纳米铜颗粒添加剂粒径对润滑油摩擦性能影响的分子动力学和试验*

在润滑油中添加纳米颗粒可以有效减少摩擦磨损,大多数研究只集中在纳米颗粒的性质对摩擦性能的影响,很少考虑到颗粒粒径与表面粗糙度对摩擦性能的耦合作用。采用分子动力学（MD）模拟和试验的方法研究纳米铜颗粒添加剂粒径对润滑油摩擦性能的影响。建立具有凸峰和凹槽的粗糙壁面边界润滑MD模型,模拟300MPa下两固体壁面相对剪切速度为5 m/s时,5种粒径的纳米Cu颗粒分别在不同粗糙度壁面下的力学性能。定量计算出摩擦表面的应力、磨损量、摩擦力、正压力和摩擦热。同时,采用微纳米划痕仪测量含纳米Cu颗粒润滑油的摩擦因数。结果表明,颗粒的粒径和壁面粗糙度对润滑油的摩擦性能具有耦合作用;在剪切过程中纳米颗粒会填充壁面凹坑、形成保护膜、减少摩擦磨损、提高承载能力和降低壁面摩擦热。当壁面粗糙度较小、处于边界润滑状态时,Cu颗粒添加剂会增大体系的摩擦力;当壁面粗糙度较大、处于混合润滑状态时,Cu颗粒添加剂会减小体系的摩擦力;当颗粒粒径与壁面凹槽深度的比值D/h在1.05～1.12范围内,即颗粒直径略大于凹槽深度时,润滑油的摩擦性能最优,摩擦力和磨损量较小、油膜承载能力最大。分子动力学模拟和试验相结合,建立微纳观结构...     

铜表面纳尺度沟槽织构的摩擦学性能

目的 通过分子动力学（MD）模拟,揭示了纳尺度沟槽织构对单晶铜摩擦磨损的影响机理,为设计高耐磨超声电机（USM）定子材料提供理论指导方法 建立了金刚石-铜摩擦配副模型,首先研究了金刚石下压深度对铜基体摩擦学性能的影响,随后重点研究了铜表面沟槽织构的角度、深度、宽度对摩擦学性能的影响。通过提取摩擦过程中的摩擦因数、磨损原子数目、摩擦界面温度、体系能量、界面间相互作用力以及观察摩擦前后界面形貌变化,从原子尺度揭示沟槽织构对铜的减摩机理。结果 对于无织构铜表面,摩擦因数和磨损率等性能参数随着下压深度的增加而增加;有沟槽织构的铜表面,摩擦因数和磨损率相较于无沟槽织构有显著下降。在沟槽织构与摩擦方向成90°时,效果最佳,摩擦因数下降25%左右,磨损率下降50%。同时,摩擦因数和磨损率还随沟槽深度和宽度的增大而减小。其主要原因是：沟槽织构的引入,使得在金刚石和铜基体的摩擦过程中相互作用的原子数量明显减少,相互犁削和接触原子的数量也减少,从而导致摩擦因数、磨损率下降。结论 在铜表面进行沟槽织构化处理能够减少摩擦过程中的磨损,提高铜基体的耐磨性能。     

硬脂酸改性三氧化二铝表面润湿性的特性分析

目的 研究氧化铝经硬脂酸分子改性后的润湿行为,从表面改性角度探索聚合物自组装润湿性原理,进而制备出一种疏水性能良好的超疏水表面。方法 使用COMPASS力场进行分子动力学模拟,构建基于非键合粒子的Al2O3超晶胞模型体系,采用最速下降法和共轭梯度法进行优化,使所构建的模型在体系平衡下保持能量最小原则,并对其求解分析。进而基于模拟材料,通过两步喷涂法制备以改性纳米氧化铝为涂层的超疏水表面,观察表征特征,验证模型的正确性。最后从模拟构象、径向分布函数以及均方根位移方面分析氧化铝经硬脂酸分子改性前后水分子团簇在玻璃、氧化铝表面的微观润湿行为。结果 经硬脂酸改性后,氧化铝表面由亲水表面成为疏水表面。经分子动力学模拟表明,当硬脂酸浓度增加,每个硬脂酸的表面能由–110.5 kJ/mol变为–80.4 kJ/mol,硬脂酸分子降低了水分子团簇在玻璃和氧化铝表面的扩散系数,对疏水性的强弱有着重要的影响。结论 氧化铝颗粒与玻璃表面都具有强亲水性,且氧化铝对水分子的吸附能力要强于玻璃。硬脂酸能够降低氧化铝的表面能,且与纳米氧化铝发生化学反应后,将氧化铝由超亲水改性为超疏水。     

