分子動力學(xué)模擬研究礦物基礎(chǔ)油潤滑性能

李義雅， 龍 軍， 段慶華， 代振宇， 趙 毅， 蘇 朔

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院， 北京 100083)

分子動力學(xué)模擬研究礦物基礎(chǔ)油潤滑性能

李義雅， 龍 軍， 段慶華， 代振宇， 趙 毅， 蘇 朔

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院， 北京 100083)

采用分子動力學(xué)(MD)模擬方法，以十四烷基環(huán)己烷為模型化合物，主要從烴分子與Fe(110)表面的吸附能以及烴分子之間的作用能2個方面，研究了礦物基礎(chǔ)油分子在Fe(110)表面的潤滑作用，并比較了烴分子結(jié)構(gòu)及溫度對潤滑作用的影響。結(jié)果表明，烴分子與Fe(110)表面的吸附能遠(yuǎn)大于烴分子之間的作用能，因而能形成穩(wěn)定的潤滑油膜，這2種作用能主要來源于范德華作用。穩(wěn)定潤滑狀態(tài)下，烴分子水平分布的吸附能比豎直分布的大，更容易水平分布在Fe(110)表面。不同結(jié)構(gòu)烴分子之間的作用能不同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，環(huán)烷烴，直鏈烷烴，異構(gòu)烷烴；不同結(jié)構(gòu)烴分子與Fe(110)表面的吸附能也不相同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，直鏈烷烴，環(huán)烷烴，異構(gòu)烷烴；這2種作用能均隨溫度的升高而降低，使?jié)櫥湍さ姆€(wěn)定性下降。

基礎(chǔ)油；潤滑性能；分子動力學(xué)模擬；吸附能；分子間作用能

固體表面不是絕對平整光滑的，即使經(jīng)過精密加工的機(jī)械零件表面也存在許多微小的凸起和凹谷。當(dāng)表面作相對運(yùn)動時，固體表面要克服金屬表面間的黏附作用，又要克服粗糙微凸體引起的機(jī)械變形阻力，從而產(chǎn)生摩擦[1]。伴隨著摩擦還會產(chǎn)生多種形式的磨損，引起機(jī)械部件的損壞。據(jù)估計，世界上一次能源大約1/3消耗于摩擦，約有80%的設(shè)備損壞是由于各種形式的磨損引起的[2]。為減少摩擦磨損帶來的經(jīng)濟(jì)損失，最大限度地減少摩擦阻力、降低機(jī)械磨損是一項(xiàng)社會經(jīng)濟(jì)效益課題。目前，改善摩擦磨損的主要形式有材料加工、表面改性和薄膜技術(shù)[3]，薄膜技術(shù)包含固體膜、半固體膜、液體膜和氣體膜，液體膜中最重要也最常用的是潤滑油，潤滑油大約占總潤滑材料的85%。

潤滑油可以在金屬表面間形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，避免2個金屬表面的直接接觸，從而發(fā)揮減摩抗磨作用。用潤滑油層較小的內(nèi)摩擦代替摩擦系數(shù)較大的金屬表面摩擦，發(fā)揮減摩作用。潤滑油由基礎(chǔ)油和多種功能添加劑組成，基礎(chǔ)油是其主要組分，占潤滑油成分的90%以上，決定潤滑油的基本性質(zhì)。基礎(chǔ)油主要分為礦物基礎(chǔ)油、合成基礎(chǔ)油和生物基礎(chǔ)油[4]，其中礦物基礎(chǔ)油的應(yīng)用最為廣泛，大約占95%以上。

