二硫化钼点缺陷对摩擦学性能的影响分析.docx

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1、大学本科生毕业设计(论文)摘 要二硫化钼是常见的润滑油和润滑脂，在恶劣的工作环境中有着性能优越的减摩、抗磨和极压性能。各种材料和机械设备使用二硫化钼做润滑剂后，显著提高了其耐磨寿命。正是由于二硫化钼有着极佳的摩擦性能，二硫化钼摩擦学性能的研究一直是相关领域的研究热点之一。本文简要分析了二硫化钼的发展历程，总结了点缺陷的结构和种类，并用模拟软件构建了单层MoS2的仿真模型。之后对模型中使用的周期性边界条件和势能函数的使用做了概念辨析和原理分析。详细介绍了建模的具体实现过程，并对点缺陷的结构进行深入探究。最后分子动力学思想利用结合LAMMPS模拟软件完成了摩擦的仿真实验。本文在仿真实验中详细的描述

2、了实验过程，将实验分成了三个驰豫、压痕和划痕三个步骤。其中利用划痕步骤探究点缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响。得到了不同类型的点缺陷对摩擦性能的影响是不同的，最主要的原因是点缺陷会降低二硫化钼结构的稳定性，加剧二硫化钼的变形，导致其减摩性能就越差。关键词：二硫化钼，摩擦学性能，点缺陷- I -本页为“6毕业论文Abstract（1页或2页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。大学本科生毕业设计(论文)AbstractKey Words： Molybdenum disulfide, Tribological proper

3、ties, Point defectMolybdenum disulphide is a common lubricating oil and grease, which has excellent anti-friction, anti-wear and extreme pressure properties in harsh working environment.Various materials and mechanical equipment using molybdenum disulfide as lubricant, significantly improve its wear

4、 - resistant life.Because of the excellent tribological properties of molybdenum disulfide, the tribological properties of molybdenum disulfide have been one of the research hotspots in the related fields.In this paper, the development course of molybdenum disulfide is briefly analyzed, the structur

5、e and types of point defects are summarized, and the simulation model of single-layer MoS2 is constructed with simulation software.Then the periodic boundary conditions used in the model and the use of potential energy function are analyzed.The concrete realization process of modeling is introduced

6、in detail, and the structure of point defect is deeply explored.Finally, the friction simulation experiment was completed by combining the molecular dynamics thought with the LAMMPS simulation software.This paper describes the experimental process in detail in the simulation experiment, and divides

7、the experiment into three steps: relaxation, indentation and scratch.The influence of point defects on tribological properties of molybdenum disulfide was investigated by using scratch steps.It is concluded that the influence of different types of point defects on the friction performance is differe

8、nt, among which the larger the point defect vacancy is, the more defects there are, and the worse the anti-friction performance of molybdenum disulfide will be.- III -本页为“7毕业论文目录（1页或若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。大学本科生毕业设计(论文)目 录摘 要IAbstractIII插图或附表清单VII注释说明清单IX1 引 言12

9、绪论32.1 课题背景与研究意义32.1.1课题背景32.1.2 研究意义42.2 二硫化钼的制备和发展现状42.2.1二硫化钼的制备42.2.2二硫化钼的发展现状52.3 二硫化钼的点缺陷62.4 分子动力学82.4.1纳米摩擦学的简介82.4.2分子动力学的基本思想92.4.3模拟软件LAMMPS102.5 原子间势102.5.1 Lennard-Jones势函数102.5.2 REBO势函数113模型和方法123.1模型123.1.1边界条件123.1.2模型的建立123.2仿真方法144驰豫与压痕154.1弛豫阶段154.2压痕阶段165 划痕阶段195.1压痕深度对摩擦学性能影响19

10、5.2点缺陷对摩擦学性能影响216结论26参考文献样式：b标题 不编号27附录A 29在学取得成果31致 谢33- VI -本页为“8毕业论文图表清单页（可选，1页或若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。大学本科生毕业设计(论文)插图或附表清单- VII -本页为“9毕业论文注释说明清单页（可选，1页或若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。大学本科生毕业设计(论文)注释说明清单- IX -本页为“10毕业论文正文页（若干页）”，

