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論文推薦 | 中國科學院寧波所王立平所長團隊：固體潤滑涂層理論研究：從經典模型到量子力學計算

2025-02-20 13:49:32 作者：中國表面工程來源：中國表面工程分享至：

本文為中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料重點實驗室王立平所長團隊撰寫發表在《中國表面工程》2024年第37卷第6期的綜述論文，題為“固體潤滑涂層理論研究：從經典模型到量子力學計算”。

以層狀材料為代表的固體潤滑涂層如石墨、二硫化鉬（MoS₂）等具有極低的摩擦因數和磨損速率，是當前優異的潤滑材料。但是，摩擦作為典型的表界面過程，固體潤滑涂層的性能在很大程度上會受到所處環境的影響，例如濕度等。由于試驗方法在原位實時檢測摩擦界面動態演變過程時會遇到極大的技術挑戰，理論計算研究在揭示材料潤滑行為和機制中起到越來越重要的作用。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料重點實驗室王立平所長團隊在《中國表面工程》2024年第37卷第6期發表綜述論文《固體潤滑涂層理論研究：從經典模型到量子力學計算》，從經典的理論摩擦分析模型出發，在回顧這些模型構建思路的基礎上，總結目前常用的原子級理論研究方法，包括經典分子動力學模擬、第一性原理靜態勢能面計算以及第一性原理分子動力學（AIMD）模擬。并且強調量子力學方法（第一性原理計算）在探索涉及復雜電子相互作用摩擦問題時不可替代的重要作用，由此基于自由能微分提出一種有效的 AIMD 模擬方法來精確模擬界面滑動過程，從而揭示摩擦性能演變的電子級起源。該方法還可以很好地結合機器學習力場加速，大幅增加模擬尺度并減少模擬時間。研究結果對理論模擬方法的總結和展望將有助于未來更好地探索材料在復雜環境下的微觀潤滑機制，并指導設計高性能潤滑涂層。

引用格式

郝宇，黃良鋒，王立平. 固體潤滑涂層理論研究：從經典模型到量子力學計算[J]. 中國表面工程，2024，37(6)：64-78.

HAO Yu, HUANG Liangfeng, WANG Liping. Theoretical Research on Solid Lubrication Coatings: From Classical Models to Quantum-mechanical Simulations[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(6): 64-78.

論文創新點

從經典的理論摩擦分析模型出發，系統回顧和總結了原子級理論研究方法，包括經典分子動力學模擬、第一性原理靜態勢能面計算以及第一性原理分子動力學（AIMD）模擬，并對這些方法的優勢和適用性進行對比。

潤滑材料和環境因子之間往往存在電子和原子級復雜的動態耦合過程，此時AIMD模擬研究在揭示相關機制時具有不可替代的作用，基于此，提出了一種“慢生長”模擬方法，其可以在量子力學層面精確模擬滑動過程，定量給出材料摩擦因數和零載荷剪切應力等重要性能衡量指標，并揭示性能變化的微觀起源。

針對第一性原理分子動力學模擬計算速度慢的問題，展望未來機器學習力場對相關計算的加速作用，并進行相關測試來體現精度和速度的平衡。

重要結論

以層狀材料為代表的固體潤滑劑潤滑性能很大程度上依賴于所處環境，而材料與環境的相互作用往往會涉及復雜的電子相互作用，包括襯底、缺陷、環境因子等之間的動態耦合過程以及電子傳輸。這些微觀電子相互作用在傳統的經典力學層面很難被徹底探明。在未來，更多的量子力學方法，尤其是綜合了動力學信息的第一性原理分子動力學模擬方法，將在潤滑材料—環境相互作用研究中起到越來越重要的作用。

本文所提出的“慢生長”方法可以在量子力學層面定量研究材料潤滑性能，并與試驗數據相比較，結合機器學習勢函數加速，潤滑材料所涉及的失效機制、降解機理、性能起源、能量耗散過程都有望被探明，在未來將獲得更多的應用。而隨著對摩擦過程相關機制理解的不斷深入，對于環境適應性潤滑材料的調控和設計也將變得越來越準確和有效。

課題組簡介

論文主創

郝宇

2023年6月于中國科學院寧波材料技術與工程研究所取得博士學位。2023年7月~至今于寧波材料所從事博士后工作，入選國家資助博士后研究人員計劃，合作導師為黃良鋒研究員和王立平研究員。主要研究方向為苛刻環境下二維涂層性能演變機制的第一性原理研究。

黃良鋒

目前在中國科學院寧波材料技術與工程研究所任職研究員崗位。2006年于東北大學取得學士學位，2012年于中國科學院固體物理研究所取得博士學位。2012~2014年在德國馬克斯?普朗克鋼鐵研究所從事博士后工作；2015-2018年在美國西北大學從事博士后工作。主要研究方向為利用第一性原理模擬方法揭示苛刻環境下合金及其防護涂層的氧化和腐蝕行為。

王立平

中國科學院寧波材料所所長，兼任浙江省科協副主席、寧波市市委委員，浙江省特級專家，國家杰出青年基金獲得者。從事極端環境使役材料的理論與工程應用研究，研制的系列特種功能防護涂層材料在海洋工程、航天航空、核電等領域成功應用。獲中國青年科技獎、中國五四青年獎章，入選國家高層次人才特殊支持計劃和國家百千萬人才工程，被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號。研究成果獲 2016 年國家技術發明二等獎、2020 年浙江省科技進步一等獎、首屆全國創新爭先獎和 2020 科學探索獎等。

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