濕潤碳顆粒摩擦性能的分子動力學(xué)模擬研究

陳虹源，何 璇，梅 婕，王 歡

（南京師范大學(xué)，南京 210000）

自從原子力和摩擦力顯微鏡問世后，摩擦學(xué)進入了一個宏觀與微觀相結(jié)合的新階段[1]。納米摩擦學(xué)的概念由此提出，納米摩擦主要研究原子、分子尺度上的相對運動界面的摩擦磨損與潤滑行為。

納米顆粒在摩擦領(lǐng)域中已有了許多的研究突破與應(yīng)用。Xu T等將高純度的納米金剛石用于潤滑油添加劑，發(fā)現(xiàn)其對表面的拋光、強化作用，可以增強抗磨抗壓性能[2]。納米添加劑可以增強潤滑油性能，而隨著能源缺乏，廉價豐富且方便儲備的水基潤滑劑在某些領(lǐng)域中已慢慢取代油基潤滑劑，當(dāng)前已有了一些研究成果[3]。例如，通過浸漬試驗，人們探究了水汽對無潤滑硅和無定形碳表面納米摩擦學(xué)性質(zhì)的影響[4]。

本文從近期的宏觀試驗研究出發(fā)，建立了C5顆粒與水分子混合的模型，探究界面潤滑現(xiàn)象以及表面摩擦力與負(fù)載、含水量的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，該納米摩擦模型遵循與宏觀摩擦相同的物理規(guī)律，它們都體現(xiàn)了剪切模量與表面摩擦力的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

1　計算模型建立及模擬過程介紹

圖1　模型結(jié)構(gòu)圖

初始構(gòu)型如圖1（a）所示，下方為735個C5顆粒組成的摩擦基底，X、Y方向采用周期性邊界條件，Z方向采用采用固定邊界條件，基底高1.875 nm，上方為作為探針的碳管，碳管距離基底約0.3 nm；C5顆粒是由5個碳原子構(gòu)成的八面體，如圖1（b）所示；添加水分子后的初始構(gòu)型如圖1（c）所示；碳管參數(shù)n=m=5，管的直徑d=0.752 nm，碳原子數(shù)NC=150，長度L=1.895 nm。

本研究建立了圖1（a）所示的模型，所用的碳顆粒為C5顆粒，結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。碳納米管具有尖端弧度小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點，常作為探針用于掃描探針顯微鏡。筆者選用5-5半封閉碳納米管作為探針，結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示。利用Lammps進行分子動力學(xué)模擬計算，勢函數(shù)參數(shù)和截斷半徑如表1所示。首先給碳納米管施加大小為F0的負(fù)載，讓整個系統(tǒng)在NVT系綜下以常溫298 K弛豫5 ns，然后以7 m/s的速度沿X軸正方向移動碳納米管。在移動過程中通過負(fù)反饋機制來穩(wěn)定基底對碳管的正壓力，具體做法是：當(dāng)基底對碳管的正壓力大于目標(biāo)正壓力F0時，人們可以減小施加的外力，使碳管抬高以減小正壓力，反之亦然。外力的大小為：

式中，F(xiàn)0n+1為第n+1時刻施加的負(fù)載；F0n為第n時刻的正壓力；a為負(fù)反饋強度，本文取a=1，得到了很好的穩(wěn)壓效果。

表1　勢函數(shù)參數(shù)與截斷半徑

2　模型計算結(jié)果分析

首先通過碳顆粒與碳納米管的模型研究了摩擦力與正壓力之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖2（a）所示。筆者發(fā)現(xiàn)摩擦力與正壓力呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，這與宏觀上的經(jīng)驗?zāi)Σ烈?guī)律相符。接著，筆者探究了表面水的潤滑作用，用水占整個基底表面（最上面一層C5顆粒）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來定量描述基底的濕潤程度u，即

式中，NH2O為表面水分子數(shù)；NC5為第一層的C5顆粒數(shù)。

筆者采用控制變量法，保持C5顆粒數(shù)不變，穩(wěn)定正壓力為1.5 mN，逐漸增加表面水分子數(shù)，研究摩擦力與表面濕潤程度的關(guān)系，結(jié)果如圖2（b）所示，表面越濕潤，摩擦力越小，這體現(xiàn)了水的潤滑作用。水分子能夠減小摩擦是由于O分子作用力的平衡距離比C小，所以O(shè)占據(jù)了C的位置，而CO作用比CC弱，摩擦力就被減小。那么當(dāng)水不在表面，而是滲入基底內(nèi)部時，這種潤滑作用就顯得微乎其微。但是研究發(fā)現(xiàn)，滲透水仍然可以具有減小摩擦的作用。在C5顆粒系統(tǒng)內(nèi)均勻地增加水分子（見圖1（c）），穩(wěn)定正壓力為7.5 mN，計算結(jié)果如圖2（c）所示，其中橫坐標(biāo)u為水占整個基底的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。有趣的是，滲透水并不是單純的潤滑作用，滲透水較少時，可以起到增加摩擦力的作用。

圖2　計算結(jié)果

進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由于滲透水改變系統(tǒng)的剪切模量引起的。筆者給基底X方向施加微小的形變，計算系統(tǒng)的應(yīng)力，結(jié)果如圖2（d）所示。結(jié)果表明，水量較少時，水越多，應(yīng)力越小；而當(dāng)水量較多時，水越多，應(yīng)力越大。摩擦力與剪切模量是密切相關(guān)的，剪切模量大即剛性強的情況下，摩擦?xí)r碳納米管不會引起基底較大的形變，需要克服的勢壘減少，摩擦力也相應(yīng)減小。

這一結(jié)論與近期關(guān)于沙粒中加水的摩擦理論相吻合[5]。沙子中加少量的水會形成毛細(xì)水橋，增加沙粒的剛性，摩擦?xí)r摩擦物的前方不會有較高的土坡出現(xiàn)，減小摩擦。但是，水量較多時，毛細(xì)水橋匯合，減弱了剪切模量，摩擦力相應(yīng)地增加。

筆者對C5顆粒的模擬和Fall A的沙粒系統(tǒng)試驗表明，水的摻入會導(dǎo)致顆粒系統(tǒng)的摩擦力有一個極值。這一發(fā)現(xiàn)為顆粒系統(tǒng)摩擦性能的調(diào)控提供了新方法，顆粒中摻入其他物質(zhì)，可以改善系統(tǒng)的剪切模量，以適應(yīng)實際需求。

3　結(jié)語

本文通過研究C5顆粒與水混合的模型，證明了水具有表面潤滑的作用，同時發(fā)現(xiàn)少量的水與系統(tǒng)混合可以增大摩擦力，而過量的水則會減小摩擦力。計算發(fā)現(xiàn)，其主要原因是剪切模量與表面摩擦力呈負(fù)相關(guān)，而含水量與剪切模量并不是單調(diào)變化。這一發(fā)現(xiàn)為顆粒系統(tǒng)摩擦性能的調(diào)控提供了參考。