分子动力学模拟研究进展影响材料摩擦磨损的主要因素包括接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素.在实际的试验中，这些因素耦合作用，从而使材料摩擦磨损呈现复杂性.而分子动力学模拟法则可以确定单一因素对材料摩擦磨损的影响，因此本小节的每一部分都将对每个单一因素对材料摩擦磨损的影响进行综述.３．１接触面积根据宏观摩擦定律，摩擦力Ｆ与接触面积比Ａｍａｃｒｏ无关.但后来学者们证明，宏观尺度的接触是粗糙的，接触表面含有大量的粗糙峰接触，真实接触面积∑Ａａｓｐ远比Ａｍａｃｒｏ要小很多，摩擦力与真实接触面积成线性关系.目前采用分子动力学模拟的方法对接触面积对材料摩擦磨损的影响的报道已经有很多，但是尚没有形成统一的结论.一些材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究表明，摩擦力与接触面积成正比.例如Ｇａｏ等［２7］建立了金刚石的单峰摩擦分子动力学模型，模拟结果表明在无黏着和有黏着的情况下，摩擦力Ｆ与粗糙峰接触面积Ａａｓｐ均成正比.Mｏ等［２８］建立了多峰纳米接触摩擦分子动力学模型，研究了氢终端的无定形碳探针与氢终端的金刚石之间的摩擦特性，他们定义真实接触面积Ａｒｅａl＝ＮａｔＡａｔ，Ｎａｔ是界面处有化学相互作用的原子数，Ａａｔ是每个原子的平均表面积.Ａａｓｐ为接触边界.研究结果表明，摩擦力Ｆ与粗糙峰接触面积Ａａｓｐ不成线性关系，而与真实接触面积Ａｒｅａl成正比.值得说明的是，虽然Ｇａｏ和Mｏ的研究结果均表明摩擦力与接触面积成正比，但二者对接触面积的定义不同，此外二者运用的理论也不同.Ｇａｏ等建立的单峰模型中单峰模型可以用连续介质力学理论描述；而Mｏ等建立的是多峰纳米接触模型，此时连续介质力学·９２·第３期柳培，等：材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展万方数据并不适用，需要用原子模型进行解释.另一些材料摩擦磨损分子动力学模拟研究表明摩擦力与接触面积无关.一些学者们在石墨［２９］、MｏＳ２［３０］等的摩擦磨损分子动力学模拟过程中均发现了同一现象，如图4所示，当原子级光滑的理想晶体表面间非公度接触时（即晶格完全适配）时呈现出一种超滑的现象，此时摩擦力几乎为零，因此摩擦力与接触面积无关.而当其为公度接触时，摩擦力随着接触面积的增大而增加.造成这种“超滑”现象的原因是，在非公度接触界面上，每个原子受到的剪切应力方向是不同的，但整体而言，这些力几乎可以相互抵消，因此呈现超滑现象.6420-2-4-6Frictionalforce/(pN·atom-1)6420-2-4-6Frictionalforce/(pN·atom-1)(a)(b)图４ＭｏＳ２公度接触和非公度接触的摩擦力曲线［３０］Ｆｉｇ.4ＦｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅｏｆMｏＳ２ｆlａkｅ／ｐlａｔｅｃｏnｔａｃｔｉnｔｅｒｆａｃｅ［３０］：（ａ）ｃｏｍｍｅnｓｕｒａｔｅｃｏnｔａｃｔ；（ｂ）nｏn-ｃｏｍｍｅnｓｕｒａｔｅｃｏnｔａｃｔ从以上的分析可以看出，接触面积对材料摩擦磨损的影响十分复杂，首先是对接触面积的定义还不统一，所以不同的分子动力学模拟的模型就有着不同的模拟结果；其次，摩擦力与接触面积之间的关系还取决于其他影响因素，例如表面公度.３．２载荷宏观的摩擦定律表明摩擦力为摩擦系数μ与载荷Ｎ的乘积，即Ｆ＝μＮ.但是当材料摩擦磨损到达原子尺度，黏着变得明显，影响载荷和摩擦力之间关系的因素也增多，因此摩擦力和载荷之间的关系将呈现出明显的复杂性.