11、点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。大学本科生毕业设计(论文)1 引 言由于二硫化钼具有很低摩擦系数，在恶劣环境下（真空或强辐射等）仍具有较好的润滑性能，所以机械处于高真空、高温、低温环境下经常使用二硫化钼做润滑剂，在轻重工业有着广泛的用途。为了制备性能加优异的二硫化钼润滑剂，所以二硫化钼的摩擦学性能研究一直是热点问题之一。本文结合分子动力学(MD)计算和经典分子模拟代码（LAMMPS）来研究二硫化钼摩擦过程中点缺陷的影响机制，其中MD模拟中研究摩擦过程中二硫化钼的化学键的断裂情况和原子受力情况。采用Lennard-Jo

12、nes (LJ)电势、嵌入原子法(EAM)电势和多体反应经验键序(REBO)电势来描述模拟模型中原子间的相互作用。同时，在原子水平上增加MoS2缺陷之间相的互作用机制的了解，以及加深缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响的分析，从而设计和合成可靠可预测的纳米二硫化钼润滑剂。这对减少机械器件的磨损，延长机械的使用寿命，节约能源等方面有重大意义。本文的绪论部分对二硫化钼的结构和用途进行了简单的描述，介绍了近年来二硫化钼的发展状况和对润滑剂发展的影响，并提出了在纳米技术的发展背景下二硫化钼的应用空间更加广阔。同时也提到由于制备二硫化钼技术的局限，制备过程中会有结构的改变而造成缺陷形成。对点缺陷进行分类并简单

13、分析了其物理性质，也提到了缺陷造成的影响不可避免的阻碍了行业的发展。所以需要充分的了解缺陷的形成过程和工作机制原理，以制备性能更加优异的二硫化钼润滑剂。接着对纳米摩擦学的基本思想和应用做了简单介绍，重点讲述了仿真实验相关的分子动力学知识，和模拟软件LAMMPS的基本运用。以及使用Lennard-Jones势函数(LJ势)和REBO势函数来描述原子间相互作用力。 本文的第三章重点讲述了模型的建立和仿真实验的思路。首先是对周期性边界条件的类型分类，指出建立具有合理周期性边界模型的重要性；接着介绍单个模型的基本组成部分，对每个部分的组成和作用加以叙述；其次着重讲述了根据晶格和晶向的规律，建立符合周期

14、性边界条件的模型。之后给出了各个部分原子间相互作用的势函数；最后描述了模型在仿真过程中的参数控制方法，包括体系温度、探针运行速度等。本文的第四章主要是对进行划痕仿真之前的工作准备。首先是驰豫阶段对模型的结构优化，保证整个单层MoS2表面平坦无褶皱，利于压痕和划痕操作。接着压痕阶段确定各个缺陷模型临界法向载荷，同时对临界法向载荷与缺陷类型的关系进行了简单的探究。本文的第五章主要内容是二硫化钼点缺陷对摩擦学性能影响的仿真探究。第一步理想模型下研究不同压痕深度的滑移与摩擦力的关系，说明了压痕深度是探究点缺陷影响摩擦学性能的一个重要指标。接着将六个模型置于同一压痕深度下滑移记录摩擦力变化情况，然后对比

15、与理想模型的摩擦力变化情况，对比分析存在缺陷时单层二硫化钼结构不稳定，更容易断键破裂导致润滑失效。本文的第六章主要是对仿真实验过程的总结，阐明在这次仿真实验过程中发现二硫化钼点缺陷对摩擦学性能影响的规律和见解，对二硫化钼润滑领域的的新贡献和意义。反思了实验的局限性和存在的问题，然后根据结果提出了新一步的设想。2 绪论2.1 课题背景与研究意义2.1.1课题背景二硫化钼是一种常见的二维材料，有着六方晶系层状结构1。如图 2-1所示，其形状酷似“三明治”，由S-Mo-S原子堆垛而成。按照堆垛方式的不同可分为1T、2H和3R晶体构型2，其中以2H堆垛方式状态最为稳定。硫原子在两个六角形的平面上被钼原

16、子平面隔开，其中Mo原子和S原子以六边形形状对称分布。层内是强的化学键作用，一个Mo原子与周围六个相邻的S原子以共价键形式结合，Mo-S键长约为2.42；层间是单层结构且附着力比较小，层与层之间的距离为0.65 nm，这些垂直堆叠原子层通过范德华相互作用结合在一起。由于二硫化钼这种独特的层状结构，使其具有良好的润滑功能3。 图2-1二硫化钼的2H 堆垛方式三维结构示意图二硫化钼用作润滑剂时，可制成润滑油和润滑脂，有着减摩、抗磨和抗压的优异性能。它具有非常低的摩擦系数（0.030.06），高的屈服强度（3.45MPa），能在高温(350)和各种超低温条件下使用，在真空条件下甚0至可以在1200正

