雙鐵塊約束的2納米顆粒(金剛石和二氧化硅)摩擦學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬

1、雙鐵塊約束的2納米顆粒（金剛石和二氧化硅）摩擦學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬關(guān)鍵詞：金剛石納米顆粒二氧化硅納米顆粒分子動(dòng)力學(xué)摩擦學(xué)行為摘要 通過分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)金剛石和二氧化硅（SiO 2）納米粒子的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了檢查；四例模擬。在低速和低負(fù)載下，納米顆粒把兩個(gè)塊彼此分離，并起著球軸承的作用。由于行動(dòng)的納米顆粒，塑料變形，溫度分布，和摩擦力均得到改善。然而，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，變形，進(jìn)而引起滾動(dòng)效應(yīng)的損失，會(huì)產(chǎn)生納米SiO 2顆粒的破碎。沒有納米粒子，傳輸層在高速和低負(fù)載形成。這2納米顆粒提供了一定時(shí)間的支撐。然而，在高的速度和高負(fù)載，在一個(gè)短的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)這些納米粒子的支持效果變遺失。引言 添加納米顆粒大

2、小為1120納米的潤(rùn)滑油作為減摩抗磨添加劑在最近幾年已收到顯著的注意。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各種納米粒子如金屬，金屬氧化物，硫化物，非金屬和稀土可以提高減摩抗磨性能的潤(rùn)滑油。然而，這些納米粒子的潤(rùn)滑機(jī)制仍不能被完全理解。 這些潤(rùn)滑機(jī)制目前主要通過實(shí)驗(yàn)方法研究。事實(shí)上，研究人員已經(jīng)提出了幾種機(jī)制，這些機(jī)制是基于掃描電子顯微鏡圖像和能量色散譜譜的磨損表面的分析。這些機(jī)制包括：（一）（a）滾動(dòng)摩擦（b）第三體材料（c）表面保護(hù)膜和（d）自修復(fù)效應(yīng)。然而，這些機(jī)制是揣摩性的，即，僅僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但缺乏理論支持與直接證據(jù)。表示，一般試驗(yàn)中的潤(rùn)滑狀態(tài)是邊界潤(rùn)滑，薄膜潤(rùn)滑，和彈流潤(rùn)滑。此外，納米粒子的潤(rùn)滑機(jī)理隨著

3、潤(rùn)滑狀態(tài)的變化而變化。還有關(guān)于導(dǎo)致減摩抗磨納米潤(rùn)滑表面的主導(dǎo)機(jī)制沒有達(dá)成共識(shí)。例如，ghaednia和杰克遜是不確定是否納米粒子，可以轉(zhuǎn)動(dòng)可以起到納米球軸承的作用，可能會(huì)引起磨粒磨損，或在粗糙的頂部形成tribolayers。周和李質(zhì)疑是否真的是納米金剛石顆粒真的會(huì)表現(xiàn)出滾珠軸承的作用。這些問題是不容易解決的實(shí)驗(yàn)。因此，對(duì)于他們的決心，額外的研究方法是必不可少的。 對(duì)于納米摩擦學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法一般是認(rèn)為是一個(gè)非常有用的補(bǔ)充工具。在原子水平上，許多研究已經(jīng)報(bào)道了詳細(xì)的摩擦過程，這是通過使用分子動(dòng)力學(xué)方法的結(jié)果。納米粒子的減摩抗磨機(jī)理的幾個(gè)MD模擬已進(jìn)行了。例如，鋁等。通過對(duì)不

4、同壓力下納米顆粒的運(yùn)動(dòng)分析。研究了銅-氬納米流體在固體平板間的摩擦行為然而，對(duì)摩擦系統(tǒng)的機(jī)械性能沒有進(jìn)行研究。在以前的工作中，我們模擬了納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑劑膜的流變性能的影響。但是對(duì)納米粒子對(duì)摩擦副的機(jī)械性能的影響效果不予考慮。最近，我們研究了軟納米粒子（銅）對(duì)的固體接觸的摩擦表面的影響。結(jié)果表明，在低速狀態(tài)下，銅摩擦表面上形成的納米薄膜具有良好的潤(rùn)滑性能。雖然很有用，但這些研究并沒有說明納米粒子潤(rùn)滑機(jī)理。潤(rùn)滑機(jī)制將不同納米粒子類型。然而，研究所有納米粒子的摩擦學(xué)性能是不切實(shí)際的，對(duì)這樣的研究調(diào)查，將其分類為軟和硬粒子代表一種更有效的執(zhí)行方式。因此，在這項(xiàng)工作中，我們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究硬質(zhì)粒子