很多材料摩擦磨损分子动力学模拟研究发现摩擦力与法向载荷之间成近似的线性关系.Ｆｉllｅ-ｔｅｒ等［３1］采用分子动力学模拟的方法研究了ＳｉＣ基体外延沉积单层和双层石墨烯薄膜的摩擦行为，研究表明摩擦力与载荷成近似的线性关系.Ｂｒｕkｍａn等［17］采用原子力显微镜（AＦM）和分子动力学模拟相结合的方法研究金刚石的单峰摩擦行为.研究结果同样表明，摩擦力与载荷之间成近似的线性关系.Ｘｕ等［1０］采用分子动力学模拟的方法对半圆球的金刚石在γ－ＴｉAl基体中的纳米压痕和摩擦磨损行为进行研究，如图５所示，金刚石压头在滑行过程中的摩擦力和磨损率与载荷之间呈线性关系.60504030201080100120140160180Load/nNSimulationdatasLinearfitFrictionforce/nNWearrate/(10nm-1)181410620246810Indentationdepth/10-1nmSimulationdatasLinearfitAtheoreticalwearrate(a)(b)图５金刚石与ＴｉＡｌ之间摩擦力和磨损率与载荷的关系［１０］Ｆｉｇ.５ＴｈｅｄｅｐｅnｄｅnｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅａnｄｗｅａｒｒａｔｅｂｅｔｗｅｅnｄｉａｍｏnｄｔｉｐａnｄＴｉAlｓｕｂｓｔｒａｔｅｏnｔｈｅlｏａｄ［1０］：（ａ）ｒｅlａｔｉｏnｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅnｆｒｉｃｔｉｏnｆｏｒｃｅａnｄlｏａｄ；（ｂ）ｒｅlａｔｉｏnｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅnｗｅａｒｒａｔｅａnｄlｏａｄ但更多的摩擦磨损分子动力学模拟研究发现摩擦力与法向载荷之间是非线性关系.如图６所示，Mｏ等［２８］的分子动力学模拟研究发现当氢终端的无定形碳探针与氢终端的金刚石之间无黏着的时候，摩擦力与法向载荷之间呈线性关系，而有较强的黏着力的时候，摩擦力与法向载荷之间呈非线性关系.VａnWｉｊk等［３２］采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯与石墨之间的摩擦特征发现当表面之间为公度接触时，摩擦力随载荷线性增大，而非公度接触时，在低载荷下摩擦力变化不大，高载荷下摩擦力与载荷呈指数关系.·０３·材料科学与工艺第２５卷万方数据6543210108642020406080100-40-20020406080100120Load/nNLoad/nNFtLinearfitFtCOSfittingFrictionforce/nNFrictionforce/nN(a)(b)图６氢终端的无定形碳探针与氢终端的金刚石之间的摩擦力与法向载荷的关系［２８］Ｆｉｇ.６Ｔｈｅｄｅｐｅnｄｅnｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅnａnａｍｏｒ-ｐｈｏｕｓｃａｒｂｏnｔｉｐａnｄａｄｉａｍｏnｄｓａｍｐlｅｏnｔｈｅlｏａｄ［２８］：（ａ）nｏn-ａｄｈｅｓｉvｅｃｏnｔａｃｔ；（ｂ）ａｄｈｅｓｉvｅｃｏnｔａｃｔ从以上的分析可以看出，摩擦力与载荷之间的关系主要受材料的本征性质、接触表面间黏附作用、表面接触方式以及塑性变形等的影响，因此，不同的材料以及不同的模拟模型得出的结论也是不一致的.３．３温度温度能够对原子的热动能产生明显影响，因此温度对材料的摩擦磨损也会产生显著的作用.