磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響*

侯晉升 王建梅 何 帥 常嘉娟

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心 山西太原 030024)

油膜軸承是我國高端裝備制造產業的關鍵基礎件之一，具有承載能力大、使用壽命長、速度范圍寬及抗沖擊能力強等優點，廣泛應用在軍工裝備、航天航空、鋼鐵冶金等行業。油膜軸承襯套通常由鋼體、鍍錫層和巴氏合金層組成，在高速重載工作條件下，軸承溫度升高，潤滑油黏度下降，潤滑油膜變薄甚至破裂，會導致軸承襯套表面發生劃傷、剝落、塑性流動、磨損以及蠕變等失效形式。固液潤滑界面的破壞，會造成油膜軸承工作性能下降乃至失效。磁性液體作為一種新型的智能材料，既具有磁性又具有液體的流動性，廣泛地被應用于潤滑、密封等領域，可以有效地改善固液界面的潤滑性能，提高油膜軸承的工作性能，延長使用壽命。

近年來，隨著磁性液體的理論及材料的快速發展，并由于它能改善設備潤滑的穩定性，提高潤滑性能，許多學者針對磁性液體做了許多理論和實驗研究。LI等[1]研究了不同顆粒含量的潤滑油基磁性液體的蠕變和恢復行為，并探究了流變現象的微觀機制。LI等[2]使用化學共沉淀法制備了Fe3O4納米顆粒，研究了影響納米Fe3O4顆粒磁性的因素。WANG等[3-4]通過化學共沉淀法制備了油基鐵磁流體，并對制備的磁性液體進行化學表征以及穩定性研究；還進行了黏度測量實驗研究，推導了磁性液體黏度方程，設計了油膜軸承在溫度與外磁場強度影響因素下的黏度調控的方法。ZHANG等[5]為磁性液體潤滑油膜軸承設計了一種多層密匝螺線管外磁場模型，并推導了外磁場模型理論公式。LI等[6]利用由二氧化硅微球組成的混合磁性多相流體進行磁感應自組裝實驗，研究外部磁場強度、逆磁流變效應和自組裝粒子結構之間的關系。NIU等[7]提出一種質量守恒的多相晶格玻爾茲曼(LB)模型來模擬多相流。HSU等[8]研究了在隨機表面粗糙度和無限長導線產生的磁場共同作用下，鐵磁流體對長軸頸軸承潤滑性能的影響。結果顯示在距軸承中心適當距離處放置無限長的導線磁場可以抑制長軸頸軸承的側面泄漏，從而延長了軸承的使用壽命。ZAKARIA等[9]根據動量方程和連續性方程推導出可控制薄膜壓力的雷諾方程，使用壓力分布函數研究了外磁場作用下非牛頓鐵磁流體潤滑的有限軸頸軸承的靜態和動態性能特征，并通過數值方法研究不同參數對系統穩定性的影響。徐浩等人[10]通過設計托輥內外磁性液體密封件,實現了可靠的液體密封的同時還可對軸承進行潤滑，并利用ANSYS有限元軟件分析磁性液體密封結構的磁場強度分布規律。仿真結果表明,托輥的磁性液體密封結構設計合理。雖然磁性液體的理論及實驗方面已經做了大量的研究，但對于磁性液體微觀作用機制還處于探索的階段，隨著納米技術和計算機技術的不斷發展，分子動力學模擬也逐漸成熟，它可以預測納米尺度上的材料動力學特性，還可以用于模擬與原子運動路徑相關的基本過程，為實驗與理論提供指導，節省實驗成本。

本文作者從磁性液體中的磁性顆粒的含量入手，磁性顆粒選用Fe3O4粒子，利用分子動力學模擬的方法，通過分子動力學軟件進行建模以及動態模擬，建立了體積分數為5%、9.6%和14.7%的磁性液體潤滑固液界面模型，通過分析滑動過程中的摩擦因數、均方位移、動能、范德華勢能及溫度的變化，探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響，揭示磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的作用機制，為研究磁性液體固液界面潤滑性能的微觀機制提供參考。

1 磁性液體潤滑模型的建立

磁性液體作為油膜軸承的潤滑介質，主要在軸承襯套與軸頸間起作用，襯套的內層是巴氏合金層。因此，為了研究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響，利用分子動力學模擬軟件Material Studio建立磁性液體固液界面潤滑模型，固體層為巴氏合金復合材料模型，液體層為磁性液體模型。