5、的摩擦過程。金剛石、二氧化硅（SiO 2）是兩種典型的硬顆粒和許多實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道由于他們的加入，摩擦性能有良好的改善。作為潤(rùn)滑劑添加劑，這些納米粒子的潤(rùn)滑機(jī)制，表現(xiàn)出類似的的特點(diǎn)，即：（A）他們作為上十億的粒子摩在擦表面之間滾動(dòng)和（B）他們分開兩摩擦面，防止直接接觸。然而，由于兩者的原子種類、結(jié)構(gòu)和硬度的不同，其摩擦學(xué)性能也有所不同。納米SiO 2是廉價(jià)的，具有很好地親和力。我們相信，納米SiO 2顆粒替代納米金剛石顆粒僅在某些潤(rùn)滑條件下是可行的。為了解決這個(gè)問題，我們將比較兩納米顆粒的摩擦學(xué)行為。納米顆粒在邊界和混合潤(rùn)滑條件表現(xiàn)最有效。在混合和邊界潤(rùn)滑條件下，摩擦表面總是有固體之間的接觸，從而

6、導(dǎo)致局部表面破碎。這個(gè)納米顆粒在摩擦表面上的改善潤(rùn)滑效果是抗磨減摩性能的必要。因此，在這項(xiàng)工作中，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究硬納米顆粒（金剛石和SiO 2）對(duì)摩擦表面間的固體接觸的影響。模型與仿真2.1模型設(shè)置模擬系統(tǒng)的快照如圖1所示。兩個(gè)類似的鐵（鐵）塊作為摩擦副。當(dāng)沒有納米粒子，兩塊彼此直接接觸（圖1a）。然后一個(gè)半徑為15Å納米粒子放被在兩塊之間（圖1b），防止直接接觸。這個(gè)納米粒子是自由移動(dòng)，沒有人工約束。周期性邊界條件的施加在x和z方向。正如在我們以前的研究中，塊包括六層，即：剛性層（1、6），恒溫層（2、5）和自由可變形層（3、4）。此外為了固定溫度在300K Nose-Ho

7、over貼在恒溫層，各剛性層由靜止的原子組成，而由于原子間的作用力，在自由變形層不受約束和自由移動(dòng)。在相反方向上的2個(gè)剛性層滑動(dòng)速度為V，正常負(fù)載（對(duì)）施加在上剛性層，較低的剛性層在y方向是固定不動(dòng)的。2.2分子動(dòng)力學(xué) 鐵原子之間的相互作用是通過嵌入原子方法（EAM）勢(shì)能。EAM可以能夠很好地描述金屬系統(tǒng)的性能。研究中使用的EAM勢(shì)能參數(shù)由邦尼等人開發(fā)。一個(gè)元素間勢(shì)能采用碳碳（CC）相互作用。BKS勢(shì)能采用SiO 2納米顆粒。2.4e硅原子和氧原子-1.2e的部分電荷用于BKS勢(shì)能為了提供靜電相互作用。SiO 2的BKS勢(shì)參數(shù)潛在的價(jià)值可以在工作發(fā)現(xiàn)。在表1給出的12-6蘭納-瓊斯勢(shì)的勢(shì)參數(shù)把

8、FeC，F(xiàn)eSi，F(xiàn)eO之間的相互作用模型化。2.3。模擬程序模擬使用經(jīng)典的開放源MD LAMMPS代碼。采取了三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)仿真。首先，該系統(tǒng)被放寬為200皮秒和達(dá)到平衡狀態(tài)。在這一步，規(guī)范集成（NVT）適用于恒溫器和自由變形層，即分別為層（2，5）和（3，4），然后這個(gè)負(fù)載力P逐漸施加到上剛性層，我們?cè)倨胶庀到y(tǒng)。這種再平衡的過程中，圖1。而無納米仿真系統(tǒng)快照（a）與硬顆粒系統(tǒng)（金剛石和SiO 2）（b）。在納米SiO 2紫色和青色點(diǎn)分別代表硅原子和氧原子。（對(duì)參考圖中的色彩圖例的解釋，讀者可以參考用于自由變形層NVT系綜的網(wǎng)絡(luò)版本，它轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒄齽t系綜（NVE）。然后在相反的方向上拉上下剛性