礦物基礎(chǔ)油的主要組成為C20～C40的直鏈烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。潤滑油發(fā)揮潤滑作用的關(guān)鍵是形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，保護(hù)膜的穩(wěn)定性與2個因素有關(guān)，一是保護(hù)膜分子與金屬表面間的吸附作用，另一個是保護(hù)膜體相分子之間的作用，這2個作用越強(qiáng)，保護(hù)膜越穩(wěn)定。同時，若要發(fā)揮減摩作用，保護(hù)膜的內(nèi)摩擦力也應(yīng)較低，內(nèi)摩擦力的大小也與分子間作用能相關(guān)。目前，對潤滑性能的研究，主要是通過摩擦試驗(yàn)機(jī)和四球機(jī)等模擬試驗(yàn)，得到摩擦系數(shù)、磨斑直徑和最大無卡咬負(fù)荷等性能參數(shù)，以此來說明潤滑油的減摩抗磨效果[5-9]。而這些方法難以研究微觀的吸附作用和分子間作用，因此需要用新的方法來研究分子水平的本質(zhì)作用。

分子模擬是隨著量子化學(xué)理論和計算機(jī)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展的一種計算化學(xué)方法，可以研究物質(zhì)在原子分子水平的物理和化學(xué)性質(zhì)。該方法作為一種重要的研究手段，在礦物基礎(chǔ)油研究領(lǐng)域已經(jīng)有了一定應(yīng)用。Jabbarzadeh等[10]用分子動力學(xué)研究C30烷烴支化度對潤滑膜的影響，結(jié)果表明，支化度越高，分子越不容易成膜，黏度也越高，并且表面剪切速率增高時，直鏈分子的黏度降低較多，而高支化度分子的黏度沒有明顯變化。Liu等[11]用非平衡分子動力學(xué)方法計算了潤滑油的剪切黏度與溫度和壓力的關(guān)系，壓力/黏度系數(shù)符合實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，可以用該系數(shù)預(yù)測基礎(chǔ)油黏度與壓力的關(guān)系。但是，目前對礦物基礎(chǔ)油潤滑作用的機(jī)理還缺乏深入細(xì)致的研究。筆者采用分子動力學(xué)方法，以含有20個碳原子的十四烷基環(huán)己烷以及直鏈烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴為模型化合物，研究礦物基礎(chǔ)油在Fe(110) 表面間的潤滑作用機(jī)理，分析烴分子在潤滑平衡態(tài)下的構(gòu)型，考察溫度和分子結(jié)構(gòu)對礦物基礎(chǔ)油潤滑作用的影響。

1 分子動力學(xué)計算方法

1.1 計算模型和參數(shù)

礦物基礎(chǔ)油的理想組分是少環(huán)長側(cè)鏈的烴類，其碳數(shù)分布在C20～C40。為提高計算效率，選擇含有20個碳原子的十四烷基環(huán)己烷為模型化合物研究礦物基礎(chǔ)油的潤滑性能，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。為比較礦物基礎(chǔ)油中不同分子結(jié)構(gòu)的影響，選擇C20的4種結(jié)構(gòu)為模型化合物，分別為直鏈烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，結(jié)構(gòu)如圖1(b)～1(e)所示。

圖1 礦物基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of mineral base oil (a) Tetradecylcyclohexane; (b) n-Eicosane;(c) 2,6,11,15-Tetramethyl hexadecane;(d) 2-Decyl decahydronaphthalene; (e) 2-Decyl naphthalene

由于Fe(110)表面是生長速率最慢的表面，在Fe晶體中所占比例最高，選擇Fe(110)表面為金屬表面。構(gòu)建表面體系的大小為2.9789 nm×2.9789 nm×1.2245 nm，厚度為7層，表面層俯視圖如圖2(a)所示，側(cè)視圖如圖2(b)所示。

圖2 Fe(110)表面模型Fig.2 The model of Fe(110) surfaces (a) Vertical view; (b) Side view

計算過程采用Materials Studio 8.0中的Forcite模塊，力場為COMPASSⅡ，靜電作用和范德華作用的非鍵截斷均采用Ewald算法。分子動力學(xué)模擬過程中，計算的時間步長均為1.0×10-15s，有關(guān)壓力和溫度的控制函數(shù)分別采用Berendsen和Nose方法。