1.1 巴氏合金復合材料模型的建立

試驗所用的巴氏合金主要由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3種成分組成。因此，要建立3種成分的晶胞結構。Cu6Sn5、SnSb的晶胞相關參數可以從數據庫ICSD中獲取，Sn晶胞的參數可以通過軟件的材料庫直接導入。利用分子動力學模擬軟件，根據材料晶胞的參數對Cu6Sn5、SnSb進行晶胞結構的構建，晶胞結構如圖1所示。

圖1 各組分晶胞結構

將3種晶胞的結構導入軟件中，然后將晶胞結構進行切片處理。切片處理后，再進行超晶胞處理，最后構建巴氏合金層。巴氏合金結構由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3種材料按照一定的比例組成[11]，其模型尺寸為4.5 nm×29.4 nm×2.04 nm，分子模型如圖2所示。

圖2 巴氏合金分子模型

1.2 磁性液體模型的建立

根據磁性液體的油基基載液烴類成分組成，在分子動力學軟件中搭建各種烴類分子模型結構并優化。從Material Studio自帶數據庫中引入Fe3O4分子結構，運用Amorphous Cell Tools工具將各烴類分子和Fe3O4按照比例進行建模，磁性液體分子模型的密度為0.85 g/cm3，尺寸為4.6 nm×29.4 nm×2.1 nm，磁性液體分子模型如圖3所示。

圖3 磁性液體分子模型

1.3 潤滑模型的建立及優化

為了探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑與穩定性能的影響，建立了不同磁性顆粒含量的固液界面潤滑模型，中間層為磁性液體層，上下兩層為巴氏合金層。由于在微觀層面，磁性顆粒在基載液模型尺寸確定的情況下，無法實現等含量梯度的建模，故構建了磁性液體體積分數分別為5%、9.6%和14.7%的磁性液體固液界面潤滑模型，固液界面潤滑模型如圖4所示。

圖4 固液界面潤滑模型

為了更好地進行分子動力學模擬，需要對潤滑模型進行優化，使模型的結構更加合理。首先對潤滑系統進行結構優化處理，優化算法選擇Steepest decent，設置作用步數；然后進行退火處理，設置退火溫度，反應總步數為70 000。當模型優化完成后，進行固液界面潤滑模擬，參照油膜軸承實際工作情況，設置模擬的初始溫度、壓力的控制方式，并在固體層表面施加一定的壓力。固液層相對滑動過程通過對上下固體層施加大小相等方向相反的速度實現，相對滑動速度設置為0.005 nm/ps，選擇合適的系統進行模擬，界面潤滑過程如圖5所示。

圖5 固液界面潤滑的過程

2 結果與分析

2.1 摩擦因數

摩擦因數是表征固液界面之間潤滑狀態的主要參數，由公式(1)計算。

μ=f/F

(1)

式中：μ為摩擦因數；f為摩擦力；F為正壓力。

由此可見，軍功授爵制度在當時各國都有了不同程度的運用，這對鞏固新興地主階層的權力，提升軍隊戰斗力，起到了巨大的作用。在實際運用中秦國推行軍功授爵制度最為徹底，效果也最為明顯，最終為秦統一六國打下了堅實的基礎。

不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態下，固液界面間的摩擦因數隨模擬時間的變化如圖6所示。可知，摩擦因數變化趨勢表現為先增長后下降，最終趨于穩定。這是由于摩擦副開始滑動時，固液界面間要克服界面之間的靜摩擦力，摩擦因數增大；當達到最大靜摩擦因數時，摩擦副開始相對滑動，界面間的靜摩擦因數變為動摩擦因數，摩擦因數呈現下降趨勢；在穩定滑動過程中摩擦副間的摩擦因數圍繞著動摩擦因數上下波動。通過對比不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態下，固液界面間摩擦因數的變化情況，可知磁性顆粒體積分數為14.7%的磁性液體潤滑下的摩擦因數，比體積分數為5%的磁性液體下降了約67%。從分析可知，隨著磁性顆粒含量的增加，固液界面間的摩擦因數變小，原因是磁性粒子多呈球形，在微觀上將摩擦副的相對滑動運動變為滾動，并隨著磁性顆粒的增多，在摩擦副相對運動過程中，會形成一層起到減摩作用的物理吸附膜，大幅度降低了摩擦因數，可有效地改善磁性液體的潤滑性能。