WC涂层纳米划痕过程中摩擦学性能及演化特征的分子动力学研究

为研究纳米划擦过程中WC涂层纳米级摩擦演化特征,利用大型原子/分子大规模并行模拟器建立了不同条件（载荷、划痕深度、划痕速度）下的分子动力学模拟模型。结果表明：摩擦力和摩擦系数随着划痕深度的增加而增大;当压头划擦试样时,沿划痕方向在压头前方及凹槽两侧的原子被挤压、剪切、堆积。瞬时摩擦曲线在初始阶段和稳定阶段表现出明显的摩擦学特征,摩擦过程中压头下方区域晶体出现错位、滑移、间隙或空位。随着划痕速度的增加,体系应变能超过原子间相互约束,原子突破约束,在划痕沟槽两侧堆积,堆积的表面形貌和外缘变得粗糙,亚表面晶体结构产生缺陷。本研究有助于在纳米尺度了解WC涂层摩擦过程的微观磨损机理。     

氨基酸缓蚀剂缓蚀机理分子模拟分析及发展趋势

采用量子化学和分子动力学计算方法可以得到表征缓蚀剂分子结构的一系列结构参数,并通过分析体系的结合能与对关联函数,可从微观上探讨其缓蚀机理,进而为设计及合成新型高效缓蚀剂提供有力的理论指导。并讨论了氨基酸缓蚀剂发展趋势。     

环氧树脂密度与二面角扭转能的仿真计算

基于COMPASS分子力场,利用分子动力学模拟方法和Materials Studio软件建立了低固化度交联耦合的双酚A型环氧树脂交联结构模型,并利用环氧树脂交联体系模型模拟计算了不同温度下交联环氧树脂的密度和二面角扭转能,以此预测了环氧树脂的玻璃化转变温度(Tg)。结果表明,计算得到的Tg与实验值具有良好的一致性,分子动力学模拟方法可以应用于复杂聚合物体系结构与性质的研究中。     

基于分子动力学模拟的C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶研究

采用分子动力学模拟的方法,选取Ca原子、H_2O分子、OH基团、Si_3O_(10)基团和Si_2AlO_(10)基团,构建C-S-H凝胶结构模型和C-A-S-H凝胶结构模型,对初始结构模型进行优化并进行动力学模拟,比较分析C-S-H凝胶体系和C-A-S-H凝胶体系的能量统计特征、温度变化、径向分布函数、均方根位移及力学性能等参数的异同,结合模拟的试验数据对其结构模型进行表征。结果表明,C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶模拟值与试验值较好吻合,C-A-S-H凝胶具有更好的性能,验证了所建结构的有效性。     

纳米结构表面液体沸腾传热的分子动力学模拟

为了从纳米尺度了解表面结构和润湿性对池沸腾液体与固体壁面的传热性能,本文采用分子动力学方法研究了超亲水至超疏水不同润湿性的液体氩在光滑表面和含凹、凸半球纳米结构表面的沸腾传热过程,分析了三种表面上液氩在受热过程的形态、温度、热流密度等相关参数的变化情况。结果表明,液氩层沸腾过程大致可分为液氩层吸附于固体表面和液氩层从壁面脱离两个加热阶段,当液氩层吸附于固体表面时,温度升高、热流密度及气态氩原子产生速度均大于液氩层脱离壁面时的情况,在这两个阶段亲水表面上氩原子温度变化有明显的拐点,而疏水表面在两个阶段加热过程相差不大。亲水表面上的微结构能吸附更多液氩原子,促进了气泡产生及加速温度、热流密度的变化,而在疏水及超疏水微结构表面,微纳结构与液氩间的气膜层促进了气泡产生,计算结果为池沸腾传热及微结构选择提供了理论依据。     

改性剂及高密度聚乙烯插层和剥离蒙脱石的分子动力学模拟

为研究高密度聚乙烯/有机改性蒙脱石（PE?HD/OMMT）复合材料中改性剂及PE?HD对蒙脱石（MMT）插层和剥离的影响,采用分子动力学方法模拟了OMMT中不同负载量的十八烷基三甲基氯化铵阳离子（OTAC⁺）在MMT中的排列方式以及对MMT插层的影响。此外,搭建了PE?HD/OMMT复合材料模型,编写MS Perl脚本提取了OTAC⁺与MMT和PE?HD之间的相互作用能来研究双螺杆挤出机机筒温度在463 K下对MMT剥离的影响。模拟结果表明,随着OTAC⁺负载量的提高,其在MMT片层中依次呈现为单层分布、双层分布和假三层分布;同时,OTAC⁺负载量的增加致使MMT的层间距有所增加,但MMT并未发生剥离;模拟时间在90~95 ps内时,PE?HD/OMMT复合材料模型中顶层和底层MMT间的相互作用能由-24.53 kcal/mol转变为3.54 kcal/mol,说明MMT发生了剥离,此时MMT的层间距为91 ?。