原子尺度摩擦的准静态分析

摘要

理解摩擦的产生以及能量的演化过程，是从根本上实现界面摩擦行为主动调控的理论基础。经典PrandtlTomlinson(P-T)模型作为描述原子摩擦中粘滑运动的典型模型，能通过简约的参数揭示其力学失稳本质，并建立宏观摩擦行为与原子尺度势能面的关联。然而，目前针对该模型中能量演化路径与关键参数影响的系统分析仍显不足。为此，本文基于P-T模型，对纳米尺度摩擦的运动机制展开准静态分析。分析了粘滑运动的产生及其摩擦特征，并展示了与其影响因素有关的非平衡能量演化过程。进一步地，定量阐明了势垒高度与弹性常数的独立调控作用与协同影响机制——势垒高度决定了耗散上限与静摩擦力极限，弹性常数则主导弹性势能的极限与单次能量耗散的强度，通过二者共同变化，定量阐释了界面周期势与弹性常数的无量纲竞争比值不仅决定粘滑-平滑临界阈值，还标定了能量耗散强度。通过将简化的势能面模型与宏观摩擦行为相联系，深化了对纳米摩擦物理机制的理解，旨在为通过调控界面特性与力学性能以减少摩擦提供理论基础。

关键词

纳米摩擦 / P-T模型 / 粘滑运动 / 能量转化

基金资助

中国科学院战略性先导科技专项（XDB 0470203）;中国科学院“西部之光-西部交叉团队”重点实验室专项（xbzg-zdsys-202305）;中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-023）; 2022年甘肃省重点研发计划（22YF7GA138）; 国家自然科学基金（12302128,52565018）; 兰州化物所“十五五”自主部署项目（KCP155B04）