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范德华异质结构摩擦行为研究

基于范德华异质结材料的结构超滑技术因其近零摩擦和零磨损特性被认为有望从根本上解决工业摩擦磨损难题并催生一大批颠覆性技术，然而界面变形、边缘悬键和界面夹杂等因素使得结构超滑技术局限于微纳米尺度，限制了其实际应用。围绕这一瓶颈问题，本工作聚焦于建立多尺度力学模型、发展高效计算方法来揭示上述因素影响范德华异质结构摩擦行为的机理，提出了实现大尺度超滑的理论方案。具体研究成果如下：(1) 建立了可描述二维材料面外变形的跨尺度弹簧-铰链模型和描述化学基团复杂变形的广义Prandtl-Tomlinson (PT)模型，揭示了界面复杂弹性变形影响摩擦的机制；(2) 建立了考虑界面力-化学耦合的统一摩擦理论框架，并给出了其在复杂外界条件下影响摩擦的解析解，预测的摩擦性质和多种材料体系的实验结果吻合良好；(3) 发展了可准确模拟范德华异质结构层间摩擦行为的高效计算方法。研究成果弥补了现有摩擦理论模型和计算方法无法描述界面复杂弹性变形、界面力-化学耦合以及界面夹杂影响范德华异质结构摩擦行为的不足，使得从理论上指导大尺度超滑体系设计成为可能，为进一步研究复杂界面的摩擦磨损机理奠定了基础。