17、常工作，特别在高速运转的机械部件中有着十分优良的润滑作用，在工业应用中有着十分重要的地位。机械设备的摩擦磨损会导致能源的大量消耗，同时也会导致机械设备的失效和损坏，从而降低设备的使用寿命，但润滑可以有效降低设备磨损、延长设备寿命4。MoS2因具有优秀的性能，使其在工业、电学和光学等领域有着广泛的应用价值，制备出高耐磨损，或高电子迁移率5的MoS2具有非常大的经济价值和军事国防价值，所以MoS2研究是非常有意义的。使用二硫化钼润滑剂后的各种材料和机械装备，其使用寿命明和性能明显增加。因此研究合成耐用、可靠和可预测的纳米二硫化钼润滑油添加剂一直是相关领域的研究重点6。2.1.2 研究意义随着纳米技

18、术的不断发展，纳米化二硫化钼不仅增加其比表面积，还提高了它的吸附能力，使其展现出更佳的使用性能3。但是二硫化钼生产过程中自身存在的缺陷，其摩擦学性能明显受到材料纳米缺陷的影响。虽然缺陷本身尺度很小，却在一定范围内改变材料结构，显著的影响润滑效率7。然而在纳米尺度下缺陷是如何调控材料的结构、缺陷之间如何相互作用、缺陷如何影响润滑性能等等，到现在人们还是知之甚少，还没有明确的解释说明。本次选题是关于二硫化钼点缺陷对摩擦学性能的影响分析的研究。通过研究MoS2在不同情况下（例如接触面积、法向载荷、速度等）摩擦学性能在各个阶段的变化，在原子水平上了解二硫化钼缺陷的形成、传播和相互作用机制，以及缺陷对二

19、硫化钼摩擦学性能的影响6。可以帮助人们选择工作时最佳的摩擦条件，提高产品经济收益。2.2 二硫化钼的制备和发展现状2.2.1二硫化钼的制备随着技术的发展和完善，二硫化钼的制备方法有很多种，根据制备过程分为物理法、化学法和两种方法综合使用8。物理法基本思路是通过机械力或者高能物理的手段，克服材料层间的范德华力来粉碎或切割MoS2，从而获得细化的单层MoS2。化学法的基本思路是通过化学反应并在制备过程中控制化学反应条件，从而获得相应目标的单层MoS2。在现在常用的制备方法中以化学气相沉积法(CVD)表现出较大优势1。它通过高温条件下升华的气态含钼化合物与通入的气态硫反应9，让两者充分反应制备的单层

20、MoS2，可以通过控制温度或者加入反应物的速度和剂量来获取更佳质量的单层MoS2。此法制备的单层MoS2具有质量高、层数稳定、大小可控的优点。但也有形核困难、成本高的缺点。除了化学气相沉积法，常用的方法还有水热法、化学剥离法和机械剥离法9。它们制备有各自的独特优势，但过程或多或少存在不足。例如使用机械剥离法制备MoS2具有快速、方便、低成本的优点，但是成品MoS2质量不高，尺寸不均匀且形状较小，可以用于实验室快速制备，不利于大规模生产。使用水热法制备MoS2时方法简单且绿色环保，但是成品MoS2的形状、厚度及尺寸不容易直接控制。使用化学剥离法制备MoS2时剥离效率低，且制备过程中容易引入新的杂

21、质，溶剂使用完之后不能及时处理会造成环境污染。总的来说，上述方法制备的MoS2有改变MoS2的晶格结构或者得到的产物大小不均、质量不佳，不能满足实验使用的基本要求。虽然二硫化钼的制备方法不完善，但是在制备过程中将多种方法结合使用，可以制作出较为理想的单层MoS2。化学法有着灵活性强、反应效率高、产物纯度好的优点，单是存在流程长、成本高、废物多的缺点；物理法虽然不灵活、产物单一，但是晶格结构不会被破坏，两者相互结合优势互补8，可以制得质量更优异的单层MoS2。2.2.2二硫化钼的发展现状钼是一种不可再生的稀有金属，是发展高新技术的重要战略资源10。凭借独特的结构属性，被广泛的应用于各种行业，例如