1.2 模擬過程

先用幾何優(yōu)化和分子動力學(xué)平衡找到十四烷基環(huán)己烷分子的最低能量構(gòu)象，以該構(gòu)象為計算模型，采用Amorphous Cell建立含有50個分子、密度為0.4 g/mL的無定形晶胞。用等溫等壓系綜(NPT)在20℃下，對該晶胞進(jìn)行退火及動力學(xué)平衡計算，平衡后統(tǒng)計計算得到該溫度下晶胞的密度為0.8107 g/mL，實(shí)驗(yàn)值為0.8258 g/mL，兩者相近，說明選擇的參數(shù)合理。采用同樣的方法，計算全部5種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)油分子在25℃下的密度，分別為0.8201、0.7791、0.7820、0.8526、0.9157 g/mL。

采用Build Layers工具，以上述構(gòu)建的 Fe(110)表面為層，搭建含有上下2個Fe表面、中間有2.5 nm真空層的模型。在該模型上添加Connolly表面，采用Amorphous Cell的Packing方法，按照上述計算的密度，在真空層添加5種不同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)油分子。為避免2個周期性結(jié)構(gòu)之間作用的影響，在Fe(110)上表面添加3 nm的真空層，最終搭建的潤滑模型如圖3所示。

對于十四烷基環(huán)己烷分子搭建的潤滑模型，在25℃下，用微正則系綜(NVT)對分子層作模擬時間為2.0×10-10s的動力學(xué)弛豫，使體系充分平衡。然后用受限剪切(Confined Shear)方法，上下2個Fe(110)表面為限定層，沿x軸方向相對運(yùn)動，中間的烴分子層作剪切運(yùn)動，總模擬時間為1.5×10-9s。對于其它4種基礎(chǔ)油分子搭建的模型，為考察溫度對潤滑油膜穩(wěn)定性的影響，分別在25、75、100、150、200、250、300、350、400℃條件下，用NVT系綜對烴分子層作模擬時間為2.0×10-10s的動力學(xué)弛豫。對平衡后的體系，計算烴分子層與Fe(110)表面的吸附能，以及烴分子之間的作用能。

圖3 潤滑體系模型Fig.3 The model of the lubricant system

不同結(jié)構(gòu)分子與Fe(110)表面的吸附能可通過公式(1)計算，分子間作用能用Cohesive Energy Density計算，其分子間作用能的定義為公式(2)。

Eads=Etotal,1-(Emolecule+Esurface)

(1)

Einter=Etotal,2-Eintra

(2)

式(1)、(2)中，Eads為烴分子層與Fe(110)表面的吸附能，Etotal,1為潤滑模型總能量，Emolecule為烴分子層的能量，Esurface為無烴分子時Fe(110)表面的能量；Einter為烴分子層的分子間作用能，Etotal,2為烴分子層總能量，與Emolecule代表的意義相同，計算方法不同，Emolecule是用Energy計算得到的，Etotal,2是計算體系的內(nèi)聚能密度(CED)時得到的，Eintra為烴分子的內(nèi)能，單位均為kJ/mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 十四烷基環(huán)己烷的潤滑作用

采用受限剪切模擬十四烷基環(huán)己烷在Fe(110)表面間的剪切運(yùn)動，可觀察烴分子在表面間的微觀運(yùn)動。分析分子在表面間的濃度分布，計算吸附能和分子間作用能的大小和具體組成，并比較剪切運(yùn)動對這些參數(shù)的影響，可以得到烴分子發(fā)揮潤滑作用的本質(zhì)來源，深入認(rèn)識礦物基礎(chǔ)油的潤滑作用。

圖4為受限剪切過程中不同時間下潤滑體系的構(gòu)型。由圖4可以觀察到，當(dāng)上下Fe(110)表面沿水平方向相對運(yùn)動時，烴分子在水平方向作剪切運(yùn)動，體系的摩擦為烴分子之間的摩擦。計算剪切前后基礎(chǔ)油分子沿豎直方向在Fe(110)表面間的相對濃度分布，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，分子的濃度在潤滑模型豎直方向的1.2 nm和3.7 nm附近最高，兩者之間位置的濃度相對較低，并且剪切前后的濃度變化不大。根據(jù)搭建模型的大小，1.2 nm和3.7 nm附近是模型中Fe(110)表面的下層表面和上層表面，兩者之間為烴分子。由此可以得到，在剪切運(yùn)動前后，烴分子在上下Fe(110)表面的濃度均遠(yuǎn)大于體相中的濃度。說明烴分子可以穩(wěn)定吸附在Fe(110)表面，并且剪切運(yùn)動不會破壞這種吸附作用，運(yùn)動過程中能夠用烴分子較小的分子內(nèi)摩擦代替較大的Fe(110)表面間摩擦，發(fā)揮減摩作用。

