一种公度和非公度状态下摩擦共振调控方法

本发明涉及分子动力学，尤其涉及一种公度和非公度状态下摩擦共振调控方法。

背景技术：

1、摩擦本质上是一个能量守恒和传输的过程。据统计，世界总能源的23%左右因摩擦和磨损而消耗。为了有效减少摩擦能量的消耗以及减轻不同摩擦副之间的摩擦和磨损，亟需探究摩擦界面的能量耗散机理。

2、早在上个世纪，prandtl-tomlinson（pt）模型，frenkel-kontorova（fk）以及鹅卵石模型就已经被先后提出，并用于分析能量耗散和摩擦行为。这些研究致力于探究原子尺度摩擦能耗的起源和影响因素。2015年，wang等人研究了原子尺度摩擦能耗和传输。作者们观察到了一个原子尺度能量耗散的不可逆的交换过程，并且发现弹簧刚度和界面势能都能影响能量可逆性。gao等人研究了不同石墨烯晶界的摩擦能耗机理，结果表明石墨烯表面压缩率的变化和缺陷屈曲过程中产生的热量会导致摩擦能量耗散。cammarata等人研究了过渡金属二卤族化合物薄膜的能量耗散过程。他们发现特定原子轨道的数量是影响摩擦的主要因素。

3、一些研究还发现不同的激励频率对摩擦能量耗散有明显的影响。2007年，xu等人研究了不同谐振器的原子尺度能量耗散，作者认为界面激发力的频率是摩擦能量转换的关键因素。cheng等人通过分子动力学模拟方法研究了振动的激励对原子摩擦的影响，他们发现摩擦力在高频范围内增加，其原因是由于探针跟随外部激励而振动。然而，当激励频率低于一个固定值时，由于激励的振动并没有造成探针明显的振动却造成了较大的层间距离，因此导致摩擦力的减小。在最近的实验和模拟研究中，duan等人发现速度-摩擦力的曲线上出现了若干个摩擦峰，这些摩擦峰就是由于当搓板频率接近自然频率及其分数频率时发生共振所造成的。

4、原子尺度的摩擦能耗具有多种形式，对于非金属材料来说，摩擦能耗的主要以声子的形式耗散。2017年，prasad等人发现了碳纳米管的声子摩擦现象。接触界面的长度通过控制纵向声子的散射从而影响总摩擦力。石墨烯是一种具有显著力学性能的二维层状非金属材料，其摩擦行为和磨损现象得到了广泛的研究。近年来，一些研究表明石墨烯的原子尺度摩擦能耗与特定声子紧密相关。kwon等人通过氟化法调节石墨烯的摩擦力，证实了摩擦力的变化主要由石墨烯最软的弯曲声子控制。lee等人研究了含水的石墨烯表面摩擦力的增强现象，发现石墨烯中额外的水会使得新的声子耗散通道产生，导致更高的摩擦力。此外，过往的研究也表明摩擦力的差异能够被声子谱的改变所揭示。

5、上述研究表明，激励频率能够显著影响能量耗散，并且摩擦能量主要以声子的形式进行传输。然而，在公度和非公度的状态下，不同频率的余弦激励对摩擦能量耗散及其声子机制的影响尚不清楚。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种公度和非公度状态下摩擦共振调控方法。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种公度和非公度状态下摩擦共振调控方法，包括以下步骤：

3、⑴以方形石墨烯薄片作为探针、双层石墨烯作为基底，建立由所述探针和所述基底组成的分子动力学摩擦模型：

4、所述探针上每个碳原子都在 y和 z方向连接弹簧，且该探针在 x方向的弹簧连接在一个速度为正弦函数的滑块上，滑块沿着 x方向运动；

5、所述基底的底层石墨烯和顶层石墨烯的 y方向两端的原子被固定，并沿 z方向给每个原子施加0.25 nn的法向载荷；同时在所述基底的顶层石墨烯上选定八个碳原子用于计算声子数，并将所述探针旋转30°实现非公度接触状态；