22、钢铁行业、有色金属行业和化学化工行业等。同时凭借优异的物理化学性质优势，在核工业、航空航天工业及电子电学工业等领域也有着重要的作用11。在制成的光电探测器、纳米电子器件、集成电路系统和传感器有着极佳的性能，总的来说钼的使用巨大的应用前景。二硫化钼是一种性能优异的固体润滑剂，早在17世纪其功能就已经被人们。作为润滑剂使用时有着诸多优点，耐磨抗压性好、附着减摩性强，同时摩擦因数低。它作为优秀的润滑剂，还以不粘结易分散的优点广泛的添加进各种油脂中制成润滑脂。二硫化钼在高温高压等极端环境易生成保护膜，使其高效的润滑性能不受太大影响，所以在抗磨减摩领域得到了大量的使用，在航空航天工程，机械工业制造工程，

23、电子电学制造等方面广泛应用。随着显微镜等设备的发展，微观技术的不断进步和完善，二硫化钼也从宏观的探索转到微观的发现。以纳米技术为主要方法，制备性能更加优异的纳米单层MoS2。其表面积更大，吸附力更强，反应活性过高，可以制作润滑效率更佳的润滑剂或者特殊催化材料。我国是钼资源大国，有着丰富的钼矿储备，但是对钼矿的综合使用率较低，技术也相应不发达。从制备高质量的单层MoS2到其他钼化物的合成开发，手段相对匮乏，效率比较低下。我们需要加大对钼化工行业的支持，加快对MoS2性能性质的研究，使其在润滑领域能有更大的作用。2.3 二硫化钼的点缺陷为了利用二硫化钼表现出的优异的润滑性能，有必要深入了解二硫化钼

24、的摩擦学性能，这就需要大量的无缺陷高质量的二硫化钼薄膜。目前的制备二硫化钼的主要方法中，都难以避免缺陷的形成和存在12。二硫化钼相较于其它的二维材料，其结构更为复杂，常见的缺陷以点缺陷和晶界为主13。使用化学气相沉积(CVD)技术可以合成大尺寸、高质量的单分子层MoS2薄膜，但是制备过程还是会出现各种结构缺陷14。利用扫描透射电子显微镜(STEM)上使用原子分辨率的环形暗场(ADF)成像来研究材料的原子结构和第一性原理计算相结合的方法14，对CVD法制备的高质量单层MoS2进行了观察和研究。确定了化学气相沉积法制备的 MoS2薄膜的固有结构缺陷包括点缺陷和晶界，其中确定的点缺陷14分别是: 单

25、硫原子空穴( VS ) 、双硫原子空穴( VS2 ) 、单钼原子和周边三硫原子空穴( VMoS3 ) 、单钼原子和周边六硫原子空穴( VMoS6 )。化学气相沉积(CVD)技术制备的二硫化钼薄膜以 VS 为主。Vs Top（b）（a） VMoS3 TopVs Bottom（d） Vs2（c） VMoS6VMoS3 Bottom（f）（e） 图2-2图（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）是六种点缺陷类型，分别为上层单硫原子空穴 （Vs Top）、下层单硫原子空穴（Vs Bottom） 、双硫原子空穴（Vs2）、单钼原子和上层周边三硫原子空穴（VMoS3 Top） 、单钼原子和下层周边三

26、硫原子空穴（VMoS3 Bottom）、单钼原子和周边六硫原子空穴（VMoS6）。粉红色原子是硫原子，蓝色原子是钼原子。使用在CVD技术下制备的单层二硫化钼，在STEM-ADF图像上有六个不同类型的点缺陷。利用STEM-ADF成像自带的原子化学分析能力，让我们能够对图像的强度定量分析，明确原子的缺失情况14。使用Ovito构建单层MoS2点缺陷的仿真模型，分别是层单硫原子空穴 （Vs Top）、下层单硫原子空穴（Vs Bottom） 、双硫原子空穴（Vs2）、单钼原子和上层周边三硫原子空穴（VMoS3 Top） 、单钼原子和下层周边三硫原子空穴（VMoS3 Bottom）、单钼原子和周边六硫原

