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1、摘 要二硫化钼是常见的润滑油和润滑脂，在恶劣的工作环境中有着性能优越的减摩、抗磨和极压性能。各种材料和机械设备使用二硫化钼做润滑剂后，显著提高了其耐磨寿命。正是由于二硫化钼有着极佳的摩擦性能，二硫化钼摩擦学性能的研究一直是相关领域的研究热点之一。本文简要分析了二硫化钼的发展历程，总结了点缺陷的结构和种类，并用模拟软件构建了单层MoS2的仿真模型。之后对模型中使用的周期性边界条件和势能函数的使用做了概念辨析和原理分析。详细介绍了建模的具体实现过程，并对点缺陷的结构进行深入探究。最后分子动力学思想利用结合LAMMPS模拟软件完成了摩擦的仿真实验。本文在仿真实验中详细的描述了实验过程，将实验分成了三
2、个驰豫、压痕和划痕三个步骤。其中利用划痕步骤探究点缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响。得到了不同类型的点缺陷对摩擦性能的影响是不同的，最主要的原因是点缺陷会降低二硫化钼结构的稳定性，加剧二硫化钼的变形，导致其减摩性能就越差。关键词：二硫化钼，摩擦学性能，点缺陷AbstractKey Words： Molybdenum disulfide, Tribological properties, Point defectMolybdenum disulphide is a common lubricating oil and grease, which has excellent anti-frictio
3、n, anti-wear and extreme pressure properties in harsh working environment.Various materials and mechanical equipment using molybdenum disulfide as lubricant, significantly improve its wear - resistant life.Because of the excellent tribological properties of molybdenum disulfide, the tribological pro
4、perties of molybdenum disulfide have been one of the research hotspots in the related fields.In this paper, the development course of molybdenum disulfide is briefly analyzed, the structure and types of point defects are summarized, and the simulation model of single-layer MoS2 is constructed with s
5、imulation software.Then the periodic boundary conditions used in the model and the use of potential energy function are analyzed.The concrete realization process of modeling is introduced in detail, and the structure of point defect is deeply explored.Finally, the friction simulation experiment was
6、completed by combining the molecular dynamics thought with the LAMMPS simulation software.This paper describes the experimental process in detail in the simulation experiment, and divides the experiment into three steps: relaxation, indentation and scratch.The influence of point defects on tribologi
7、cal properties of molybdenum disulfide was investigated by using scratch steps.It is concluded that the influence of different types of point defects on the friction performance is different, among which the larger the point defect vacancy is, the more defects there are, and the worse the anti-frict
8、ion performance of molybdenum disulfide will be.目 录摘 要IAbstractIII插图或附表清单VII注释说明清单IX1 引 言12 绪论32.1 课题背景与研究意义32.1.1课题背景32.1.2 研究意义42.2 二硫化钼的制备和发展现状42.2.1二硫化钼的制备42.2.2二硫化钼的发展现状52.3 二硫化钼的点缺陷62.4 分子动力学82.4.1纳米摩擦学的简介82.4.2分子动力学的基本思想92.4.3模拟软件LAMMPS102.5 原子间势102.5.1 Lennard-Jones势函数102.5.2 REBO势函数113模型和方法
