【摘 要】
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高分子及其复合材料以其轻质、耐腐蚀和摩擦系数小等优点而越来越多地应用于自润滑关节轴承、齿轮、轴承等基础零部件中。因此,高分子复合材料的力学性能和摩擦学性能直接影响着基础零部件的服役性能和使用寿命。高分子复合材料在复杂的工况下服役时,通常伴随着化学键的断裂与生成,这必然会对材料自身的力学性能和摩擦学性能产生影响。因此,本文以聚四氟乙烯（PTFE）及PTFE/石墨烯复合材料为例研究了其分子结构变化对其
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高分子及其复合材料以其轻质、耐腐蚀和摩擦系数小等优点而越来越多地应用于自润滑关节轴承、齿轮、轴承等基础零部件中。因此,高分子复合材料的力学性能和摩擦学性能直接影响着基础零部件的服役性能和使用寿命。高分子复合材料在复杂的工况下服役时,通常伴随着化学键的断裂与生成,这必然会对材料自身的力学性能和摩擦学性能产生影响。因此,本文以聚四氟乙烯（PTFE）及PTFE/石墨烯复合材料为例研究了其分子结构变化对其力学性能和摩擦学性能的影响。本文构建了PTFE单链、石墨烯、F-石墨烯和CF3-石墨烯分子模型。基于第一性原理方法分析了体系能量、电子局域函数（ELF）分布、电荷差分密度（EDD）、应力、能隙等随拉伸和压缩应变的变化规律,从而确定了PTFE/石墨烯复合材料内各原子间的成/断键临界长度。基于分子模拟基本理论构建了PTFE、石墨烯分子模型及其含有缺陷的分子模型。通过将第一性原理方法计算所得的PTFE及PTFE/石墨烯复合材料中各原子间的成/断键临界长度嵌入到分子模型中,分析了PTFE及PTFE/石墨烯复合材料,及其含有缺陷的分子模型在压缩过程中的分子结构动态变化过程。通过对压缩后的分子模型进行拉伸模拟,研究了压缩过程导致的成/断键对PTFE及PTFE/石墨烯复合材料力学性能的影响。基于分子动力学方法构建了含有三层石墨烯的PTFE/石墨烯复合材料。将PTFE/石墨烯复合材料与Fe组合,形成Fe-PTFE/石墨烯复合材料-Fe摩擦模型。通过改变上层Fe所受载荷,得到考虑成/断键时的摩擦系数和磨损深度随载荷的变化规律。此外,本文通过分析摩擦过程中石墨烯与PTFE之间的切向相互作用和法向相互作用,得到了石墨烯在PTFE中运动对Fe与PTFE/石墨烯复合材料之间的摩擦力和法向力的影响。
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