第一原理分子動力学法に基づくトライボ反応シミュレータの開発と自動車用潤滑剤の設計

基于第一性原理分子动力学方法的摩擦反应模拟器开发及车用润滑油设计

基本信息

批准号：
22360065
负责人：
久保百司
金额：
$ 7.9万
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：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、省エネルギー対策、地球温暖化対策に対する強い要請から、摩擦・摩耗・潤滑、いわゆるトライボロジーに関する社会的要求が厳しさを増している。具体的に自動車業界では、エンジン出力エネルギーの約30%が摩擦に消費されていることから、エンジンオイル用フリクション低減剤、摩耗防止剤の高性能化によるエンジン摺動部の低摩擦化・高耐摩耗性化の実現が社会的に急務の課題となっている。特に上記課題には迅速な対応が求められることから、実験研究に加え、理論的添加剤設計手法の確立が望まれている。そこで本研究では、経験的なパラメータを使用せずに電子状態計算を行うことが可能な第一原理計算手法に基づき、トライボ反応ダイナミクスを解明することが可能なトライボ反応シミュレータの開発を目的とした。また、近年の実験研究により、摩擦下における電子放出、いわゆるエキソエレクトロン現象がトライボケミカル反応に大きな影響を与えることが知られている。そこで本研究ではエキソエレクトロン現象を解明可能な第一原理分子動力学シミュレータの開発をも目的とした。初年度は、当研究室で開発済みのGaussian & Fourier Transform(GFT)法に基づく第一原理分子動力学計算プログラムに対して、摩擦プロセスのシミュレーションが可能な機能を追加することで、第一原理分子動力学法に基づくトライボ反応シミュレータを開発した。具体的には、2枚の基板で挟まれた潤滑膜に対して、片方の基板のみをスライドさせることで、摩擦プロセスにおける化学反応シミュレーションを可能とした。さらに、開発プログラムを活用することで、ダイヤモンドライクカーボンの摩擦プロセスにおける電子状態ダイナミクスを解明することに成功した。その結果、ダイヤモンドライクカーボンを水素終端することで、低摩擦を実現できることを明らかにした。

近年来，由于对节能措施和全球变暖对策的强烈需求，社会对摩擦、磨损和润滑（即所谓的摩擦学）的要求变得更加严格。具体来说，在汽车工业中，大约30%的发动机输出能量被摩擦消耗，因此需要改进发动机油的减摩剂和抗磨剂，以减少摩擦并提高发动机滑动部件的耐久性，从而实现耐磨性。成为紧迫的社会问题。特别是，由于需要迅速应对上述问题，因此除了实验研究之外，还需要建立理论增材设计方法。因此，在本研究中，我们的目标是开发一种摩擦反应模拟器，它可以基于第一性原理计算方法来阐明摩擦反应动力学，该方法允许在不使用经验参数的情况下进行电子结构计算。此外，最近的实验研究表明，摩擦下的电子发射，即所谓的外电子现象，对摩擦化学反应有很大影响。因此，本研究旨在开发一种能够阐明外电子现象的第一原理分子动力学模拟器。第一年，我们将在基于高斯和傅立叶变换（GFT）方法的第一性原理分子动力学计算程序中添加一个可以模拟摩擦过程的功能，我们实验室已经开发了摩擦反应模拟器。基于分子动力学方法。具体来说，通过仅使一个基底在夹在两个基底之间的润滑膜上滑动，就可以模拟摩擦过程中的化学反应。此外，通过利用开发的程序，他们成功地阐明了类金刚石碳摩擦过程中的电子态动力学。结果表明，通过用氢封端类金刚石碳可以实现低摩擦。