9、層，速度V；滑動(dòng)摩擦在1600 ps時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在這項(xiàng)研究中，我們使用速度Verlet算法計(jì)算原子的運(yùn)動(dòng)；用于模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為0.002皮秒。在滑動(dòng)模擬，通過監(jiān)測(cè)z方向力對(duì)摩擦的演變進(jìn)行跟蹤，則要求保持剛性層的恒速。表1倫納德瓊斯能量（）和距離（）Fe，Si，O，C 圖1。納米仿真系統(tǒng)快照（A）與硬顆粒系統(tǒng)（金剛石和SiO 2）（B）。在SiO 2納米粒子的紫色和青色點(diǎn)分別代表硅和氧原子，結(jié)果與討論 在我們以前的工作，我們發(fā)現(xiàn)，納米顆粒改善摩擦性能的機(jī)制隨滑動(dòng)速度變化而變化。在這項(xiàng)研究中，金剛石和SiO 2納米粒子的摩擦學(xué)性能也將基于低速和高速進(jìn)行分析。3.1.低速摩擦狀態(tài)被認(rèn)為是一個(gè)滑動(dòng)速度

10、為10米/秒。3.1.1.低載荷下的摩擦過程 圖2顯示了在500兆帕的低負(fù)荷下發(fā)生的摩擦狀態(tài)。選定的原子（藍(lán)色和紅色的原子）在2塊中賦予不同的顏色，以顯示在滑動(dòng)過程中的塑性變形和界面滑移。在納米粒子的情況下，通過施加一個(gè)正常的負(fù)載使2塊被連接（接觸）。由于剪切應(yīng)力導(dǎo)致直的標(biāo)記成為彎曲，具有典型的變形微結(jié)構(gòu)形成在這兩個(gè)塊中。硬質(zhì)納米顆粒（金剛石和SiO 2）加入使兩個(gè)塊彼此分離。這與陶等，彭等和mochalin等人的發(fā)現(xiàn)是一致的。這些人提出，兩個(gè)納米顆粒把摩擦面分開，從而防止他們的直接接觸。在滑動(dòng)摩擦過程中標(biāo)記保持直線，表明摩擦副僅輕微變形。摩擦副表面的直接接觸與塑性變形應(yīng)引起粘著疲勞和接觸疲勞

11、。因此，硬質(zhì)納米顆粒（圖2）的摩擦行為可降低磨損率，改善磨損表面形貌。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作為潤(rùn)滑油添加劑，兩納米顆粒減少磨損，平滑磨損表面超過純基礎(chǔ)油的性能。分析標(biāo)記（黃原子）的納米顆粒的位移顯示，兩個(gè)納米粒子在摩擦表面之間起到球軸承的作用。此外，繪圖繞X軸的角速度（圖3）表明，大部分的滑動(dòng)過程納米粒子向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。這為納米顆粒抗磨減摩機(jī)理提供了直接證據(jù)，即球形納米顆粒很容易在摩擦表面之間滾動(dòng)，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)和滾動(dòng)的混合摩擦。 圖4顯示了2納米顆粒對(duì)摩擦表面形態(tài)的影響。隨著滑動(dòng)時(shí)間的增加形成的凹槽，證明了2納米顆粒在滾動(dòng)摩擦過程中具有切削作用。在邊界潤(rùn)滑條件下，摩擦表面的固體接觸