9、123.1模型123.1.1边界条件123.1.2模型的建立123.2仿真方法144驰豫与压痕154.1弛豫阶段154.2压痕阶段165 划痕阶段195.1压痕深度对摩擦学性能影响195.2点缺陷对摩擦学性能影响216结论26参考文献样式：b标题 不编号27附录A 29在学取得成果31致 谢33插图或附表清单注释说明清单1 引 言由于二硫化钼具有很低摩擦系数，在恶劣环境下（真空或强辐射等）仍具有较好的润滑性能，所以机械处于高真空、高温、低温环境下经常使用二硫化钼做润滑剂，在轻重工业有着广泛的用途。为了制备性能加优异的二硫化钼润滑剂，所以二硫化钼的摩擦学性能研究一直是热点问题之一。本文结合分子动
10、力学(MD)计算和经典分子模拟代码（LAMMPS）来研究二硫化钼摩擦过程中点缺陷的影响机制，其中MD模拟中研究摩擦过程中二硫化钼的化学键的断裂情况和原子受力情况。采用Lennard-Jones (LJ)电势、嵌入原子法(EAM)电势和多体反应经验键序(REBO)电势来描述模拟模型中原子间的相互作用。同时，在原子水平上增加MoS2缺陷之间相的互作用机制的了解，以及加深缺陷对二硫化钼摩擦学性能的影响的分析，从而设计和合成可靠可预测的纳米二硫化钼润滑剂。这对减少机械器件的磨损，延长机械的使用寿命，节约能源等方面有重大意义。本文的绪论部分对二硫化钼的结构和用途进行了简单的描述，介绍了近年来二硫化钼的发
11、展状况和对润滑剂发展的影响，并提出了在纳米技术的发展背景下二硫化钼的应用空间更加广阔。同时也提到由于制备二硫化钼技术的局限，制备过程中会有结构的改变而造成缺陷形成。对点缺陷进行分类并简单分析了其物理性质，也提到了缺陷造成的影响不可避免的阻碍了行业的发展。所以需要充分的了解缺陷的形成过程和工作机制原理，以制备性能更加优异的二硫化钼润滑剂。接着对纳米摩擦学的基本思想和应用做了简单介绍，重点讲述了仿真实验相关的分子动力学知识，和模拟软件LAMMPS的基本运用。以及使用Lennard-Jones势函数(LJ势)和REBO势函数来描述原子间相互作用力。 本文的第三章重点讲述了模型的建立和仿真实验的思路。
12、首先是对周期性边界条件的类型分类，指出建立具有合理周期性边界模型的重要性；接着介绍单个模型的基本组成部分，对每个部分的组成和作用加以叙述；其次着重讲述了根据晶格和晶向的规律，建立符合周期性边界条件的模型。之后给出了各个部分原子间相互作用的势函数；最后描述了模型在仿真过程中的参数控制方法，包括体系温度、探针运行速度等。本文的第四章主要是对进行划痕仿真之前的工作准备。首先是驰豫阶段对模型的结构优化，保证整个单层MoS2表面平坦无褶皱，利于压痕和划痕操作。接着压痕阶段确定各个缺陷模型临界法向载荷，同时对临界法向载荷与缺陷类型的关系进行了简单的探究。本文的第五章主要内容是二硫化钼点缺陷对摩擦学性能影响
13、的仿真探究。第一步理想模型下研究不同压痕深度的滑移与摩擦力的关系，说明了压痕深度是探究点缺陷影响摩擦学性能的一个重要指标。接着将六个模型置于同一压痕深度下滑移记录摩擦力变化情况，然后对比与理想模型的摩擦力变化情况，对比分析存在缺陷时单层二硫化钼结构不稳定，更容易断键破裂导致润滑失效。本文的第六章主要是对仿真实验过程的总结，阐明在这次仿真实验过程中发现二硫化钼点缺陷对摩擦学性能影响的规律和见解，对二硫化钼润滑领域的的新贡献和意义。反思了实验的局限性和存在的问题，然后根据结果提出了新一步的设想。2 绪论2.1 课题背景与研究意义2.1.1课题背景二硫化钼是一种常见的二维材料，有着六方晶系层状结构1
14、。如图 2-1所示，其形状酷似“三明治”，由S-Mo-S原子堆垛而成。按照堆垛方式的不同可分为1T、2H和3R晶体构型2，其中以2H堆垛方式状态最为稳定。硫原子在两个六角形的平面上被钼原子平面隔开，其中Mo原子和S原子以六边形形状对称分布。层内是强的化学键作用，一个Mo原子与周围六个相邻的S原子以共价键形式结合，Mo-S键长约为2.42；层间是单层结构且附着力比较小，层与层之间的距离为0.65 nm，这些垂直堆叠原子层通过范德华相互作用结合在一起。由于二硫化钼这种独特的层状结构，使其具有良好的润滑功能3。 图2-1二硫化钼的2H 堆垛方式三维结构示意图二硫化钼用作润滑剂时，可制成润滑油和润滑脂
15、，有着减摩、抗磨和抗压的优异性能。它具有非常低的摩擦系数（0.030.06），高的屈服强度（3.45MPa），能在高温(350)和各种超低温条件下使用，在真空条件下甚0至可以在1200正常工作，特别在高速运转的机械部件中有着十分优良的润滑作用，在工业应用中有着十分重要的地位。机械设备的摩擦磨损会导致能源的大量消耗，同时也会导致机械设备的失效和损坏，从而降低设备的使用寿命，但润滑可以有效降低设备磨损、延长设备寿命4。MoS2因具有优秀的性能，使其在工业、电学和光学等领域有着广泛的应用价值，制备出高耐磨损，或高电子迁移率5的MoS2具有非常大的经济价值和军事国防价值，所以MoS2研究是非常有意义的。使用二硫化钼润滑剂后的各种材料和机械装备，其使用寿命明和性能明显增加。因此研究合成耐用、可靠和可预测的纳米二硫化钼润滑油添加剂一直是相关领域的研究重点6。2.1.2 研究意义随着纳米技术的不断发展，纳米化二硫化钼不仅增加其比表面积，还提高了它的吸附能力，使其展现出更佳的使用性能3。但是二硫化钼生产过程中自身存在的缺陷，其摩擦学性能明显受到材料纳米缺陷的影响。虽然缺陷本身尺度很小，却在一定范围内改变材料结构，显著的影响润滑效率7。然而在纳米尺度下缺陷是如何调控材料的结构、缺陷之间如何相
