纳米间隙薄膜润滑的界面滑移和摩擦特性

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随着机械制造技术和材料科学的发展,越来越广泛地使用具有超精表面的精密零件,其摩擦副间的润滑膜厚度常处于纳米级,此时宏观的摩擦学理论已不完全适用。因此研究纳米间隙中润滑剂的流动和摩擦特性具有重要的意义。本文采用MMS-2A磨损试验机,实验测量两固体铁壁面,在不同润滑剂下的摩擦系数,为后续研究提供依据。比较了COMPASS、OPLS-AA、PCFF、NERD-UA和Tra PP-UA等五种分子力场的计算精度。采用分子动力学(MD)方法编程模拟受限于纳米间隙中三种不同分子结构的润滑剂:正十六烷、角鲨烷(Squalane)和季戊四醇四酯(PETE)的薄膜润滑;研究在不同油膜厚度、剪切速度和压强下润滑剂的质量密度和流速分布等,探究纳米间隙中薄膜润滑的界面滑移和摩擦特性。同时,研究PETE润滑剂分别在两光滑铁壁面和两纳米级粗糙铁壁面间,不同压强下的密度和流速分布,并输出固体壁面在x向和z向的力学响应,探究其薄膜润滑机理。研究结果表明:正十六烷在Fe(100)晶面上的吸附能最大,能形成稳定的承载能力高的润滑油膜。随着压强的增加,体系高度明显下降,纳米间隙中润滑剂出现分层现象;随着油膜厚度减小,纳米间隙中润滑剂层状分布越明显,固化层密度越大,界面滑移也越明显。采用正十六烷润滑剂,当压强较小时,滑移因子S趋近于0,滑移较小;S随压强增大而快速增大;当压强超过500MPa时,S随压强增长缓慢;当压强超过1500MPa后,S接近1.0,出现完全滑动。当压强一定时,随着剪切速度V增大,体系高度Lz增加,平均密度ρ降低,润滑剂受到的剪应力τ增大,摩擦系数μ增大;当剪切速度V一定时,随着压强增大,润滑剂受到的剪应力τ增大,摩擦系数μ减小。当初始油膜厚度h0为62.3(?)时,光滑壁面和V型沟槽粗糙壁面的摩擦系数分别为0.161和0.150,V型沟槽有助于减小润滑系统的摩擦系数;当油膜厚度h0减小至41.1(?)时,V型沟槽粗糙壁面摩擦系数较大,为0.208,润滑状态从流体润滑转变为边界润滑。采用PETE润滑剂,当初始油膜厚度h0为62.3(?)、压强P为零时,由于固体壁面和润滑剂分子之间的粘附力,系统中也存在摩擦力即摩擦力偏量,其值为24.03 Kcal/(mole·(?))。本文的研究为采用分子动力学方法定量地预测纳米间隙润滑剂的密度分布和流速分布,动态适时地显示分子的运动和分布规律,克服实物实验无法测量高速加载时润滑剂的密度分布和分子运动规律,揭示边界滑移内在机制。
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