12、主要由粗糙接觸產(chǎn)生。這些粗糙被穿透接觸面積的納米顆粒磨光。因此，兩者的切割作用有利于改善粗糙表面形態(tài)。陶等，彭等，周等，伊萬諾夫等，與新航等。這些人提出的在摩擦表面鉆石和SiO 2也會(huì)產(chǎn)生拋光作用。事實(shí)上，在摩擦試驗(yàn)后測(cè)試材料和摩擦表面的測(cè)試配置文件表明，摩擦表面之間加金剛石和SiO 2納米顆粒潤(rùn)滑比試驗(yàn)材料更光滑。因此，在邊界潤(rùn)滑條件下，兩個(gè)硬質(zhì)納米顆粒對(duì)摩擦表面有拋光效果。 固體接觸表面的溫度分布對(duì)摩擦學(xué)特性有重要影響。這是通過將系統(tǒng)沿Y軸分成若干層，確定溫度分布，并計(jì)算各層的平均溫度。圖5顯示是在滑動(dòng)時(shí)間為400 ps內(nèi)沿y方向的溫度分布。由于避免了摩擦副的直接接觸，含有兩硬質(zhì)納米顆粒系

13、統(tǒng)比沒有納米顆粒的配對(duì)物具有較低的溫度。沒有納米粒子，自由變形層的溫度由于嚴(yán)重的剪切變形上升顯著。這表明，硬納米顆粒添加潤(rùn)滑油對(duì)減少摩擦副的溫度是有效的。這一發(fā)現(xiàn)與伊萬諾夫等人以前的實(shí)驗(yàn)研究一致。監(jiān)測(cè)摩擦副的溫度發(fā)現(xiàn)，相比于基礎(chǔ)油，當(dāng)納米金剛石作為潤(rùn)滑油添加劑時(shí)，摩擦表面的溫度將降低100oC。此外，劉等人發(fā)現(xiàn)，超細(xì)金剛石導(dǎo)致摩擦表面本體溫度的降低。3.1.2高載荷下的摩擦過程 圖6比較了金剛石和SiO 2納米顆粒在1000 MPa高負(fù)載下的摩擦狀態(tài)。為了便于觀察，在圖中沒有顯示上塊。在低負(fù)載情況下，兩顆粒分離塊和摩擦副表現(xiàn)出只有少量的塑性變形。此外，由于其高硬度，金剛石納米顆粒的形狀在高負(fù)載

14、下保持不變。相比之下，納米SiO 2在高壓力下被粉碎。納米顆粒上的標(biāo)記（黃原子）的位移證實(shí)，在摩擦表面之間，金剛石納米粒子仍然作為一個(gè)球軸承。然而，變形引起的滾動(dòng)效應(yīng)的損失發(fā)生在SiO 2納米顆粒情況下。一在高負(fù)載的情況下繞X軸的角速度圖（圖7）表明，SiO 2納米顆粒幾乎沒有平均角速度。因此，在高負(fù)載下，SiO 2納米顆粒的摩擦狀態(tài)是由完全滑動(dòng)摩擦構(gòu)成；這不同于在低負(fù)載條件下摩擦狀態(tài)。此外，SiO 2納米顆粒被壓進(jìn)下塊并隨之移動(dòng)，因此在摩擦表面無槽溝（圖6）。3.1.3摩擦力圖8中繪制的是摩擦力。在我們以前的研究，我們發(fā)現(xiàn)，沒有納米粒子的500MPa的負(fù)載導(dǎo)致的摩擦力大約5 GPa。如圖8所

15、示，摩擦力因金剛石和SiO 2納米顆粒的加入顯著降低。然而，無論在低和高負(fù)載下添加劑為金剛石的摩擦力都小于SiO 2的。這種差異從更小的相互作用強(qiáng)度的鐵-碳與鐵-硅和鐵-氧相比中得出結(jié)果（表1）。此外，由于變形行為，SiO 2納米顆粒和塊體間的接觸面積大于金剛石納米顆粒。在高負(fù)載條件下，金剛石轉(zhuǎn)化滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，而SiO 2的摩擦狀態(tài)則被描述為純滑動(dòng)摩擦。摩擦副的溫度升高是由于摩擦功率，這是表示作為關(guān)于摩擦力和滑動(dòng)速度的一個(gè)函數(shù)。因此，金剛石納米顆粒的加入導(dǎo)致鐵塊降低的溫度比SiO 2納米顆粒的添加要低，如圖5.所示。3.2高速摩擦狀態(tài) 還考慮了500米/秒的高速滑動(dòng)速度的摩擦狀態(tài)。這種速