受实验设备所限，材料在极端温度（低温、高温）下的摩擦磨损特性尚缺乏系统研究.但是在分子动力学模拟中，可以很容易地控制材料模拟系统中的温度，所以分子动力学方法能够很好地研究温度对材料摩擦磨损的影响.目前大部分的材料摩擦磨损分子动力学研究表明，随着温度的升高，摩擦力会显著降低.例如，Hａｒｒｉｓｏn等［３３］通过分子动力学模拟的方法研究了温度对氢终端的金刚石接触表面间摩擦的影响，研究结果表明随着温度的升高，摩擦力降低.Ｂｒｕkｍａn等［17］采用分子动力学模拟的方法研究了温度在２4～２２５Ｋ内变化时对金刚石单峰摩擦行为的影响，研究结果表明，随着温度的升高，摩擦力降低.但也有一些研究表明系统温度的升高并不会降低摩擦，例如Ｃｏｏk等［３4］采用分子动力学模拟方法研究了多壁碳纳米管层间的摩擦行为，研究结果表明，随着温度的升高，层间原子发生非接触碰撞的频率增加，因此增加了层间摩擦力.此外还有一些材料摩擦磨损分子动力学模拟报道表明材料的摩擦与接触表面的黏附作用和公度有关.Ｓｐｉｊkｅｒ等［３５］采用分子动力学模拟的方法研究了原子尺度下温度与干摩擦之间的关系.研究结果如图7所示，接触表面为公度的情况下，摩擦力随着温度的升高而降低，但是当接触表面为非公度的情况下，摩擦力随着温度的升高而升高，这主要是因为表面原子的热震荡所致.3.02.52.01.51.00.503.02.52.01.51.00.5002004000200400Frictionforce/nNFrictionforce/nNTemperature/KTemperature/K10%adh20%adh30%adh10%adh20%adh30%adhNon-CommensuraleNon-Commensurale(a)(b)图７面心立方晶体中摩擦力与温度之间的关系［３５］Ｆｉｇ.7Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅｏｆｆａｃｅ-ｃｅnｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃｃｒｙｓｔａlａｓａｆｕnｃｔｉｏnｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［３５］：（ａ）nｏn-ｃｏｍｍｅnｓｕｒａｔｅｃｏnｔａｃｔ；（ｂ）ｃｏｍｍｅnｓｕｒａｔｅｃｏnｔａｃｔ３．４相对速度对于大多数的摩擦过程而言，相对滑移可引起表面层或者亚表面层发热、变形、化学变化甚至磨损，因此，不同的相对速度会对摩擦行为产生显著影响.一些摩擦磨损分子动力学模拟研究表明，随着相对速度的增加，摩擦力增大，磨损率增加.例如Ｌｉ等［11］采用分子动力学方法研究了Aｕ（111）表面的摩擦特性，发现当相对速度低于某一临界值时，摩擦力随着相对速度的增加而增加，当相对速度超过该临界值时，摩擦力不再随温度的增加而变化.Ｌｉ等［1６］采用分子动力学模拟法研究了金刚石压头的切削速度对单晶硅的切削磨损机制.如图８所示，当切削速度低于1８０ｍ／ｓ的时候，高的切削速度导致一个更大的磨损，降低了亚表面的损伤.但是当切削速度高于1８０ｍ／ｓ时，亚表面损伤厚度增加，因为高的切削速度导致了切削力和温度的提高，加速了位错的形核.·1３·第３期柳培，等：材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展万方数据1.61.51.41.31.21.10100200300400Grindingspeed/（m·s-1）Subsurfacedamagethickness/nm图８单晶硅的亚表面损伤厚度随切削速度的变化曲线［１６］Ｆｉｇ.８Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒｉnｄｉnｇｓｐｅｅｄｏnｔｈｅｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｄａｍａｇｅｔｈｉｃknｅｓｓｏｆｓｉnｇlｅｃｒｙｓｔａlｓｉlｉｃｏn［1６］另外有一些摩擦磨损分子动力学模拟研究表明，随着相对速度的增加，摩擦力降低，磨损率下降.Ｓøｒｅnｓｅn等［３６］采用分子动力学方法模拟了Ｃｕ探针沿着晶体Ｃｕ表面的黏滑现象，研究结果如图９所示，相对速度的增加会使得摩擦力下降.这主要是因为当相对速度很大的时候，变形能没有得到充分的释放，所以为接下来的滑移提供了一些能量，从而降低摩擦.Hｕ等［３7］采用分子动力学模拟的方法研究了滑移表面之间加入Ｃｕ纳米颗粒的加入对固体表面摩擦特性的影响，研究结果表明随着相对速度的增加，摩擦力降低.这主要是因为纳米颗粒的加入能够在固体表面形成一个过渡层所致.3.02.52.01.51.00.505101520Velocity/(m·s-1)＜Fx＞/nN12K,temperaturecontrolonboundaryaloms0K图９面心立方晶体中摩擦力与速度之间的关系［３６］Ｆｉｇ.９Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅｏｆｆａｃｅ-ｃｅnｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃｃｒｙｓｔａlａｓａｆｕnｃｔｉｏnｏｆｔｈｅｓlｉｄｉnｇvｅlｏｃｉｔｙ［３６］３．５晶体取向摩擦现象，归根到底属于２种材料之间的接触力学行为，因此基体的晶体结构、表面原子结构的取向，以及压头与基体之间的取向均会对摩擦产生显著的影响.分子动力学模拟方法在研究晶体取向对摩擦磨损的影响方面有着很大的优势，因此很多学者开展了这方面的研究.不同的晶体结构，摩擦特性会有明显的不同.例如一些自润滑材料，如石墨、MｏＳ２和无定形碳薄膜等，其自润滑的本质就是其层状的晶体结构.Mａｔｓｕｓｈｉｔａ等［３８］采用分子动力学研究了干净石墨表面之间的原子尺度摩擦，模拟结果表明石墨呈现出在原子尺度黏滑移动和低的摩擦系数.石墨低的摩擦系数的原子尺度起源不仅仅是层与层之间的弱的结合作用，而是因为石墨的蜂巢结构.低的摩擦系数来源于薄片之间２种不同的晶格位置之间力的抵消.Mｉｙａｍｏｔｏ等［３９］用联合量子化学和经典分子动力学的方法研究了MｏＳ２的润滑机制.他们发现２个Ｓ层之间的主导相互作用力是库伦排斥力，直接阻止了２个MｏＳ２层不会靠的太近.也就是MｏＳ２层有一个好的阻止载荷的能力.Mａ等［4０］采用分子动力学方法研究了无定形碳薄膜与金刚石对磨材料的滑移接触过程中无定形碳薄膜润滑的本质.研究结果表明：经过稳定滑移过程，一个类石墨烯ｓｐ２主导层在无定形碳薄膜表面逐步形成.这是因为二轴力的释放导致ｓｐ３向ｓｐ２结构转变.在石墨化层的形成之后，相对滑移就在石墨化层之间发生.在剪切过程中，双轴力从一个高的压应力（4２ＧPａ）向拉应力（－３ＧPａ）转变.不同的晶面，其摩擦特性也会有所不同.Ｇａｏ等［２7］采用分子动力学方法研究了金刚石不同晶面上的摩擦行为，结果表明，金刚石（００1）表面的摩擦力高于（111）表面.这是因为金刚石（００1）的表面能更高，所以产生更强的黏附作用.同样的现象也在其他面心立方的金属中被发现，例如Ｌｉ等［41］采用分子动力学方法研究了Pｔ压头在Aｕ（1００）和Aｕ（111）晶面的摩擦行为，研究结果表明，Pｔ压头在Aｕ（1００）晶面摩擦时会有磨损产生，且摩擦曲线不稳定.