5-26、碳基薄膜摩擦系数的预测

鲁志斌^*

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室

摘要：摩擦是一种普遍存在于自然界，并与生产生活密切相关的表界面物理现象。从古至今，为了能够主动的控制和利用这种物理行为，人类开展了大量能动性的探索。在日常生活中，借助汽车轮胎与地面之间的摩擦，我们驱车向前，并通过刹车片和刹车盘之间的摩擦阻力实现汽车减速。然而，我们又憎恶发动机内部机械部件间摩擦导致零部件磨损，性能下降，寿命减短，增加油耗和有害气体排放，加剧大气污染。在现代科技的高精度微器件中，由于较高的比表面积率，产生的显著黏着、摩擦和磨损是制约器件精度、运行性能和使役寿命的关键因素。据统计，人类社会所使用能源的1/3最终以不同的形式摩擦作用被耗散，同时导致了运动部件的失效和资源浪费，损失不可估量。然而，以上不利的结果原理上本可以运用摩擦学的知识得到缓解。事实上，人类已经为此开展了大量的研究，并取得了一些成果，但目前仍处于被动地位，无法对摩擦实现能动的操控。这根源于我们对摩擦学的基础原理和关键科学问题认识的不足。实际上，目前学术界一致承认我们对摩擦的认识仍停留在半经验的水平，对给定表面的滑动体系, 在未进行实验之前，无法准确的判断其摩擦力，更无法从表界面微观结构的设计出发，对摩擦进行精准的控制和利用。

本文基于材料基因组工程方法，通过对多个摩擦碳基材料界面基本相互作用的计算，在对摩擦过程中材料的转移、材料的转变、表面钝化等进行判断基础上，建立碳基薄膜摩擦理想摩擦系数与界面相互作用关键参数之间的联系。通过基于第一性原理计算碳基薄膜摩擦表界面关键物性参数、利用能量耗散微观摩擦理论建立了界面物性参数——微观摩擦性能——理想宏观摩擦性能之间的关联，使得对碳基薄膜摩擦性能的研究从对实验现象解释向定量数学描述转变，为碳基薄膜摩擦性能的预测奠定基础。然后通过对建立吸附脱附与宏观摩擦的关系，将理想摩擦系数外推到实际工况中，对特定工况下的摩擦系数可进行更加准确的半定量预测。特别地，对含氢和无氢两种碳膜在不同水蒸气/丁烷条件下摩擦系数随水蒸气/丁烷分压的预测表明能够较为准确地预测该条件下的摩擦系数。

总之，基于材料基因组工程理念，通过多数据分析，建立计算关键参数与摩擦性能的关系，通过唯相学模型可以半定量地预测两种碳基薄膜在水蒸气/丁烷条件下摩擦系数的变化，与实验吻合较好。这表明理论计算可以对润滑材料的研发和设计提供直接的指导。未来通过进一步结合高通量计算、高通量实验以及数据库技术，有望对润滑材料的预测预测向更多的工况条件下拓展，从而真正实现对润滑材料的研究从经验解释向定量预测转变，为润滑学科的发展提供新契机。

关键词：润滑材料；材料基因组工程

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.526