圖4 不同模擬時間(tm)下潤滑體系的構(gòu)型Fig.4 The configuration of lubricant system at different simulation time (tm)tm/s: (a) 0; (b) 5.0×10-10; (c) 1.0×10-9; (d) 1.5×10-9

圖5 剪切前后十四烷基環(huán)己烷在Fe(110)表面間的相對濃度分布Fig.5 Relative concentration distribution of Fe(110) surfaces of tetradecylcyclohexane before and after shearing

為研究十四烷基環(huán)己烷分子與Fe(110)表面的吸附能及烴分子之間的作用能本質(zhì)，分析了2種作用能的大小及組成，結(jié)果如表1所示。吸附及分子間聚集過程都是放熱過程，因此數(shù)值均為負(fù)值，負(fù)值越小說明吸附和分子間聚集越容易發(fā)生，即其絕對值越大吸附能和分子間作用能也越大。由此可見，吸附能均遠(yuǎn)大于分子間的作用能，說明烴分子能夠克服分子間作用的阻礙，運(yùn)動擴(kuò)散到Fe(110)表面，穩(wěn)定吸附在Fe(110)表面上，也說明分子間的作用較難使吸附在表面上的分子脫附。同時由于分子間存在一定作用能，體相基礎(chǔ)油分子可以穩(wěn)定存在于Fe(110)表面之間，使?jié)櫥湍け３忠欢ê穸龋l(fā)揮潤滑作用。由能量的具體組成可以得到，十四烷基環(huán)己烷分子與Fe(110)表面的吸附能，以及烴分子之間的作用能均主要是范德華作用，靜電作用很小。這是因?yàn)檫x用的模型化合物為環(huán)烷烴，極性較弱，主要是范德華作用；由于礦物基礎(chǔ)油的組成主要為各種烴類分子，極性均較弱，可以說明基礎(chǔ)油分子形成穩(wěn)定潤滑油膜的作用能主要來源于范德華作用。

比較剪切對吸附能和分子間作用能的影響，剪切之后分子間作用能稍有增加，吸附能幾乎沒有變化。根據(jù)上述分析，這2種作用能主要來源于范德華作用，范德華作用力主要包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力，由于烴分子的極性很弱，其作用主要是色散力。對于分子間作用能，處于體相的中間層烴分子會隨Fe(110)表面的運(yùn)動作剪切運(yùn)動，剪切力使分子的正負(fù)電荷中心不重合，分子瞬時偶極矩增加，極性增加，因此色散力增加，使其分子間作用能增加。對于烴分子與Fe(110)表面的吸附能，由于Fe(110)表面相對運(yùn)動時，吸附在表面的烴分子幾乎沒有相對運(yùn)動，極性變化不大，其色散力沒有明顯增加，因此吸附能幾乎不變。

2.2 十四烷基環(huán)己烷的穩(wěn)態(tài)構(gòu)型

礦物基礎(chǔ)油通過范德華作用在金屬表面間形成穩(wěn)定的潤滑油膜，金屬表面作相對運(yùn)動時，烴分子可能水平吸附于金屬表面，也可能豎直吸附于金屬表面。為研究基礎(chǔ)油分子在穩(wěn)態(tài)時的吸附構(gòu)型，同樣以十四烷基環(huán)己烷為模型化合物，分別以水平和豎直構(gòu)型放置同樣數(shù)量的分子在Fe(110)表面，搭建如圖6(a)和6(c)的模型，在25、100、200℃條件下作動力學(xué)平衡，讓分子達(dá)到在此條件下的平衡態(tài)，并計算吸附能，比較穩(wěn)定性高低。