27、子空穴（VMoS6）等六个，如图2-2。从图中可以看出，三次对称是缺陷的结构特征，有很强的规律性。不同的点缺陷有不同的结构结果稳定性，经过探索点缺陷的能量分布，进行DFT（密度泛函理论）的第一性原理计算，得到的缺陷结构优化图和STEM图像吻合良好。由图像2-2可知，二硫化钼的点缺陷主要是要由Mo原子和S原子缺失造成的，为了研究点缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响，本文引入了Vs、 Vs2和VMo等三种空位缺陷，共建立六种缺陷模型，如图2-2。图中粉红色原子是硫原子，蓝色原子是钼原子。图a-f是六种模型的俯视图，图a、b是单S原子空位缺陷(Vs)，分别为顶层S原子缺失和底层S原子缺失，图c是双S原子

28、空位缺陷(Vs2)，顶层和底层对应的硫原子一起缺失。图d-f是单Mo原子空位缺失（VMo），图d是Mo原子和其顶层3个S原子缺失，图e是Mo原子和其底层3个S原子缺失，图f是Mo原子和其周围6个S原子缺失。缺陷的位置在单层二硫化钼的顶层设置，在金刚石探针尖端滑移方向上有规律的排列。缺陷在滑移过程中处于行程的中间部位位置放置，距离探针初始距离约为20。模型其他参数如图2-3所示。SlidingPoint DefectTip图2-3含缺陷的单层二硫化钼模型二维材料的缺陷在其各种性能性质方面起着非常重要的决定作用，二维单层二硫化钼的缺陷是导致其摩擦学性能发生较大改变的重要原因15。缺陷的的存在并不是

29、都是负面的，缺陷的存在可能改变材料原有的结构，使其在某些新的领域焕发新的活力，缺陷的存在也可能激发材料新的优异性能，材料往往因缺陷变得与众不同。但是现在对于二硫化钼不同的缺陷是如何影响摩擦学性能的研究是比较少的，特别是分子动力学相关的模拟研究。所以本文结合分子动力学模拟，建立仿真模型，探究空位缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响。2.4 分子动力学2.4.1纳米摩擦学的简介随着计算技术和观察工具的发展16，人们逐渐从宏观理论转向微观的探索和发现。尤其是纳米技术的兴起，使材料的结构探究和性能分析日趋纳米化，力求在原子尺度下得到材料的基本性质。摩擦作为最普遍的宏观现象，但是却不能再用宏观的理论去探讨微观

30、下的摩擦过程，为了解决这个问题，纳米摩擦学17随之兴起并不断发展。在纳米摩擦学中，与宏观摩擦学相比研究对象有着本质的不同，遵循的规律也大不一样，经典的宏观理论已经不能直接解决问题。纳米摩擦学有着自己独特的研究方法、理论思路和适用对象，它从材料的微观结构入手，在尺度为0.1-100nm上研究发生相对运动的界面的摩擦行为18，详细分析俩接触面发生摩擦时原子间结构和形态的变化，构建新的牛顿力学方程以求解变化过程。通过纳米摩擦的观察研究，可以深入揭示摩擦的原理，构建宏观摩擦学与微观摩擦的理论桥梁。它可以建立更佳性能的微型装置，可用于超精密的微机电系统；也可以揭示分子、原子之间的摩擦特性19，制备性能更

31、加优异润滑剂等等。纳米摩擦学既是摩擦科学前端发展的必然，也是纳米技术兴起不可避免的需要我国在纳米摩擦学领域也有一定的建树，早在20世纪中后期，我国的摩擦科学家开始已经发展微观摩擦学，将宏观摩擦的工作重点逐步转移到微观摩擦上，并取得了一系列成果。本文研究的空位缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响，也是基于纳米摩擦学理论上进行的。在模拟金刚石探针在二硫化钼表面摩擦过程中，结合分子动力学得出结论，讨论二硫化钼分子形态及摩擦力的变化情况。2.4.2分子动力学的基本思想随着新学科的不断兴起和旧学科的不断完善（如统计物理学、纳米摩擦学等），加上实验器材（计算机、隧道扫描显微镜等）的不断发展进步，传统的宏观物质系

