溫度對橡膠摩擦性能影響的分子動力學(xué)模擬

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東 青島 266061)

一、引言

橡膠材料的擦磨損研究一直是人們關(guān)注的熱點問題[1-3]。橡膠材料的摩擦過程受多種因素影響，其原理非常復(fù)雜。影響橡膠材料摩擦性能的因素包括橡膠自身的微觀結(jié)構(gòu)與性能、外界環(huán)境溫度、接觸表面的粗糙度、潤滑介質(zhì)、載荷以及相對滑動速度等[5]。溫度升高，橡膠彈性模量降低，橡膠的摩擦系數(shù)與損耗因子先升后降[6]，而磨紋斑間距增大，橡膠疲勞壽命縮短[7]。現(xiàn)在的工業(yè)應(yīng)用中橡膠材料的尺寸越來越小，而工業(yè)應(yīng)用中對摩擦性能的要求也越來越高，因此對微觀條件下橡膠材料摩擦性能的研究尤為重要。

本文從分子動力學(xué)分析方法著手，建立天然橡膠(NR)基底和錐形探頭組成的滑動摩擦模型，從微觀角度重點討論了環(huán)境溫度對NR摩擦性能的影響。

二、模型建立

NR基底與剛性探頭模型如圖1所示。

圖1 NR基底與探頭的摩擦模型

模型由NR基底和錐頂角為53°錐形探頭組成。基底模型由Accelrys?Materials Studio?軟件構(gòu)建而成，然后將模型導(dǎo)成data文件導(dǎo)入Lammps(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)軟件進(jìn)行計算。基底由1590條分子鏈組成，共計20988個原子，在 ，y ，z 三個方向上尺寸分別為90?，45?和45?，探頭半徑為9?。

采用AIREBO勢函數(shù)定義基底NR分子間的相互作用[23]，其定義如式(1)：

(1)

式中：Erebo為共價鍵原子對的能量；Elj為長程作用力，形式和LJ勢函數(shù)相似；Etors表示顯式四體函數(shù)，用來描述系統(tǒng)中的各種二面角。采用TERSOFF勢函數(shù)定義錐形探頭中碳原子之間的相互作用勢函數(shù)。TERSOFF勢函數(shù)是一個多體作用是函數(shù)。用Lennard-Jones 6-12勢函數(shù)定義探頭與基底的相互作用，表達(dá)式如式(2)：

(2)

式中:ε為原子間的反應(yīng)力；σ為特征長度；r為原子間的距離；rc為截斷半徑。

三、結(jié)果與討論

(一)NR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是橡膠等彈性體的一個非常重要的物性參數(shù)，它是橡膠等彈性體的使用下限溫度，玻璃態(tài)和高彈態(tài)以此為界限，而生活中一般應(yīng)用的彈性體材料都處于高彈態(tài)下。為了驗證模型建立及勢函數(shù)選取的準(zhǔn)確性，我們對NR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了模擬。建立尺寸為30?×30?×30?的小模型，通過在100 K～400 K之間進(jìn)行退火處理，進(jìn)而獲得模型體積隨溫度的變化關(guān)系，如圖2所示。由于橡膠等彈性體在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)體積會出現(xiàn)明顯變化，因而同一條曲線會出現(xiàn)兩條斜率明顯不同的切線，而兩條切線交點處的溫度即可近似為NR模型基底的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，約為223 K，接近NR 的實驗測量值200 K。因此可以認(rèn)為所建立的模型及選取的勢函數(shù)是可取的。

圖2 模型體積隨溫度變化曲線

(二)溫度對摩擦力的影響

模擬過程應(yīng)用Lennard-Jones 6-12勢函數(shù)定義探頭與基底的相互作用，且忽略探頭C原子與基底H原子之間的對勢相互作用，所取勢函數(shù)參數(shù)為截斷半徑rc為9.0168?，最低勢井參數(shù)ε取值為0.00286 Kcal/mole，特征長度σ取值為3.468?。

圖3(a-c)分別為環(huán)境溫度分別為100K、200K和300K時，在相同滑動速度相同按壓深度下天然橡膠摩擦過程中摩擦力的變化數(shù)據(jù)。從圖中可以看出在不同滑動速度下，相較與玻璃態(tài)來說，高彈態(tài)摩擦力較小。并且同在玻璃態(tài)下，環(huán)境溫度為200K時NR基底所受摩擦力大于100K時所受到的摩擦力，并且可以觀察到這種情況隨滑動速度的升高而降低，即在玻璃態(tài)下，當(dāng)滑動速度較高時，溫度對摩擦力的影響越小。

圖3 不同速度下摩擦力隨環(huán)境溫度的變化

玻璃態(tài)下橡膠基底質(zhì)地硬而脆，類似玻璃，內(nèi)部鏈接被凍結(jié)，只有小尺寸結(jié)構(gòu)可以移動。當(dāng)探頭很難在基底表面滑動時，探頭壓入基底內(nèi)部時，運動受阻較大，彈性變形較小因而摩擦力越大。而在溫度為300K，由于在高彈態(tài)下橡膠基底內(nèi)部鏈段被激活，在相同情況下形變量增大，從而使得探頭可以很好的壓入橡膠內(nèi)部并進(jìn)行滑動，而所受摩擦力較低。

(三)溫度對摩擦過程中接觸區(qū)域溫度變化的影響

這里我們還是通過摩擦過程中溫度的變化情況來闡述摩擦過程中熱量傳遞情況。在這里溫度的變化通過溫度變化率來描述溫度的變化。我們定義滑動過程中接觸區(qū)域溫度變化值與初始環(huán)境溫度的比值為接觸區(qū)域的溫度變化率。

圖4 不同速度下環(huán)境溫度對接觸區(qū)域溫度變化率的影響

圖4(a-c)分別為環(huán)境溫度分別為100K、200K和300K時，在相同滑動速度相同按壓深度下天然橡膠摩擦過程中摩擦系數(shù)的變化數(shù)據(jù)。從圖4可以看出玻璃態(tài)情況下摩擦過程中接觸區(qū)域的溫度變化比高彈態(tài)情況下接觸區(qū)域的溫度變化明顯。玻璃態(tài)情況下橡膠內(nèi)部分子鏈結(jié)構(gòu)緊湊，并且分子鏈剛性好，相當(dāng)于分子鏈被凍結(jié)，從而呈現(xiàn)出玻璃的性質(zhì)。因此在摩擦過程中，探頭需要做更多的功才能使橡膠分子鏈產(chǎn)生微小變化從而產(chǎn)生滑動。而在高彈態(tài)情況下，橡膠分子鏈較柔軟，容易產(chǎn)生變形，摩擦過程中探頭只需要做較少的功就可以使橡膠分子鏈產(chǎn)生非常大的變形。因此摩擦過程中在較高溫度環(huán)境溫度下接觸區(qū)域溫升較小，在較低環(huán)境溫度下接觸區(qū)域溫升較大。并且圖中結(jié)果顯示當(dāng)溫度為300K滑動速度較快時摩擦過程后期溫度上升較慢，變化率降低。

三、結(jié)論

當(dāng)環(huán)境溫度較高，NR處于高彈態(tài)時，摩擦力與摩擦系數(shù)相較于玻璃態(tài)時有所降低。而環(huán)境溫度較低，NR處于玻璃態(tài)時摩擦力較高。并且溫度越高時摩擦力越大，但是隨滑動速度升高，這種趨勢有所減緩。接觸區(qū)域的溫度變化率隨溫度升高而降低。

【參考文獻(xiàn)】

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