而当Pｔ压头在Aｕ（111）上摩擦时，磨损量相对较少，且摩擦曲线呈现规律的锯齿状.造成这种现象的原因主要是因为Aｕ（111）晶面的能量比（1００）晶面的能量低，所以黏着力较低，因此摩擦力也相对较低.类似的结果也在Ｃｕ等金属中被发现.晶面原子结构的取向不同也会导致材料摩擦特性不同.Ｂａlａkｒｉｓｈnａ等［4２］采用原子力显微镜结合分子动力学模拟的方法研究了石墨表面摩擦的各向异性.Ｏnｏｄｅｒａ等［３０］采用分子动力学方法研究了２个MｏＳ２层之间的摩擦尺度的动态摩擦.研究结果如图1０所示，非公度结构显示出低的摩擦，因为摩擦力在滑移方向上的抵消，导致光滑摩擦.但是在公度结构，所有的原子同时越过对磨原子，导致摩擦力比非公度接触高1００倍.·２３·材料科学与工艺第２５卷万方数据Frictionalforce/（pN·atom-1）10-110-210-310-40102030405060Misfitangle，φ/（°）图１０２个ＭｏＳ２层间摩擦力与层间角度之间的关系［３０］Ｆｉｇ.1０ＲｅlａｔｉｏnｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅnｍｉｓｆｉｔａnｇlｅｏｆｔｗｏMｏＳ２ｐlａｔｅｓａnｄｆｒｉｃｔｉｏnａlｆｏｒｃｅ［３０］4展望综上所述，国内外学者对材料摩擦磨损分子动力学模拟进行了很多研究，得到了一些对材料摩擦磨损研究很有意义的结论.从这些模拟结果来看，材料的摩擦磨损受多种因素耦合作用所影响，且原子尺度摩擦和宏观尺度摩擦存在着明显的区别.使得到目前为止仍很难从本质上给出摩擦的起源并归纳出普适的摩擦磨损规律.且对于材料摩擦磨损分子动力学模拟本身而言，仍存在一些缺点：1）空间尺度和时间尺度有限，模拟的规模小；２）势能函数有限，不具备普适性；３）模拟条件过于理想化，模拟结果具有局限性.因此，笔者认为在未来摩擦磨损分子动力学模拟领域研究中，需要在以下几个方向开展重点研究：1）加强对一些新型复杂耐磨减摩材料，例如Ｔｉ２AlN、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｃｒ２AlＣ等的摩擦磨损分子动力学模拟研究，从原子尺度阐明其耐磨减摩的内在机制.２）研究开发更准确、更普适的新型势能函数，使其能够更加精确地反映材料的性能.尤其是对晶体结构相对复杂的三元化合物等新型摩擦材料的势能函数，更是未来所要研究的重点方向.３）建立能够反映真实宏观尺寸表面的摩擦磨损分子动力学模拟的模型.确定在什么控制参数下原子尺度摩擦参数可以收敛到宏观尺度.4）加强多尺度模拟的研究，比如分子动力学模拟与有限元方法结合，分子动力学模拟与第一性原理结合，从而扩大模拟系统的尺寸，更精确地解释摩擦磨损的微观机制.５）加强材料摩擦磨损分子动力学模拟结果与试验结果之间的相互关联和桥接，完善摩擦学理论.参考文献：［1］温诗铸，黄平.摩擦学原理［M］.北京：清华大学出版社，２００２：２５６－３５4.［２］崔海霞，陈建敏，周惠娣.奇妙的摩擦世界［M］.北京：科学出版社，２０1０：1－５.［３］ＳＵNＴａｏ，WANＧＱｉnｇ，ＳＵNＤｏnｇlｉ，ｅｔａl.ＳｔｕｄｙｏnｄｒｙｓlｉｄｉnｇｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴｉ２AlN／ＴｉAlｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］.Wｅａｒ，２０1０，２６８：６９３－６９９.［4］刘渊，闫洪，王志伟.