32、统并不能完全适用于原子尺度下的观察研究。例如，物体的摩擦不仅仅是由于宏观的弹性和塑性变形，还有微观下的表面化学和环境效应，而了解影响摩擦的这些因素和其他因素是一项艰巨的任务，需要新的方法来完成。分子动力学（MD）模拟的基本思路，是把宏观的物质分解成由分子和原子组成的系统，并用经典力学或量子力学来描述粒子的运动20。在原子尺度下的摩擦、磨损现象，传统理论的连续介质假设可能不再有效21，纳米尺度下系统的力学响应偏离经典理论的规律，材料的本构关系与体相状态相比有很大改变，尺度效应可能诱发微观结构的变化和相变等等20。因此对材料特定性能的研究，需要对微观过程分析，通过物理学原理得到进而得到与宏观体系相

33、对应的动静态特性。分子动力学是一种描述微观现象方法，它可以模拟粒子系统建立微观模型以此完成仿真实验。通过模拟原子之间相互作用并通过牛顿力学计算分子动力学的模型，解出系统中每个粒子的运动状态，进而求出改体系的运动状态，研究该体系的结构和性质22。在本次仿真实验中，使用牛顿运动方程来确定原子的运动，在选定势函数情况下以模拟整个系统的各个原子瞬时位置和瞬时速度变化23，同时进行系统能量的变化和受力情况的统计，能够在纳米量级和纳米时间尺度下，得到模型的微观动态过程，以此获得仿真实验在该热力学系统下的原子动力学信息。2.4.3模拟软件LAMMPS分子动力学使用的最主要软件是LAMMPS。LAMMPS是一

34、种经典的模拟分子动力学的开源代码软件，是由美国Sandia国家实验室开发和发布的24。分子动力学是一门综合性十分广泛的学科，它将物理、数学和化学等学科有机结合，而LAMMPS强大的计算能力可以模拟这些原子分子体系的运动过程。LAMMPS可以计算固态、液态及气态等形态下的分子原子体系，可以调用多种势函数，也可以选择多种边界条件。在Linux系统下通过编译对程序进行补充和修改，以达到自己想要的计算目标。LAMMPS提供了本次仿真实验所需的势函数，包括Lennard-Jones势、嵌入原子势(EAM势)，REBO势等，并提供了模型的所需的周期性边界条件。研究材料的纳米级力学性能可以通过纳米压痕和划痕

35、进行的机械变形来实现，是当前最重要和最流行的方法之一。将分子动力学结合LAMMPS进行仿真模拟，在计算过程中输出原子坐标、原子间相互作用力和体系势能等物理量。可以最大程度的还原二硫化钼摩擦过程中的受力情况，准确得到相关数据，这对后续的分析十分重要。但是LAMMPS自身不具备图像的输出的能力，需要通过Ovito等第三方软件来观察具体的原子运动轨迹。2.5 原子间势2.5.1 Lennard-Jones势函数原子间的相互作用势是确定原子间相互作用力的关键，这种作用力主要是由势函数来描述，势函数的准确性决定了模拟计算的精度和复杂程度24。在分子动力学模拟中，常用Lennard-Jones势(LJ势)

36、来描述层与层之间的相互作用力，其式为， （1） 式中，r为原子对间的距离，为基本尺度参数，为基本能量标度参数因原子的种类可能不同。式中右边第一项表征原子间的排斥作用，它在原子间距离很小的时候是决定项。第二项表征着两原子间的吸引(或者结合)作用16。LJ势函数的定义十分简单，使用方便，计算效率比较高，在模拟两个电中性的分子或原子间相互作用势能的时候有广泛的应用。本文在研究二硫化钼点缺陷对摩擦学性能影响的时候，用LJ势函数来定义探针、单层MoS2和Pt基底之间的范德华力，并取得良好的效果。图2-3 LJ势能与力随原子对间距的变化2.5.2 REBO势函数二硫化钼有许多常用的势函数，其中由键序理论结

37、合Brenner势函数的REBO势函数被Liang等人提出，它能更全面的描述二硫化钼层间的相互作用力。它作为一种多体反应经验键序函数势，其合理性经也过实验的验证，几乎能够在所有的Mo-S原子系统中适用。它不仅能准确描述共价键系统，也能准确描述共价键的生成断开情况。 REBO势函数的数学形式为: （2）其中EREBO表示体系中的键能总和，表示俩原子i、j之间的距离，和是相互间的排斥作用和吸引作用，是截断半径函数，多体的键序函数，其余字母是成对的参数，由原子i、j的化学种类决定。从（2）式可以看出，原子间距决定了原子间的相互作用力大小，原子间形成的化学键强度取决于多体的键序函数，而键序函数的强度大