16、度比在該速度向滑動(dòng)接觸時(shí)的摩擦力發(fā)生的速度弱化過渡還要高。3.2.1.低載荷下的摩擦過程我們?cè)趫D9和圖10顯示在500 MPa低負(fù)荷下，金剛石和SiO 2納米顆粒的摩擦過程。在納米粒子中的標(biāo)記（黃色的原子），揭示兩納米顆粒的滾動(dòng)效果。無納米顆粒，劇烈改變的材料區(qū)域（即，傳輸層）形成相鄰的2塊的界面，如圖9所示。Rigney等人，哈默伯格等人，基姆等，還報(bào)道了一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)移層的形成。在我們以前的工作，當(dāng)一個(gè)軟納米粒子（銅）加入時(shí)一個(gè)穩(wěn)定的傳輸層也形成了。然而，使用兩個(gè)硬納米顆粒遏制產(chǎn)生的摩擦狀態(tài)，防止在高速狀態(tài)下塊的直接接觸。當(dāng)金剛石納米粒子被添加，形成的傳輸層阻礙了整個(gè)摩擦過程。圖10顯示了Si

17、O 2納米顆粒僅僅在最初狀態(tài)下防止兩塊的直接接觸。然而，兩塊的直接接觸的滑動(dòng)時(shí)間高于1100ps，導(dǎo)致的傳輸層的形成。這說明金剛石納米顆粒對(duì)提高高速摩擦學(xué)性能比SiO 2納米顆粒更有效。這種在摩擦學(xué)性能上的差異由對(duì)負(fù)載反應(yīng)不同導(dǎo)致；即，SiO 2納米顆粒在載荷作用下變形（圖10），而金剛石納米顆粒沒有任何變形。此外，鐵-硅和鐵-氧相互作用力是高于鐵-碳（表1）。因此，SiO 2納米顆粒導(dǎo)致摩擦表面的更嚴(yán)重的塑性變形，切削深度也比其相對(duì)物金剛石增長(zhǎng)地要快。因此，在1100皮秒的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)2個(gè)塊直接接觸（圖10），從而導(dǎo)致在界面附近傳輸層的形成。 圖11顯示了在800ps的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)溫度分布在這過

18、程中，納米顆粒對(duì)塊都提供了極好的支持。林等人，基姆等，和卡菲等人。以前報(bào)道，在中間區(qū)域（傳輸層）時(shí)，沒有納米粒子的溫度急劇上升。與沒有納米粒子的情況下相比，兩納米顆粒的加入導(dǎo)致的溫度分布的一個(gè)顯著的改善。3.2.2.高載荷下的摩擦過程 隨著負(fù)載的增加，摩擦狀態(tài)發(fā)生顯著變化。圖12顯示了兩納米粒子在1000 MPa高負(fù)荷下的摩擦過程。兩個(gè)納米粒子被限制在傳輸層，只有在很短的滑動(dòng)時(shí)間后傳輸層便形成。由于納米顆粒的切削深度快速增加，層的形成被加速（相比降低負(fù)載，例如，500兆帕）。塑性變形，納米化，非晶化，摩擦發(fā)熱，和非平衡材料的流動(dòng)現(xiàn)象是在摩擦作用中轉(zhuǎn)移層的共同特征。這些特點(diǎn)對(duì)滑動(dòng)系統(tǒng)的摩擦和磨損性能有相當(dāng)大的影響。此外，轉(zhuǎn)移層的摩擦學(xué)性能可能被限制其中的硬納米顆粒所影響。在今后的工作中，這種可能性將被測(cè)試?？偨Y(jié)在這項(xiàng)工作中，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了兩硬質(zhì)納米顆粒的摩擦性能（金剛石和SiO 2）揭示了控制他們抗磨減摩性能的機(jī)制。從這項(xiàng)研究中可以得出以下結(jié)論：（1）2納米顆粒的摩擦學(xué)行為在低載荷（500兆帕）和低滑動(dòng)速度（10米/秒）之間具有相當(dāng)?shù)南嗨菩?。兩塊被金剛石和SiO 2納米顆粒分開，摩擦副只是稍微變形。這導(dǎo)致了溫度分布與摩擦力的改進(jìn)。將納米顆粒起到球軸承的作用，并將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)和滾動(dòng)的混合摩擦。對(duì)形態(tài)變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，硬質(zhì)納米粒子