双铁块约束的2纳米颗粒(金刚石和二氧化硅)摩擦学性能的分子动力学模拟

1、双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟关键词：金刚石纳米颗粒二氧化硅纳米颗粒分子动力学摩擦学行为摘要 通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。引言 添加纳米颗粒大

2、小为1120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。 这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏理论支持与直接证据。表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。此外，纳米粒子的润滑机理随着

3、润滑状态的变化而变化。还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。这些问题是不容易解决的实验。因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。 对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。在原子水平上，许多研究已经报道了详细的摩擦过程，这是通过使用分子动力学方法的结果。纳米粒子的减摩抗磨机理的几个MD模拟已进行了。例如，铝等。通过对不

4、同压力下纳米颗粒的运动分析。研究了铜-氩纳米流体在固体平板间的摩擦行为然而，对摩擦系统的机械性能没有进行研究。在以前的工作中，我们模拟了纳米颗粒对润滑剂膜的流变性能的影响。但是对纳米粒子对摩擦副的机械性能的影响效果不予考虑。最近，我们研究了软纳米粒子（铜）对的固体接触的摩擦表面的影响。结果表明，在低速状态下，铜摩擦表面上形成的纳米薄膜具有良好的润滑性能。虽然很有用，但这些研究并没有说明纳米粒子润滑机理。润滑机制将不同纳米粒子类型。然而，研究所有纳米粒子的摩擦学性能是不切实际的，对这样的研究调查，将其分类为软和硬粒子代表一种更有效的执行方式。因此，在这项工作中，我们通过分子动力学模拟研究硬质粒子

5、的摩擦过程。金刚石、二氧化硅（SiO 2）是两种典型的硬颗粒和许多实验研究报道由于他们的加入，摩擦性能有良好的改善。作为润滑剂添加剂，这些纳米粒子的润滑机制，表现出类似的的特点，即：（A）他们作为上十亿的粒子摩在擦表面之间滚动和（B）他们分开两摩擦面，防止直接接触。然而，由于两者的原子种类、结构和硬度的不同，其摩擦学性能也有所不同。纳米SiO 2是廉价的，具有很好地亲和力。我们相信，纳米SiO 2颗粒替代纳米金刚石颗粒仅在某些润滑条件下是可行的。为了解决这个问题，我们将比较两纳米颗粒的摩擦学行为。纳米颗粒在边界和混合润滑条件表现最有效。在混合和边界润滑条件下，摩擦表面总是有固体之间的接触，从而

6、导致局部表面破碎。这个纳米颗粒在摩擦表面上的改善润滑效果是抗磨减摩性能的必要。因此，在这项工作中，通过分子动力学模拟研究硬纳米颗粒（金刚石和SiO 2）对摩擦表面间的固体接触的影响。模型与仿真2.1模型设置模拟系统的快照如图1所示。两个类似的铁（铁）块作为摩擦副。当没有纳米粒子，两块彼此直接接触（图1a）。然后一个半径为15Å纳米粒子放被在两块之间（图1b），防止直接接触。这个纳米粒子是自由移动，没有人工约束。周期性边界条件的施加在x和z方向。正如在我们以前的研究中，块包括六层，即：刚性层（1、6），恒温层（2、5）和自由可变形层（3、4）。此外为了固定温度在300K Nose-Ho

7、over贴在恒温层，各刚性层由静止的原子组成，而由于原子间的作用力，在自由变形层不受约束和自由移动。在相反方向上的2个刚性层滑动速度为V，正常负载（对）施加在上刚性层，较低的刚性层在y方向是固定不动的。2.2分子动力学 铁原子之间的相互作用是通过嵌入原子方法（EAM）势能。EAM可以能够很好地描述金属系统的性能。研究中使用的EAM势能参数由邦尼等人开发。一个元素间势能采用碳碳（CC）相互作用。BKS势能采用SiO 2纳米颗粒。2.4e硅原子和氧原子-1.2e的部分电荷用于BKS势能为了提供静电相互作用。SiO 2的BKS势参数潜在的价值可以在工作发现。在表1给出的12-6兰纳-琼斯势的势参数把