表1 剪切前后十四烷基環(huán)己烷的吸附能及分子間作用能Table 1 The adsorption energy and intermolecular interaction energy of tetradecylcyclohexane before and after shearing

EvdW—The van der Waals interaction energy among molecules;Eelect—The electrostatic effect energy among molecules

圖6(b)和6(d)分別為水平和豎直構(gòu)型在25℃下平衡后的形態(tài)。可以觀察到，水平構(gòu)型在平衡后由于分子間作用力的影響，分子堆積得更加緊密；豎直構(gòu)型在平衡后分子傾斜，傾向于向水平構(gòu)型分布，可直觀說明烴分子更容易水平分布在金屬表面。為進(jìn)一步定量說明2種構(gòu)型的穩(wěn)定性，比較2種構(gòu)型平衡后在不同溫度下的吸附能，結(jié)果如圖7所示。在3種溫度下，水平構(gòu)型的吸附能均比豎直構(gòu)型的吸附能大。因此，由穩(wěn)態(tài)構(gòu)型和吸附能數(shù)據(jù)可以說明，烴分子水平吸附在金屬表面時更穩(wěn)定，在平衡潤滑狀態(tài)下，基礎(chǔ)油分子更容易水平分布在金屬表面。分析其原因，根據(jù)上述計算，烴分子與金屬表面的吸附作用主要是范德華作用力，范德華作用與相互作用對象之間的作用位點(diǎn)有關(guān)，作用位點(diǎn)越多，范德華作用力越大。基礎(chǔ)油分子水平分布時，分子中的所有原子均可充分與金屬表面接觸，作用位點(diǎn)多，范德華作用力大，因此吸附能大，構(gòu)型更穩(wěn)定。豎直分布時，由于分子間不可避免存在空隙，作用位點(diǎn)較少，范德華作用力小，因此吸附能小，構(gòu)型穩(wěn)定性較差。

圖6 平衡前后十四烷基環(huán)己烷水平和豎直分布的構(gòu)型Fig.6 The horizontal and vertical configurations of tetradecylcyclohexane before and after equilibrating(a) Initial horizontal configuration;(b) Equalized horizontal configuration;(c) Initial vertical configuration; (d) Equalized vertical configuration

圖7 水平和豎直構(gòu)型在不同溫度下的吸附能(Eads)Fig.7 The adsorption energy (Eads) of horizontally and vertically configurations at different temperatures

2.3 分子結(jié)構(gòu)及溫度對礦物基礎(chǔ)油潤滑性的影響

礦物基礎(chǔ)油由異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成，基礎(chǔ)油的潤滑性能也是各種烴分子潤滑性能的體現(xiàn)。不同結(jié)構(gòu)烴分子的性能不同，對基礎(chǔ)油整體潤滑性能的影響也不相同，但具體如何影響尚不清楚。研究不同分子結(jié)構(gòu)的潤滑性能，明確分子結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)油潤滑性能的影響，對開發(fā)性能優(yōu)良的基礎(chǔ)油有重要的意義。另一方面，溫度對基礎(chǔ)油的潤滑作用有重要影響，一般隨著溫度升高，基礎(chǔ)油形成的油膜失效，潤滑作用減弱。根據(jù)上述分析，基礎(chǔ)油膜的穩(wěn)定性與基礎(chǔ)油分子與金屬表面的吸附能以及基礎(chǔ)油分子之間的作用能有關(guān)。通過研究溫度對這2種作用的影響，可以從本質(zhì)上認(rèn)識溫度對基礎(chǔ)油潤滑性能的影響。

