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通过分子动力学模拟研究了石墨烯/C60/石墨烯夹心结构的摩擦学特性 。 计算了夹层结构的摩擦系数 ， 该结构由石墨烯层和单个C60膜层组成 ， 即C60面心立方晶体的{111单层 。 通过用三种不同的表面粗糙度值（0?、2.5?和5?）涂覆金刚石表面 ， 可以明确考虑表面粗糙度对摩擦学性能的影响 。 结果表明夹层结构在所有情况下都具有超低摩擦系数 。 对于1-8GPa范围内的负载压力 ， 预测的摩擦系数为μ<0.01 。 夹心结构将石墨烯的出色强度和低摩擦系数与C60分子的纳米轴承特性相结合 。 这些模拟结果表明 ， 石墨烯/C60/石墨烯夹层结构为真实（粗糙）表面提供了超低摩擦、坚固和耐磨的涂层 。
一、简介
摩擦学是一个不断发展的研究领域 ， 与具有运动部件的机械系统直接相关 ， 其性能高度依赖于其表面的摩擦学特性 。 减少摩擦直接导致能源节约 ， 最大限度地减少材料损失和降解 ， 具有显着的经济和环境效益 。 特别是 ， 纳米摩擦学对于微纳机电设备(MEMS/NEMS)的性能至关重要 。 在过去的十年中 ， 石墨烯由于其独特而出色的性能和有前景的应用而在材料界引起了广泛关注 ， 例如如太阳能、生物传感器、海水淡化等 。 特别是 ， 石墨烯的摩擦学特性表明其作为MEMS和NEMS的低摩擦超薄保护涂层的潜在应用 。 然而 ， 石墨烯和其他低摩擦涂层的应用所必需的纳米级摩擦学性能评估是一项具有挑战性的任务 。 最近 ， 在理解导致摩擦和磨损的原子过程方面取得了很大进展 。 特别是 ， 最近对石墨烯和其他二维材料的摩擦学特性有了很多了解 。 实验与该地区最近的模拟工作相结合 ， 最终阐明了单一和多重粗糙摩擦的难以捉摸的机制 。
摩擦学的计算工作已经在该领域取得了重大进展 ， 特别是在涉及碳纳米材料的系统中 ， 例如C60和石墨烯 ， 已知这些材料具有低摩擦性 。 一个有趣的系统可以通过用石墨烯或石墨层限制一层C60薄膜来构建 。 据报道 ， 石墨烯上的C60分子可以单层密堆积排列生长 。 Miura等人是第一个对石墨烯/C60/石墨烯系统的摩擦学进行实验研究的人 。 他们报告了超润滑性 ， 并建议C60可以有效地充当分子轴承 。 他们将观察到的低摩擦与AB堆积和粘滑运动的形成联系起来 。 Kang等人使用分子动力学研究了Miura等人报告的相同系统 ， 并证实C60的作用类似于分子轴承 ， 在滑动时在石墨烯上显示滚动运动 。 他们报告说 ， 通过保持C60形状 ， 即使在高负载下也可以保持系统的超低摩擦 。 为此 ， 他们建议在C60分子中插入K+离子并进行计算以证明这是一种有效的方法 。 Legoas等人基于分子动力学模拟提出了石墨烯/C60/石墨烯系统显示的超低摩擦的另一种观点 。 与石墨相比 ， 他们将超低摩擦与C60单层和两个石墨烯层之间范德华相互作用的减少联系起来 。 Sasaki等人报道了基于分子静态计算的石墨烯/C60/石墨烯系统摩擦学的综合研究 。 他们的计算表明 ， 沿石墨烯之字形方向的摩擦几乎为零 。 他们建议需要进一步的工作来阐明温度、C60分子的弹性以及其他影响实际应用中摩擦系数的因素的综合影响 。 应该注意的是 ， 目前正在评估其他基于石墨烯的夹层复合结构的不同应用 ， 例如腐蚀保护和电池 。
在这项工作中 ， 我们通过研究系统在各种压力载荷下的稳定性和沿[101 ˉ0
方向 。 结果表明 ， 事实上石墨烯/C60/石墨烯系统是一种适用于实际应用的坚固的超低摩擦涂层 。
2.方法
我们使用LAMMPS进行分子动力学模拟 。 金刚石、石墨烯和C60分子中碳原子之间的原子间力使用AIREBO势计算 。 C60薄膜层由C60面心立方(FCC)晶体的密堆积层组成 。 FCC晶体的晶格常数为14.4? ， 层取向为[1ˉ10
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