6、在所述基底的石墨烯顶层靠近固定边的原子设置恒温层；在所述基底的 y和 z方向施加周期性边界条件；

7、⑵确定激励频率、激励振幅和温度对公度/非公度石墨烯层间摩擦能耗的影响：

8、对所述探针施加正弦激励，使其沿着 x方向不断地振荡；

9、在公度和非公度的接触状态下，对所述探针施加不同频率和不同振幅的外部激励，在不同温度下实现模拟过程，并观察和确定激励频率、激励振幅和温度对公度/非公度石墨烯层间摩擦能耗的影响；

10、⑶确定激励频率、激励振幅和温度对公度/非公度石墨烯探针瞬时位移和总滑动距离的影响：

11、统计并计算所述探针在公度和非公度接触状态，将外部激励振幅提高后或将温度提高后所述探针质心在不同激励频率下的瞬时位移和在模拟过程中的总滑动距离，以此揭示激励频率和激励振幅以及温度对探针质心位移的影响；

12、⑷揭示摩擦共振对公度/非公度石墨烯层间能耗的影响以及石墨烯模型出现磨损乃至崩坏的原因：

13、对层间瞬时摩擦力进行快速傅里叶变换，揭示摩擦能耗随激励频率的变化以及激励幅值的变化出现增大的原因以及摩擦模型出现崩坏的内在机理；

14、⑸确定温度对公度/非公度石墨烯层间摩擦能耗影响的内在机理：

15、统计石墨烯在公度和非公度接触状态下，背景温度分别为0 k和300 k时的势垒高度以及界面原子的温度标准差，用势垒高度和温差之间的竞争作用揭示公度和非公度界面温度升高时出现摩擦能耗变化趋势不一致的现象；

16、⑹揭示不同摩擦能耗的声子机理：

17、在公度/非公度接触状态下，计算在两种不同激励频率且激励振幅为0.25 å 和0.45 å时的石墨烯层间声子数；并结合激励振幅不同对石墨烯层间摩擦能耗的影响，揭示不同的激励振幅对石墨烯层间摩擦能耗影响的声子机理。

18、所述步骤⑴中基底在 x和 y方向上的大小分别为10.3 nm 和22.4 nm，探针的面积为10.3×10.4 nm2。

19、本发明与现有技术相比具有以下优点：

20、1、本发明以单层石墨烯为研究对象，探究了石墨烯探针在振荡过程中，外部激励频率、激励振幅、温度以及接触状态对石墨烯层间摩擦能耗的影响及其内在机理。

21、2、本发明系统地研究了不同的激励频率对公度/非公度石墨烯摩擦能耗的影响，确定了当外部激励频率变化时，公度/非公度石墨烯层间摩擦能耗的变化。

22、3、本发明系统地研究了外部激励频率、激励振幅和温度对公度/非公度界面石墨烯探针瞬时位移和总滑动距离的影响。

23、4、本发明利用对石墨烯探针所受瞬时摩擦力的快速傅里叶变换，确定了石墨烯层间摩擦能耗随激励频率变化而增大的原因。同时解释了在公度/非公度接触状态下石墨烯模型在特定激励频率下破损乃至崩坏的现象，以及激励振幅的增加对探针在振荡过程中的振幅的影响，进而影响摩擦能耗。

24、5、本发明系统地研究了不同的背景温度对公度/非公度石墨烯层间摩擦能耗的影响，并用势垒高度和原子热碰撞的竞争作用来揭示温度不同对公度/非公度界面产生摩擦能耗影响的内在机理。

25、6、本发明计算了在温度和激励振幅不同的情况下，公度/非公度石墨烯层间激发的声子数，以此来揭示不同的激励振幅对摩擦能耗影响的声子机理。

26、7、采用本发明方法，能够为调控纳米尺度石墨烯谐振器的能量耗散以及避免共振的发生提供理论指导。