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集成计算材料工程在固体润滑材料的示例研究

摘 要: 2D固体润滑材料层间错配产生的摩尔纹可抵消滑移时层间侧向力、消除结构自锁，实现结构超滑（近零摩擦），是近年来的研究热点。目前摩尔纹的研究限于形成方式及几何因素与摩擦力关系，但摩尔纹的本质是改变电子分布、能带结构、原子间作用力，这些对润滑性的影响尚不明确。因此，基于密度泛函理论计算材料物性，从物理本质解释润滑机制是设计新型超滑材料的关键。本文基于重合点阵理论，开发了2D材料摩尔纹结构高通量建模软件^[1]，以典型2D润滑材料MoS₂为例，利用该软件选择三个转角结构（13.17°、21.79°和32.2°）。考虑到材料的耐磨性和抗氧化性，以21.79°和0°为基体分别掺杂Al、Ti、V、Cr原子，进行第一性原理计算。结果表明，摩尔纹尺寸、掺杂类型和电负性差耦合作用产生不同效果的晶格畸变，打破了层间范德华力与排斥力的平衡，使得电子重新分布，导致原子层发生周期性起伏变形。结合层间距和层间电子密度的变化，可预测润滑性变化趋势为 (Mo, Al)S₂ < (Mo, Cr)S₂ < MoS₂ < (Mo, Ti)S₂ < (Mo, V)S₂，与实验结果一致。同时，从能带理论的角度解释了晶格畸变对单层变形的影响，发现能带展宽与层内变形成指数关系、与层间距成正比关系。本工作阐明了摩尔纹、掺杂对润滑的作用机制，为建立电子结构-晶格畸变-摩擦力理论模型和高通量计算和试验的数据库平台^[2]奠定基础。