流变成形压力对Al２Ｙ／AＺ９1镁基复合材料摩擦磨损行为的影响［Ｊ］.材料科学与工艺，２０1６，２4（２）：２９－３５.ＬIＵＹｕａn，ＹANHｏnｇ，WANＧＺｈｉｗｅｉ.EｆｆｅｃｔｓｏｆｒｈｅｏlｏｇｉｃａlｆｏｒｍｉnｇｐｒｅｓｓｕｒｅｏnｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆAl２Ｙ／AＺ９1ｍａｇnｅｓｉｕｍｍａｔｒｉxｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］.MａｔｅｒｉａlｓＳｃｉｅnｃｅａnｄＴｅｃｈnｏlｏｇｙ，２０1６，２4（２）：２９－３５.［５］程永奇，汪存龙，张鹏，等.精密喷射成形HM1钢摩擦磨损性能研究［Ｊ］.材料科学与工艺，２０14，２２（５）：1０８－11３.ＣHENＧＹｏnｇｑｉ，WANＧＣｕnlｏnｇ，ＺHANＧPｅnｇ，ｅｔａl.ＦｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆHM1ｓｔｅｅlｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙｐｒｅｃｉｓｉｏnｓｐｒａｙｆｏｒｍｉnｇ［Ｊ］.MａｔｅｒｉａlｓＳｃｉｅnｃｅａnｄＴｅｃｈnｏlｏｇｙ，２０14，２２（５）：1０８－11３.［６］解挺，杨华平，杨辉.摩擦磨损过程的数值模拟研究［Ｊ］.润滑与密封，２０1３，３８（1２）：８８－９２.ＸIEＴｉnｇ，ＹANＧHｕａｐｉnｇ，ＹANＧHｕｉ.Nｕｍｅｒｉｃａlｓｉｍｕlａｔｉｏnｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏnａnｄｗｅａｒ［Ｊ］.ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏnEnｇｉnｅｅｒｉnｇ，２０1３，３８（1２）：８８－９２.［7］张跃，谷景华，尚家香，等.计算材料学基础［M］.北京：北京航空航天大学出版社，２００7：1００－1０1.［８］ＬＵANＢｉnｑｕａn，ＲＯＢＢINＳMＯ.Ｔｈｅｂｒｅａkｄｏｗnｏｆｃｏnｔｉnｕｕｍｍｏｄｅlｓｆｏｒｍｅｃｈａnｉｃａlｃｏnｔａｃｔｓ［Ｊ］.Nａｔｕｒｅ，２００５，4３５（1６）：９２９－９３２.［９］ＣIEPＬAＫM，ＳMIＴHEＤ，ＲＯＢＢINＳMＯ.Mｏlｅｃｕlａｒｏｒｉｇｉnｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏn：ＴｈｅＦｏｒｃｅｏnAｄｓｏｒｂｅｄＬａｙｅｒｓ［Ｊ］.Ｓｃｉｅnｃｅ，1９９4，２６５（５17６）：1２０９－1２1２.［1０］ＸＵＳｈｕａｉ，WANＱｉａnｇ，ＳHAＺｈｅnｄｏnｇ，ｅｔａl.Mｏlｅｃｕlａｒｄｙnａｍｉｃｓｓｉｍｕlａｔｉｏnｏｆnａnｏ-ｉnｄｅnｔａｔｉｏnａnｄｗｅａｒｏｆｔｈｅγＴｉ－Alａllｏｙ［Ｊ］.ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏnａlMａｔｅｒｉａlｓＳｃｉｅnｃｅ，２０1５，11０：２47－２５３.［11］ＬIＱｕnｙａnｇ，ＤＯNＧＹａlｉn，PEＲEＺＤ，ｅｔａl.Ｓｐｅｅｄｄｅｐｅnｄｅnｃｅｏｆａｔｏｍｉｃｓｔｉｃk-ｓlｉｐｆｒｉｃｔｉｏnｉnｏｐｔｉｍａllｙｍａｔｃｈｅｄｅxｐｅｒｉｍｅnｔｓａn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