分子結(jié)構(gòu)及溫度對基礎(chǔ)油分子之間作用能的影響如圖8(a)所示，不同結(jié)構(gòu)烴分子之間的作用能不同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，環(huán)烷烴，直鏈烷烴，異構(gòu)烷烴。分子結(jié)構(gòu)對這2種作用能的影響不同，鏈烷烴分子的極性小，分子間的范德華作用力弱，因此直鏈烷烴和異構(gòu)烷烴的分子間作用力較低；同時與直鏈烷烴相比，異構(gòu)烷烴分子鏈上的取代基使分子間距離增大，范德華作用降低，則異構(gòu)烷烴的分子間作用力最低。環(huán)烷烴與直鏈烷烴相比，原子排列更緊密，分子間距離更近，分子間的范德華作用力也更強(qiáng)。芳香烴的極性相對最大，且原子排列緊密，因此分子間范德華作用力最強(qiáng)。并且隨著溫度升高，4種分子的分子間作用力均下降。這是因?yàn)闇囟壬邥r，分子的動能增大，分子間距離增大，范德華作用力降低。因此，溫度升高會通過降低分子間作用力，降低基礎(chǔ)油形成油膜的穩(wěn)定性，從而使?jié)櫥饔媒档汀?/p>

分子結(jié)構(gòu)及溫度對基礎(chǔ)油分子與Fe(110)表面間吸附能的影響如圖8(b)所示。可以看到，不同結(jié)構(gòu)烴分子與Fe(110)表面的吸附能不同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，直鏈烷烴，環(huán)烷烴，異構(gòu)烷烴。與分子間作用力不同，烴分子與Fe(110)表面的吸附能是分子與剛性平面的作用，與分子的極性和分子與Fe(110)表面的接觸位點(diǎn)多少有關(guān)。直鏈烷烴的極性較小，但是其為“線型”結(jié)構(gòu)，能夠充分與Fe(110)表面接觸，吸附能較大。而異構(gòu)烷烴由于存在取代基，對分子與Fe(110)表面的接觸有阻礙作用，并且其極性較低，吸附能最低。環(huán)烷烴分子為椅式或船式等“折疊”型結(jié)構(gòu)，也會阻礙原子與Fe(110)表面的接觸，吸附能較低。芳香烴的極性最大，并且芳香烴的苯環(huán)為“平面”結(jié)構(gòu)，可使分子與Fe(110)表面充分接觸，因此其與Fe(110)表面的吸附能最大。同樣，隨著溫度升高，由于分子的動能增加，分子與Fe(110)表面間的距離減小，兩者間的吸附能降低。所以，溫度也可以通過降低基礎(chǔ)油分子與Fe(110)表面的吸附能，降低基礎(chǔ)油分子形成潤滑油膜的穩(wěn)定性，從而使基礎(chǔ)油的潤滑性能降低。

圖8 分子結(jié)構(gòu)和溫度對分子間作用能(Einter)及吸附能(Eads)的影響Fig.8 The influence of molecular structure and temperature on intermolecular interaction energy (Einter) and adsorption energy (Eads)(a) Einter; (b) Eads Linear alkane; Isoalkane; Cylcoalkane; Aromatics

比較4種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)油分子的吸附能與分子間作用能可以得到，所有基礎(chǔ)油分子的吸附能均遠(yuǎn)大于分子間作用能，說明基礎(chǔ)油分子可以突破分子間作用的阻礙運(yùn)動擴(kuò)散并吸附在Fe(110)表面，分子間作用能使分子層具有一定的強(qiáng)度和厚度，從而形成穩(wěn)定的潤滑油膜，發(fā)揮減摩抗磨作用。減摩作用的效果與油膜的穩(wěn)定性和內(nèi)摩擦力有關(guān)。綜合分析4種結(jié)構(gòu)分子吸附能與分子間作用能的大小，芳香烴的吸附能和分子間作用能均最大，形成的潤滑油膜最穩(wěn)定。但潤滑油膜的分子間作用能過大，會使分子相互運(yùn)動時的阻力增大，即摩擦系數(shù)增大，從而使減摩效果降低。多分支異構(gòu)烷烴的2種作用能均最低，形成的潤滑油膜穩(wěn)定性最差，即不能確保潤滑油膜可以穩(wěn)定存在于金屬表面之間，較難發(fā)揮良好的潤滑作用。直鏈烷烴和長直側(cè)鏈環(huán)烷烴的吸附能和分子間作用能適中，可以保證形成穩(wěn)定的潤滑油膜及較低的運(yùn)動阻力，但直鏈烷烴容易結(jié)晶會使基礎(chǔ)油的凝點(diǎn)較高，不是理想的基礎(chǔ)油組分。因此，通過比較不同結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)油分子的吸附能和分子間作用能，可以得到長直側(cè)鏈環(huán)烷烴是理想的基礎(chǔ)油組分。在開發(fā)性能優(yōu)異基礎(chǔ)油組分時，也可以通過分析分子的吸附能及分子間作用能來預(yù)測其潤滑性能。

