混合烷烃纳米润滑的分子动力学模拟

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随着精密制造的不断发展,在各种精密仪器及设备当中,对摩擦与润滑设计的要求也在不断提高。当摩擦与润滑达到纳米级别时,连续介质理论对润滑材料的润滑特性的描述将不再完全适用,而分子动力学理论此时发挥着重要的作用,在纳米尺度下润滑材料的润滑特性主要是用分子间作用力来描述,已有大量实验与理论研究表明分子动力学理论在研究摩擦与润滑领域有着明显的优势,包括直观性、高效性以及能在许多实际实验达不到的极端条件下进行研究。目前,许多关于摩擦与润滑的分子动力学研究主要局限于单一的烷烃材料,而实际当中润滑剂是混合材料,所以对混合烷烃的润滑特性进行分子动力学研究有重要意义。本研究借助于分子动力学研究软件LAMMPS和Materials studio,建立了全原子纳米润滑模型,通过比较,选择了适合于该研究的力场和方法并验证了所选力场及方法的准确性。最终使用所选力场和方法对由正十六烷(C16H34)、环己烷(C6H12)和2,2,4-三甲基己烷(C9H20)三种烷烃混合而成的润滑剂进行了不同工况下的润滑特性研究,还比较了混合烷烃与三种单一烷烃在相同工况下的优缺点,最终得出以下结论:(1)混合烷烃在承受压力载荷时会出现密度分层的现象,不同润滑层中靠近壁面的润滑层密度最高,出现类固性,处于内部的润滑层依然符合连续介质理论。压力载荷升高还会导致摩擦力、粘度的急剧增加。边界处的润滑剂分子的吸附能也会随压力的升高而上升,但是内部分子的吸附能基本不变。另外,只有当压力达到1000 MPa时才会出现边界滑移现象,但是并不明显。(2)当温度升高时,润滑膜三个润滑层的密度没有显著变化,润滑剂的粘度呈下降趋势,而摩擦力和边界处的分子吸附能则呈上升趋势,内部分子的吸附能基本不变,也没有出现滑移现象。(3)壁面速度载荷的升高只会影响摩擦力和粘度,对润滑剂密度、吸附能、壁面滑移并没有影响。摩擦力随速度的升高而增加,但上升幅度较小。粘度则是随着速度载荷的升高而上升,没有出现剪切稀化的现象。(4)润滑膜的初始厚度对润滑特性也有影响。初始厚度越大,润滑剂分层现象越不明显,相同载荷下的摩擦力、粘度越小,但吸附能并不受影响。(5)混合烷烃相比于单一烷烃而言润滑性能更好,因为混合烷烃能弱化单一烷烃的缺点,而体现它们的优点;主要体现为混合烷烃承载能力仅次于环己烷;承载状态下粘度低于单一烷烃;摩擦力适中;边界处剪切应力最低,能有效地避免润滑失效。
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