38、小取决于i原子周围的环境。在确定了REBO势函数的数学表达式后，根据Mo原子、S原子和Mo - S结构的结构属性，选择合适的势函数参数，最后用于单层MoS2模型之中。3模型和方法3.1模型3.1.1边界条件当分子动力学（MD）进行模拟时，需要注意两个方面的限制。一个是时间的限制即模拟时长短的限制，另一个是空间的限制即模拟体系大小的限制8。分子动力学研究的物质的性质是在给定的密度下进行的，而实际模拟过程中不可能在无穷大的系统中操作。物体在宏观的运动是大量粒子运动结果的集合，因此模拟系统的粒子数目要足够多才能准确表达与宏观的运动一致。如果用少量的粒子来做实验模拟，与实际的体系相比必然是不精确的。为

39、了满足与实际情况相匹配，在本次仿真中对空间的限制是尤为突出的，在具体的模拟过程中必须设定合适边界条件。分子动力学中主要有两种边界条件，在任何一种边界的应用范围里，可以避免其他相邻体系对本体系的扰动。本次实验使用的是周期性边界条件(p) ，这样近似的看成无限个粒子在本体系中进行模拟，每个模拟区域周围存在无数多个与该模拟区域完全相同的区域，他们彼此相对独立又相互联系，这样得到的结构和性质与实际的宏观体系相差不大。在使用周期性边界条件时，各个区域的粒子数量相同且分布也相同，在中心模拟区域里粒子的速度和位置与相邻区域里粒子的速度和位置一样，且相邻区域的粒子也会发生相互作用，只是中心模拟区域受到的力相互

40、抵消。本次研究点缺陷对二硫化钼摩擦学性能影响时，周期性边界条件为X、Y方向，当一个粒子离开模拟区域时，又会以相同的速度和状态重新再进入本模拟区域，这样可以保证在平面内单层二硫化钼在完整性以及拥有无限个MoS2分子数目，计算中只需要处理本模拟区域的粒子运动状态，摆脱了需要无穷个粒子来模拟体系的困境，成功的消除了为减小粒子数而带来的有限尺寸效应24。而Z方向为非周期性边界条件，在高度方向上消除了二硫化钼波动产生的干扰。3.1.2模型的建立 本次仿真模型是由金刚石探针、单层二硫化钼和Pt基底组成，如图3-1。最上层是金刚石探针，针尖直径为20，将其全部设为刚性原子，在整个模拟过程中起摩擦作用。最下层

41、由面心立方的Pt（111）作为基底，长为110.874，厚度为50。由于Pt的化学性质稳定，可以将单层MoS2覆盖在上面，作为整个模型的衬底。中间是单层二硫化钼，由上下两个紧密排列的硫原子原子层组成，由一个紧密排列的钼原子层隔开，单层MoS2上方与探针距离为10，与下方Pt基底距离为2.8。用化学气相沉积法制成的MoS2会有许多缺陷，其中上覆层和衬底的面内存在周期晶格失配。所以当MoS2在Pt基板上配合时，考虑到周期边界条件的情况下，将MoS2沿着X轴单向拉伸，拉伸比控制在0.01%以内。在模拟压痕和滑动过程，为了避免单层MoS2的整体平移运动，将y方向边缘处的MoS2原子固定在x和y方向上，

42、但可以沿z方向自由移动，同样的将铂的底部原子固定在Pt基板上。2052.811110.874TipLoadSlidingPtMoS2图3-2由金刚石探针、单层MoS2和Pt基底组成的仿真模型同时将实验的模型设为一个无缺陷的对照组和六个有缺陷的实验组。有缺陷的实验组分别是上层单硫原子空穴、下层单硫原子空穴 、双硫原子空穴、上层周边三硫原子空穴、下层周边三硫原子空穴和单钼原子和周边六硫原子空穴。模型的建立与图3-1相同，仅仅只改变点缺陷的结构。每个模型具有相同的缺陷数目，且缺陷位置大致相同。在研究MoS2的层内相互作用时，选用多体反应经验键序(REBO)来实现，因为它能够清晰描述共价键合系统，并动

