１億原子系トライボ化学反応シミュレータの開発と超低摩耗実現のための理論基盤の構築

开发亿级原子摩擦化学反应模拟器并构建实现超低磨损的理论基础

基本信息

批准号：
21H01235
负责人：
久保百司
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

省エネルギー対策に対する強い要請から、自動車を始めとする機械産業において、超低摩擦・超低摩耗技術の実現が急務の課題となっている。そこで本研究では、化学反応を解明可能な反応分子動力学法を発展させ、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なシミュレータを開発し、「化学反応」と「機械的摩擦」が複雑に絡みあった摩耗現象の解明を可能とすることで、超低摩耗を実現するためのトライボ化学反応の制御基盤と学理を構築することを目的とした。本年度は、昨年度に開発した数百万原子系でトライボ化学反応を解明可能な並列化反応分子動力学シミュレータの高速化を実現し、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なトライボ化学反応シミュレータを開発した。さらに当初の予定にはなかったが、近年、第一原理分子動力学法に匹敵する高精度計算を実現しながら、第一原理分子動力学法では不可能な数万原子系の化学反応ダイナミクスを扱えるとして注目されているニューラルネットワークポテンシャル(NNP)に基づく分子動力学シミュレータをも開発した。また開発したNNPに基づく分子動力学シミュレータを活用し、シリコンナイトライドの水潤滑プロセスについて検討を行い、水とシリコンナイトライドがトライボ化学反応を起こすことで、アンモニア分子とコロイダルシリカを生成する摩耗現象を明らかにした。この結果は、研究分担者の実験結果と合致している。実験研究としては、当初の予定通り、水潤滑における超低摩擦現象と超低摩耗現象の研究を実施した。DLCのプラズマ支援化学気相蒸着とSiCのスパッタリングによる物理気相蒸着の同時成膜により形成したSiC-DLC膜が、ステンレス鋼SUS304を相手材として、水潤滑において摩擦係数0.05以下の低摩擦を実現することを明らかにした。その時、SUS304表面にはSiとCによる親水性に富む潤滑膜が自己形成されることも明らかにした。

由于节能措施的强烈需求，实现超低摩擦和超低磨损技术已成为汽车等机械行业迫切需要解决的问题。因此，在这项研究中，我们开发了一种可以阐明化学反应的反应分子动力学方法，并开发了一个可以阐明一亿原子系统中摩擦化学反应的模拟器，目的是通过使阐明相互交织的磨损现象成为可能。构建摩擦化学反应的控制基础和理论，实现超低磨损。今年，我们将加速去年开发的可阐明数百万个原子系统中的摩擦化学反应的并行反应分子动力学模拟器，并将开发可阐明1亿个原子系统中的摩擦化学反应的摩擦化学反应模拟器。发达。此外，虽然原本没有计划，但近年来我们已经实现了堪比第一性原理分子动力学方法的高精度计算，同时还分析了数万个原子中化学反应的动力学，这是第一性原理不可能实现的我们还开发了基于神经网络势（NNP）的分子动力学模拟器，它因其处理神经网络势（NNP）的能力而受到关注。此外，利用开发的基于NNP的分子动力学模拟器，我们研究了氮化硅的水润滑过程，发现水和氮化硅之间的摩擦化学反应产生氨分子和胶体二氧化硅的磨损现象。这一结果与共同研究员的实验结果一致。实验研究方面，我们按照原计划对水润滑中的超低摩擦和超低磨损现象进行了研究。通过等离子体辅助化学气相沉积DLC和使用SiC溅射的物理气相沉积同时沉积而形成的SiC-DLC膜，以不锈钢SUS304作为配合材料，在水润滑中实现了摩擦系数为0.05以下的低摩擦。会的。此时，还发现在SUS304表面上自形成了由Si和C形成的高亲水性润滑膜。