论文推荐 | 中国科学院宁波所王立平所长团队：固体润滑涂层理论研究：从经典模型到量子力学计算

2025-02-20 13:49:32 作者：中国表面工程来源：中国表面工程分享至：

本文为中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室王立平所长团队撰写发表在《中国表面工程》2024年第37卷第6期的综述论文，题为“固体润滑涂层理论研究：从经典模型到量子力学计算”。

以层状材料为代表的固体润滑涂层如石墨、二硫化钼（MoS₂）等具有极低的摩擦因数和磨损速率，是当前优异的润滑材料。但是，摩擦作为典型的表界面过程，固体润滑涂层的性能在很大程度上会受到所处环境的影响，例如湿度等。由于试验方法在原位实时检测摩擦界面动态演变过程时会遇到极大的技术挑战，理论计算研究在揭示材料润滑行为和机制中起到越来越重要的作用。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室王立平所长团队在《中国表面工程》2024年第37卷第6期发表综述论文《固体润滑涂层理论研究：从经典模型到量子力学计算》，从经典的理论摩擦分析模型出发，在回顾这些模型构建思路的基础上，总结目前常用的原子级理论研究方法，包括经典分子动力学模拟、第一性原理静态势能面计算以及第一性原理分子动力学（AIMD）模拟。并且强调量子力学方法（第一性原理计算）在探索涉及复杂电子相互作用摩擦问题时不可替代的重要作用，由此基于自由能微分提出一种有效的 AIMD 模拟方法来精确模拟界面滑动过程，从而揭示摩擦性能演变的电子级起源。该方法还可以很好地结合机器学习力场加速，大幅增加模拟尺度并减少模拟时间。研究结果对理论模拟方法的总结和展望将有助于未来更好地探索材料在复杂环境下的微观润滑机制，并指导设计高性能润滑涂层。

引用格式

郝宇，黄良锋，王立平. 固体润滑涂层理论研究：从经典模型到量子力学计算[J]. 中国表面工程，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.

论文创新点

从经典的理论摩擦分析模型出发，系统回顾和总结了原子级理论研究方法，包括经典分子动力学模拟、第一性原理静态势能面计算以及第一性原理分子动力学（AIMD）模拟，并对这些方法的优势和适用性进行对比。

润滑材料和环境因子之间往往存在电子和原子级复杂的动态耦合过程，此时AIMD模拟研究在揭示相关机制时具有不可替代的作用，基于此，提出了一种“慢生长”模拟方法，其可以在量子力学层面精确模拟滑动过程，定量给出材料摩擦因数和零载荷剪切应力等重要性能衡量指标，并揭示性能变化的微观起源。

针对第一性原理分子动力学模拟计算速度慢的问题，展望未来机器学习力场对相关计算的加速作用，并进行相关测试来体现精度和速度的平衡。

重要结论

以层状材料为代表的固体润滑剂润滑性能很大程度上依赖于所处环境，而材料与环境的相互作用往往会涉及复杂的电子相互作用，包括衬底、缺陷、环境因子等之间的动态耦合过程以及电子传输。这些微观电子相互作用在传统的经典力学层面很难被彻底探明。在未来，更多的量子力学方法，尤其是综合了动力学信息的第一性原理分子动力学模拟方法，将在润滑材料—环境相互作用研究中起到越来越重要的作用。

本文所提出的“慢生长”方法可以在量子力学层面定量研究材料润滑性能，并与试验数据相比较，结合机器学习势函数加速，润滑材料所涉及的失效机制、降解机理、性能起源、能量耗散过程都有望被探明，在未来将获得更多的应用。而随着对摩擦过程相关机制理解的不断深入，对于环境适应性润滑材料的调控和设计也将变得越来越准确和有效。

课题组简介

论文主创

郝宇

2023年6月于中国科学院宁波材料技术与工程研究所取得博士学位。2023年7月~至今于宁波材料所从事博士后工作，入选国家资助博士后研究人员计划，合作导师为黄良锋研究员和王立平研究员。主要研究方向为苛刻环境下二维涂层性能演变机制的第一性原理研究。

黄良锋

目前在中国科学院宁波材料技术与工程研究所任职研究员岗位。2006年于东北大学取得学士学位，2012年于中国科学院固体物理研究所取得博士学位。2012~2014年在德国马克斯‒普朗克钢铁研究所从事博士后工作；2015-2018年在美国西北大学从事博士后工作。主要研究方向为利用第一性原理模拟方法揭示苛刻环境下合金及其防护涂层的氧化和腐蚀行为。

王立平

中国科学院宁波材料所所长，兼任浙江省科协副主席、宁波市市委委员，浙江省特级专家，国家杰出青年基金获得者。从事极端环境使役材料的理论与工程应用研究，研制的系列特种功能防护涂层材料在海洋工程、航天航空、核电等领域成功应用。获中国青年科技奖、中国五四青年奖章，入选国家高层次人才特殊支持计划和国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。研究成果获 2016 年国家技术发明二等奖、2020 年浙江省科技进步一等奖、首届全国创新争先奖和 2020 科学探索奖等。

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