3 結(jié) 論

(1)基礎(chǔ)油分子形成穩(wěn)定潤滑油膜的作用主要來源于范德華作用，且基礎(chǔ)油分子與Fe(110)表面的吸附能均遠(yuǎn)大于烴分子間的作用能，該作用使基礎(chǔ)油分子可以吸附在Fe(110)表面，形成穩(wěn)定的潤滑油膜，發(fā)揮減摩抗磨作用。

(2)不同結(jié)構(gòu)烴分子之間的作用能不同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，環(huán)烷烴，直鏈烷烴，異構(gòu)烷烴；不同結(jié)構(gòu)烴分子與金屬表面的吸附能也不相同，其由大到小順序?yàn)椋悍枷銦N，直鏈烷烴，環(huán)烷烴，異構(gòu)烷烴；長直側(cè)鏈環(huán)烷烴是能夠保證潤滑油膜的穩(wěn)定性和較低的運(yùn)動阻力，是理想的基礎(chǔ)油組分。

(3)剪切運(yùn)動不會明顯影響潤滑油膜的穩(wěn)定性，并且會使體相中間層分子的極性增加，使分子間的范德華作用增強(qiáng)，從而使分子間作用能增加。

(4)隨著溫度升高，基礎(chǔ)油分子與Fe(110)表面的吸附能及分子間作用能均降低，使?jié)櫥湍さ姆€(wěn)定性降低，潤滑作用減弱。

(5)不同溫度下平衡態(tài)時，十四烷基環(huán)己烷分子水平分布的吸附能均比豎直分布的吸附能大，說明在平衡潤滑狀態(tài)下，烴分子更容易水平分布在Fe(110)表面。

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Molecular Dynamics Simulation on the Lubricating Property of Mineral Base Oil

LI Yiya, LONG Jun, DUAN Qinghua, DAI Zhenyu, ZHAO Yi, SU Shuo

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing,SINOPEC,Beijing100083,China)

To study lubricant performance of the base oil molecule, tetradecylcyclohexane was taken as model compound, and the adsorption energy of molecule with Fe(110) surfaces and the intermolecular interaction energy were calculated using molecular dynamics simulation. The influence of molecular structure and temperature on the lubricant performance was also analyzed. The simulation results indicated that the adsorption energy was larger than intermolecular interaction energy by a substantial amount, which could make the lubricant film stable. Moreover, the van der Waals interaction made the greatest contribution to the adsorption energy and intermolecular interaction energy. When the lubricant system reached equilibrium, the horizontal molecule configuration was more stable than the vertical molecule configuration. As of different molecular structures, the decreasing order of their intermolecular interaction energy is: aromatics>cycloalkane>linear alkane>isoalkane, while the decreasing order in terms of their adsorption energy is: aromatics>linear alkane>cycloalkane>isoalkane. Both kinds of energy decreased with the temperature increased, which could result to lower stability of the lubricant film.

base oil; lubricating property; molecular dynamics simulations; adsorption energy; intermolecular interaction energy

2016-08-19

中國石油化工股份有限公司技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(ST16019)資助

李義雅，女，博士研究生，從事潤滑油及分子模擬方面的研究

段慶華，男，教授級高級工程師，從事潤滑油方面的研究；Tel:010-82368246;E-mail:duanqh.ripp@sinopec.com

1001-8719(2017)04-0619-07

TE626.3

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.003