陈云飞教授课题组在摩擦学领域取得重要进展

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近日，东南大学机械工程学院陈云飞教授课题组在摩擦学领域取得重要进展，其研究成果以“Reexamination of Damping in Sliding Friction”为题发表在物理类顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上（链接：10.1103/PhysRevLett.132.056203）。

图(a) 原子力显微镜测试摩擦力的原理图，研究团队在国际上首次提出摩擦阻力与滑块振动速度成正比的声子摩擦模型；(b) 研究团队提出的声子摩擦模型准确地预测了原子力显微镜测试的摩擦力结果。

       摩擦生火标志着人类对热能的主动利用，帮助人类告别了茹毛饮血的蛮荒时代，进入现代文明。摩擦是由于两个物体之间相对运动引起的，因此，摩擦力也被认为是存在于摩擦界面的耗散力，将机械动能转化为不可逆的热，摩擦消耗全世界一次能源的1/3左右。
       摩擦的研究可以追溯到文艺复兴时期，达芬奇、阿摩托和库伦等人提出了著名的摩擦三定律，即滑动摩擦力仅依赖载荷大小，与接触面积无关，也与相对滑动速度无关。这种对摩擦力的描述并不是从第一性原理出发推导出的定律，而是对摩擦现象的经验总结。
        随着测量仪器精度的不断提高，越来越多的研究结果显示摩擦三定律是不准确的。例如在滑动速度较低时，摩擦力会随着滑动速度的增加呈现上升趋势，但是在滑动速度较高时摩擦力会出现速度弱化现象。迄今，没有一个理论模型可以预测摩擦力，摩擦力的大小和摩擦诱导的振动与噪声仍捉摸不定。
        陈云飞教授课题组在国家自然科学基金持续资助下，经过二十多年的研究，发现界面力并不是耗散力。滑动摩擦过程中界面相互作用力只是将机械动能转化为弹性体的弹性势能，是一个机械能守恒的过程，这种势能不断累积，直到超过特定的阈值，然后以声子的形式将部分累积的势能释放，能量耗散是发生在整个弹形体，而不仅仅局限在摩擦界面，整个弹性体的能量耗散可以用等效的材料阻尼进行描述。因此，滑动摩擦的阻尼与弹性体的振动速度成正比，而不是传统模型中假设的“与两滑动界面的相对速度成正比”。在此基础上，团队提出声子摩擦模型可以预测摩擦力显微镜测量的摩擦力，也得到了分子动力学仿真模型的验证。基于声子摩擦模型也可以解释长期令人们困惑的摩擦学现象，例如：在地震发生时摩擦力速度弱化问题和工程实践中观察到的摩擦力对弹簧刚度的依赖性等。
       研究团队的工作颠覆了人们关于摩擦力是界面上耗散力这个传统认知，提出的声子摩擦模型不仅加深了人们对摩擦耗能机理的认识，而且对摩擦的主动调控、机械振动噪声的主动控制及地震的预测预报等具有重要意义。
       摩擦学和声子输运的主动调控是陈云飞教授的主要研究方向，探索摩擦过程中的能量耗散机理以及通过干预能量耗散过程来主动控制机械振动噪声和热量传输等。前期相关成果还发表于Physical Review B 108,214313(2023)、Nature,615(7950),E1-E2（2023）、Science,382 (6676),1265-1269（2023）、ACS Applied Materials & Interfaces 15,45516-45525(2023)、Friction 11, 966-976(2023)、Nano Letters 21,4615-4621(2021)、Journal of Applied Physics 127,015105(2020)、Nano Letters 15,4704-4712(2015)等国际期刊上。论文第一作者为博士生黄书玉、副教授魏志勇、博士后段早琦和博士生孙承栋，东南大学陈云飞教授和美国范德比尔特大学Deyu Li教授是通讯作者。该研究成果得到国家自然科学基金（52035003,52127811, 52175161,51705074,51575104，59805003）、国家重点研发计划、江苏省博士后基金和唐仲英基金会等的支持。
       文章来源：东南大学
       陈云飞，2009年度国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者奖励计划特聘教授，入选江苏省第三期“333高层次人才培养工程”第三层次和江苏省第四期“333高层次人才培养工程”第二层次。主要从事微纳医疗器械、微纳机电系统等方面的研究工作。做为第一负责人主持完成国家自然科学基金7项，其中5项被评为优，江苏省自然科学基金3项、863MEMS重大专项1项、国家重大基础研究计划1项。目前主持国家自然科学基金重点项目1项，国家重大基础研究计划1项。在《Nature Nanotechnology》《Nano Letters》等国际学术刊物发表SCI收录学术论文100多篇，其中SCI他引4000多次。