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原子级磨损的理论计算——界面键合模型

磨损是摩擦学领域中一个古老而重要的课题，据统计约有80%的机器零部件因为磨损而失效。通常，材料的宏观磨损由Archard定律所描述，即磨损量比例于施加载荷和滑动距离。然而，Archard定律在本质上是一个经验的总结，人们并不清楚Archard定律所描述的磨损与载荷/滑动距离之间的线性关系背后的物理和化学起源。另外，纳米摩擦学在近些年获得了高速的发展，人们惊奇的发现有一部分纳米摩擦学实验结果符合Archard定律的描述，而另一部分实验结果却与Archard定律不一致，其规律令人捉摸不透。因此，现迫切需要一种可鲁棒地描述纳米尺度下材料磨损规律的非经验定律。为此申请人针对材料的原子级磨损，提出了关于磨损基元过程的“两步反应假设”（即界面化学键的形成和界面键合原子的脱离），然后结合了反应速率论和接触力学理论成功地建立了关于原子级磨损量的理论计算模型（我们称之为“界面键合模型”）。界面键合模型指出，Archard定律对于原子级磨损的适用情况取决于真实接触面积与载荷间的关系。随后我们针对两种不同接触状态的非晶碳基薄膜开展了大规模反应立场分子动力学模拟，成功地验证了界面键合模型的有效性（图1）。以上内容详见Advanced Science 8 (2021) 2002827.

关键词: 原子级磨损；界面键合；分子动力学模拟；非晶碳基薄膜