纳米尺度下烷烃化合物润滑机理的分子模拟研究摘 要本文采用分子动力学模拟方法，模拟了十六烷润滑薄膜在铁墙面间的限制剪切过程。固体墙面的移动带动润滑薄膜产生流动行为，由于墙面强烈的吸附作用，薄膜平行墙面形成层状结构，润滑薄膜内部发生层间滑移现象，同时墙面的剪切作用导致了分子链沿剪切方向拉伸延长。为了详细地说明润滑薄膜润滑过程的变化，研究了薄膜厚度、剪切速率和温度对其影响。研究发现，随着薄膜厚度的增加，层状结构的有序性逐渐降低，层间滑移逐渐减弱，分子结构倾向于平直分布；随着剪切速率的增加，层间滑移和分子拉伸程度明显增强，分子结构更加舒展；随着温度的升高，分子结构的拉伸程度逐渐减弱，分子的弯曲程度增大，分子的柔性增强。关键词：非平衡分子动力学；纳米薄膜；润滑；限制性剪切；润滑机理Molecular simulation studies on the lubrication mechanism of alkane compounds at nano levelAbstractIn this article, molecular dynamics simulations were applied in order to study the process of the thin film of hexadecane. Lubricants were confined between iron walls. The moving solid wall drove the fluid flow, Due to the strong wall affinity, the lubrication molecules tended to organize in strata parallel to the solid walls, and interlayer slip developed inside the lubrication film. In addition, the conformation of the chains had a tendency to stretch in the shear direction by the shear. To discuss the process of the film, we investigated the effect of film thickness, shear rate and temperature on it. The research indicated that the ordering decreased with increasing the film thickness, the degree of interlayer slip receded, the distribution of molecular structures tended to be straight; With the increase of shear rate, interlayer slip and molecular stretching was significantly enhanced, the molecular structure tended to stretch; the trend of stretching reduced with the increase of temperature, the degree of molecular bending increased.Keywords：Nonequilibrium Molecular Dynamics；Ultra-thin film；Lubrication；Confined Shear；Lubrication Mechanism目 录第1章 引言11.1 概述11.2 润滑概述21.2.1 润滑21.2.2 润滑机理21.3 纳米薄膜41.3.1纳米薄膜41.3.2纳米薄膜的分类41.4 纳米薄膜润滑理论研究进展41.5 研究思路及研究内容51.5.1 研究思路51.5.2 研究内容5第2章 分子动力学基本理论和基本方法72.1 引言72.2 分子动力学模拟基本原理72.3 Material Studio软件简介8第3章 纳米尺度下烷烃化合物润滑机理的分子模拟研究103.1 引言103.2 模型与方法103.3 模拟结果与讨论123.3.1 润滑动力学过程研究123.3.2 润滑薄膜密度剖面研究143.3.3 润滑薄膜速度剖面研究173.3.4 润滑剂分子构型研究193.4 本章小结24第4章 结论25致 谢26参考文献27第1章 引言第1章 引言1.1 概述摩擦是两个相互接触的物体相对运动或者有相对运动的趋势时，沿接触面切线方向出现阻碍物体相对运动的现象。磨损是相互接触的物体表面相对运动时，物体产生变形或几何损失的现象。在人们日常生活和社会工业生产中，这两种现象是普遍存在的。若摩擦现象不存在，人类的生活将无法正常的进行。然而摩擦和磨损产生的负面影响也是不可忽视的，它们是造成机械损失失效和能量浪费的最主要的原因。有关报道指出，摩擦是导致能源损耗的重要的原因，绝大部分机械设备失效也是由于摩擦引起的。由此可见，摩擦和磨损对日常的生产生活造成的危害是不言而喻的。润滑是降低摩擦和减少材料磨损最有效的方法1。润滑能够在物体接触表面间形成润滑膜，物体表面之间是通过低剪切强度润滑薄膜间隔发生相互作用的，从而起到控制物体表面的摩擦和磨损作用2。因此，摩擦导致的能量损耗、表面和材料损坏都能够通过润滑手段来控制和减少。润滑剂由于其良好的润滑性能而在生产和生活中得到了广泛的应用。微观摩擦是极轻载荷作用下，极光滑表面之间的摩擦行为。