纳米尺度下铜锌合金摩擦和润滑行为研究

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铜锌合金具有优异的耐磨性能,是制造微小精密仪器的重要材料。由于微精仪器的零件尺寸较小,吸附效应与界面效应成为影响微机械零件摩擦学性能的主导因素,这对机械零件耐磨性能提出了更高要求。因此,深入了解纳米尺度下铜锌合金摩擦和润滑行为,对优化微/纳器件的设计与制造,提高微/纳器件的可靠性与寿命具有重要意义。本文采用分子动力学模拟的方法,从分子与原子尺度分析铜锌合金与正十六烷烃润滑膜间的摩擦和润滑行为。系统研究铜锌合金中锌含量和摩擦速度对正十六烷烃分子的微观结构特征和流变特性的影响,具体内容如下。(1)对模拟软件及相关模块进行了简介,论述了分子动力学的基本理论和条件设置。建立了微纳观尺度下铜锌合金的润滑与摩擦模型,阐述了系统模型的几何优化、退火及润滑摩擦过程。(2)探究了薄膜润滑的微观特性。建立了厚度30(?)正十六烷烃的薄膜润滑模型。研究表明,滑动剪切过程中,润滑膜呈现多层层状结构,十六烷烃分子在近界面处产生了吸附,而在润滑膜内部仍保持部分流体流动的特性。基于铜锌合金中锌含量对正十六烷烃润滑膜的吸附能力的研究,发现Cu Zn30与润滑膜间的吸附能最大,致使Cu Zn30与润滑膜的界面滑移程度最小。此外,合金层的摩擦速度对润滑膜结构分层影响较小,但合金层与润滑膜间的界面滑移程度和摩擦系数随着摩擦速度增加而增大,而润滑膜的剪切粘度随摩擦速度增加而减小。(3)在润滑膜厚度减小的基础上,建立了厚度20(?)正十六烷烃的边界润滑模型。结果表明,边界润滑中润滑膜同样呈现多层层状结构,分层结构更加明显,此时十六烷烃分子在润滑膜中间区域不存在液体流动的特性。相比薄膜润滑,铜锌合金与润滑膜间的界面滑移程度和摩擦系数较高,剪切粘度较低;铜锌合金中锌含量对这些结果的影响降低;合金层的摩擦速度对润滑膜结构分层、剪切粘度、界面滑移和摩擦系数保持相同影响趋势。(4)研究了混合润滑微观特性。结果表明,润滑膜在合金界面处的类固体性更加明显,且铜锌合金与润滑膜之间不存在界面滑移现象,这是由于粗糙峰带动润滑膜分子一起移动。此外,由于滑动过程中粗糙峰相互接触,产生了不同与薄膜润滑与边界润滑的形貌破坏和接触应力。粗糙峰之间的接触应力随着润滑膜分子数量的增加而减小,揭示了由于正十六烷烃润滑膜的存在,粗糙峰界面形貌得到保护而不被破坏的机理。
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