圖6 不同磁性顆粒體積分數的磁性液體摩擦因數隨模擬時間的變化規律

2.2 均方位移(MSD)

根據布朗定律，分子總在不停做無規則運動，均方位移是粒子隨時間移動后的位置相對于參考位置的偏差的量度，它隨時間的變化規律可以表征液態粒子的擴散行為[12]。其定義式：

SMSD(Δt)=〈|r(t)-r(0)|2〉

(2)

式中：r(t)為原子t時刻的位置向量；r(0)為原子的初始位置。

對不同磁性顆粒含量的磁性液體進行均方位移計算，結果如圖7所示。可知，磁性液體的均方位移隨著磁性顆粒含量的增大而增大，這說明磁性顆粒含量的增大，會使磁性液體中分子的擴散能力增強[13]。分子擴散能力增強，會導致磁性液體中的烴類分子或磁性顆粒與巴氏合金固體層表面接觸的機會增多，有一些分子或磁性顆粒就會附著在固體層的表面，在摩擦表面形成減摩抗磨性強的滲透層或擴散層，進行表面修復，使潤滑條件得到改善，提高磁性液體的潤滑性能。

圖7 不同磁性顆粒體積分數的磁性液體均方位移

2.3 動能

動能變化是由于分子運動引起的。對比不同磁性顆粒含量的磁性液體的動能變化，如圖8所示,可知初始階段，由于要克服靜摩擦力做功，使潤滑系統的溫度迅速升高，分子運動加劇，系統的動能迅速增大[14]；當發生相對滑動后，系統的動能逐漸降低，最終趨于穩定。由圖8可知，在穩定滑動的過程中，磁性顆粒含量越多，所對應的動能也大。這是由于磁性顆粒的含量增加，會使磁性液體分子的動能增加，分子運動加快，會加大分子間距，減小分子鏈間的作用力，使相互吸引力減弱，進而會提高磁性液體的流動性能，改善磁性液體的潤滑性能。

圖8 不同磁性顆粒體積分數的磁性液體動能變化

2.4 范德華勢能

圖9 不同磁性顆粒體積分數的磁性液體范德華勢能變化

2.5 溫度

圖10所示為不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態下，潤滑系統溫度變化曲線。在初始階段，溫度急劇上升，這主要是由于摩擦副之間發生相對滑動時，克服靜摩擦力做功，導致系統的溫度升高；當進入相對滑動階段時，溫度會降低并逐漸趨于穩定。從潤滑系統溫度變化過程可以發現，體積分數為14.7%磁性液體潤滑系統溫度最大值比體積分數為5%的溫度最大值降低了6.5 K。這說明磁性液體含量的增加會提高潤滑系統的導熱性能，原因是固體磁性顆粒具有較大的熱傳導系數，因此磁性顆粒的加入可以提高基液的導熱性；同時隨著單位體積磁性液體中磁性顆粒含量的增多，磁性顆粒會發生團聚，顆粒周圍會產生大量粒子簇，由于粒子簇的存在，熱量的傳遞路徑變長，改善了磁性液體的導熱性能和傳熱性能，進而提升了磁性液體的潤滑性能[15]。

圖10 不同磁性顆粒體積分數的磁性液體溫度變化

3 結論

利用分子動力學模擬的方法，通過分子動力學軟件進行建模以及動態模擬，建立了不同體積分數磁性粒子的磁性液體潤滑固液界面模型，通過分析滑動過程中的摩擦因數、均方位移、動能、范德華勢能及溫度的變化，探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響。主要結論如下：

(1)從微觀角度可以發現，磁性顆粒含量對磁性液體的潤滑性能有很大的影響，磁性顆粒含量增加，會使摩擦因數減少，從而可有效地改善的磁性液體的潤滑性能。其中磁性顆粒體積分數為14.7%的磁性液體潤滑下的摩擦因數比體積分數為5%的磁性液體下降了約67%。

(2)從均方位移、動能變化方面分析，磁性顆粒含量的增加，可以提高磁性液體分子的擴散能力以及運動能力，會使磁性液體中的一些分子附著在固體層的表面，形成減摩抗磨性強的滲透層或擴散層，從而提高磁性液體的潤滑性能。

(3)從范德華勢能和溫度變化的角度分析，磁性顆粒含量的增大，會使磁性液體中分子之間的范德華力減小，會改變磁性液體的黏度，使導熱性能和傳熱性能增強，進而提升磁性液體的潤滑性能。