43、态捕获Mo-S键断裂和形成过程。在研究Pt基底原子间的相互作用时，使用嵌入原子法(EAM)电势描述基底中铂原子间的相互作用。在研究金刚石探针尖端、单层MoS2和Pt基底之间的相互作用时，使用Lennard-Jones (LJ)电势来描述C-S、C-Mo、C-Pt 、S-Pt和Mo-Pt之间的范德华力，其参数参见表1。表1仿真模型中各部分 LJ 势函数参数表ParameterMo-MoS-SMo-SMo-CS-C（eV）0.000585950.013860.00280.001280.006274（）4.23.133.6653.83.2653.2仿真方法在压痕过程中，金刚石探针针尖垂直于MoS2表

44、面和Pt基底的表面移动，而金刚石探针针尖在划痕过程中以固定的下压深度水平移动，如图3-2。时间步长取0.5 fs，压痕位移增量和划痕位移增量均取0.1。首先在NVT系综下将模型充分驰豫，使系统的能量达到最下化。驰豫阶段结束后，开始金刚石探针的模拟压痕过程，设置速度每秒20米，压痕过程中记录每个时间步下压痕信息。接着选定合适的压痕深度做划痕。考虑到探针针尖在划痕过程中的散热效应，模型以恒温器方案实现。为了捕捉足够的滑动距离，滑动速度必须在m/s水平以观察多个阶段的粘滑。考虑到热激活机制，金刚石探针针尖在压痕和划痕过程中以每秒20米的速度移动。为了使系统温度保持在300k，Langevin恒温器被

45、应用于MoS2和Pt的固定原子的特定区域。值得注意的是恒温器仅适用于远离接触区域的原子，以尽量减少数值恒温器对系统动力学的影响。压痕过程中下压距离为20，划痕过程中滑移距离为81，同时所有的仿真均在LAMMPS中进行，每个仿真重复三次，以确认结果的可靠性。最后使用OVITO(开放可视化工具)对纳米压痕和划痕进行可视化模拟。4驰豫与压痕4.1弛豫阶段在单层MoS2与Pt基底组合时，由于二硫化钼进行了拉伸处理，此时系统的平衡受到外界的作用而变为非平衡状态，为保证周期边界条件，需要这个系统再从非平衡状态过渡到新的平衡态，以保持模型的结构稳定。实验的仿真模型需要结构优化后才能紧接后续的计算，这个过程是

46、驰豫过程。驰豫法是测定快速反应动力学参数的一种常用实验方法，它以体系建立新的平衡状态作为讨论的基础，其突出的优点在于可以简化速率方程，它能用线性关系来表示，而与反应的级数无关。图4-1 驰豫处理后的单层MoS2和部分Pt基底，颜色表示原子高度通过弛豫后观察单层MoS2的原子形态，观察拉伸预应变对单层MoS2涨落程度的影响，对整个单层二硫化钼和部分Pt基底根据原子位置的高度进行着色，如图4-1所示。单层二硫化钼的弯曲模量25是9.61 eV，其中层S原子的弯曲模量是1.75 eV。同时单层二硫化钼比较厚，Mo原子和S原子之间的两两相互作用也贡献了弯曲模型为5.84 eV。单层二硫化钼中每层原子、

47、键作用和角作用都对弯曲模量有贡献。除此之外，二硫化钼原子之间存在共价键，增强了抗变形能力。外部单层MoS2与Pt基底的接触面相对平坦，也减少了二硫化钼的变形。从图中可以看出，预应变为0.01%的单层MoS2的表面形貌比较平坦，粗糙度较低，当其与Pt基底接触时形变较小，能达到实验仿真的要求和标准。4.2压痕阶段在研究点缺陷对二硫化钼摩擦学性能影响之前，先对预应变为0.01%的理想单层MoS2的原子纳米压痕过程进行了研究。如图4-2，在模拟压痕过程中，金刚石探针尖端作用于理想模型（无缺陷），其每个压痕步骤都记录了法向力变化，将探针尖端与衬底之间的引力等于斥力的位置，压痕深度预设为零。同时为了估计单分子MoS2的断裂程度，计算单层MoS2中断键数量。从图a-b中可以看出，压痕过程中金刚石探针作用在二硫化钼上的法向载荷力随压痕深度增加而增大，同时二硫化钼的断键书也随压痕深度增加而增多。在二硫化钼断键之前，曲线增长趋势较为平滑，没有观察到法向载荷力陡升陡降的情况。可能是因为刚性的基底存在和二硫化钼层数较少的原因，改变了二硫化钼在压痕过程中的受力情况和变形区域，使得二硫