在微型体系中宏观机械作用力对性能影响极小以至可以忽略，相互接触的表面之间的分子相互作用力决定摩擦，分子间强烈的相互作用使摩擦副表面贴合得更加紧密，从而导致微观体系中的应力增加，可达到宏观接触应力的3-4倍；同时，由于微观体系表面间隙只有几纳米，所以在微观体系中，宏观上光滑的表面在也显得十分粗糙，从而使摩擦变得大大增加。当微观体系的表面间隙达到纳米量时，传统的宏观作用力相对减弱，而表面作用力相对增强，表面间的摩擦力相对增大。传统润滑的基本原理是通过在接触面之间加入低剪切强度的润滑薄膜，使接触的表面间隔开，对于微狭缝采用边界润滑膜来降低摩擦。然而传统的摩擦和润滑理论已经不再适用微观体系下的摩擦、磨损和润滑问题3。微观体系中一系列问题所遵循的规律已不能由宏观摩擦学原理解释4。因此解决微观体系下的摩擦、磨损以及润滑问题成为科研工作者面临的新课题。微观摩擦学（或称纳米摩擦学）是在纳米尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及其控制的学科。摩擦学就其性质而言属于表面科学范畴，摩擦过程中材料表面所表现的宏观特性与其微观结构密切相关。微观摩擦学是从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系的一门学科。因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科进入一个崭新的发展阶段。1.2 润滑概述1.2.1 润滑润滑是通过润滑剂的特殊性质来减轻两接触表面之间摩擦和磨损，避免接触表面损坏的措施。润滑剂主要有气体润滑剂、固体润滑剂、半固体润滑剂和固体润滑剂5。润滑剂起作用主要是由于在摩擦副之间形成了润滑膜，润滑膜具有极高的法向承载能力和较低的切向剪切强度。由于摩擦和磨损的危害巨大，减轻摩擦和磨损成为摩擦学研究中的重要课题，润滑的研究成为了主要的研究方向。然而润滑方面的研究一直没有满足社会生活和实际的工业生产当中的需求。随着研究的深入，各种润滑机理也随之出现。1.2.2 润滑机理自从人们认识到摩擦和磨损的危害，对润滑的研究就没有停止过，因而出现了各种各样的润滑机理。1886年Reynolds针对流体动压现象，根据流体力学推导出了润滑的基本方程-Reynolds6方程，成功的解释了流体薄膜产生动压的机制，从而为现代的润滑理论奠定的基础。与此同时，Hertz弹性接触理论也开始出现并应用于相关的研究当中。后人将Reynolds流体润滑理论和Hertz弹性接触理论相结合形成了弹流润滑理论。随着研究的深入，20世纪初，Hardy等人7提出了边界润滑概念。边界润滑(Boundary Lubrication)是一种处于液体摩擦和干摩擦之间的临界状态，是不光滑表面之间，发生部分表面接触的润滑状况。此时润滑剂没有发挥总体粘度特性的作用。在边界润滑情况下，摩擦界面上存在着一层厚度介于5nm-10nm之间的吸附膜，这种吸附膜具有良好的润滑性能。在提出边界润滑状态之后Bowden模型8、Cameron模型9、Adamson模型10、Kingsbury模型11的相继出现使边界润滑理论得到了完善。现代某些摩擦副之间的润滑膜厚度常处于纳米数量级之间。1989年，温诗铸，锥建等人对纳米数量级润滑进行了一系列的研究，发现了薄膜润滑现象。他们认为薄膜润滑处于出于弹性润滑和边界润滑的过渡区域，此后，国内外学者12做了大量的研究工作，提出了比较完善的薄膜润滑理论13,14。至此形成了比较完善的润滑状态划分体系，如表1-1所示2。表1-1 润滑状态及其特征表Table1-1 List of the lubrication state and its characteristics润滑状态典型厚度润滑膜形成方式应用流体动压润滑1-100m由摩擦表面的相对运动所产生的动压效应形成流体润滑膜中高速下的面接触摩擦副，如滚动轴承流体静压润滑1-100m通过外力将流体送到摩擦表面之间，强制形成润滑膜各种速度下的面接触摩擦副，如滑动轴承、导轨等弹流润滑0.1-1m与流体动压润滑相同中高速下的点线接触摩擦副，如齿轮、滚动轴承等薄膜润滑10-100nm与流体动压润滑相同低速下的点线接触高精度摩擦副，如精密滚动轴承边界润滑1-50nm润滑剂分子于金属表面产生物理或者化学作用形成润滑膜低速重载下的高精度摩擦副干摩擦1-10nm表面摩擦学、气体吸附膜无润滑或者自润滑的摩擦副1.3 纳米薄膜1.3.1纳米薄膜纳米薄膜是指纳米量级的颗粒构成的薄膜或将纳米量级的组员置于基体中形成的复合膜及纳米尺寸的单层或多层膜。对于纳米薄膜的研究现在还处于初级阶段，随着研究的深入，各种具有特殊性能的纳米薄膜必将出现。纳米薄膜可以提高一些机械零部件表面之间的性能，以减小摩擦和磨损，延长机械零件的使用寿命。纳米薄膜在纳米器件、微型机械、高精度磁记录装置等领域得到了广泛的应用。然而，对于纳米薄膜我们还知之甚少，对其研究还处于初级阶段，随着对纳米薄膜材料性能要求的提高，更多新型的纳米薄膜材料将会相继出现，应用范围也将会不断扩大。1.3.2纳米薄膜的分类对于纳米薄膜的分类，现在有多种分法。按用途可以划分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜；按沉积层数可以分为纳米（单层）薄膜和纳米多层薄膜；按微结构可分为含有纳米颗粒的基质薄膜和纳米尺寸厚度的薄膜；按组分可分为有机纳米薄膜和无机纳米薄膜；按构成与致密程度可分为颗粒膜和致密膜；按在实际中的应用可分为纳米光学薄膜、纳米耐磨损与纳米润滑膜、纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜和纳米滤膜等15。1.4 纳米薄膜润滑理论研究进展随着模拟方法和计算机设