8、FeC，FeSi，FeO之间的相互作用模型化。2.3。模拟程序模拟使用经典的开放源MD LAMMPS代码。采取了三个步骤来实现仿真。首先，该系统被放宽为200皮秒和达到平衡状态。在这一步，规范集成（NVT）适用于恒温器和自由变形层，即分别为层（2，5）和（3，4），然后这个负载力P逐渐施加到上刚性层，我们再平衡系统。这种再平衡的过程中，图1。而无纳米仿真系统快照（a）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（b）。在纳米SiO 2紫色和青色点分别代表硅原子和氧原子。（对参考图中的色彩图例的解释，读者可以参考用于自由变形层NVT系综的网络版本，它转变为微正则系综（NVE）。然后在相反的方向上拉上下刚性

9、层，速度V；滑动摩擦在1600 ps时间内实现。在这项研究中，我们使用速度Verlet算法计算原子的运动；用于模拟的时间步长为0.002皮秒。在滑动模拟，通过监测z方向力对摩擦的演变进行跟踪，则要求保持刚性层的恒速。表1伦纳德琼斯能量（）和距离（）Fe，Si，O，C 图1。纳米仿真系统快照（A）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（B）。在SiO 2纳米粒子的紫色和青色点分别代表硅和氧原子，结果与讨论 在我们以前的工作，我们发现，纳米颗粒改善摩擦性能的机制随滑动速度变化而变化。在这项研究中，金刚石和SiO 2纳米粒子的摩擦学性能也将基于低速和高速进行分析。3.1.低速摩擦状态被认为是一个滑动速度

10、为10米/秒。3.1.1.低载荷下的摩擦过程 图2显示了在500兆帕的低负荷下发生的摩擦状态。选定的原子（蓝色和红色的原子）在2块中赋予不同的颜色，以显示在滑动过程中的塑性变形和界面滑移。在纳米粒子的情况下，通过施加一个正常的负载使2块被连接（接触）。由于剪切应力导致直的标记成为弯曲，具有典型的变形微结构形成在这两个块中。硬质纳米颗粒（金刚石和SiO 2）加入使两个块彼此分离。这与陶等，彭等和mochalin等人的发现是一致的。这些人提出，两个纳米颗粒把摩擦面分开，从而防止他们的直接接触。在滑动摩擦过程中标记保持直线，表明摩擦副仅轻微变形。摩擦副表面的直接接触与塑性变形应引起粘着疲劳和接触疲劳

11、。因此，硬质纳米颗粒（图2）的摩擦行为可降低磨损率，改善磨损表面形貌。事实上，实验结果表明，作为润滑油添加剂，两纳米颗粒减少磨损，平滑磨损表面超过纯基础油的性能。分析标记（黄原子）的纳米颗粒的位移显示，两个纳米粒子在摩擦表面之间起到球轴承的作用。此外，绘图绕X轴的角速度（图3）表明，大部分的滑动过程纳米粒子向顺时针方向旋转。这为纳米颗粒抗磨减摩机理提供了直接证据，即球形纳米颗粒很容易在摩擦表面之间滚动，将滑动摩擦转化为滑动和滚动的混合摩擦。 图4显示了2纳米颗粒对摩擦表面形态的影响。随着滑动时间的增加形成的凹槽，证明了2纳米颗粒在滚动摩擦过程中具有切削作用。在边界润滑条件下，摩擦表面的固体接触

12、主要由粗糙接触产生。这些粗糙被穿透接触面积的纳米颗粒磨光。因此，两者的切割作用有利于改善粗糙表面形态。陶等，彭等，周等，伊万诺夫等，与新航等。这些人提出的在摩擦表面钻石和SiO 2也会产生抛光作用。事实上，在摩擦试验后测试材料和摩擦表面的测试配置文件表明，摩擦表面之间加金刚石和SiO 2纳米颗粒润滑比试验材料更光滑。因此，在边界润滑条件下，两个硬质纳米颗粒对摩擦表面有抛光效果。 固体接触表面的温度分布对摩擦学特性有重要影响。这是通过将系统沿Y轴分成若干层，确定温度分布，并计算各层的平均温度。图5显示是在滑动时间为400 ps内沿y方向的温度分布。由于避免了摩擦副的直接接触，含有两硬质纳米颗粒系

13、统比没有纳米颗粒的配对物具有较低的温度。没有纳米粒子，自由变形层的温度由于严重的剪切变形上升显着。这表明，硬纳米颗粒添加润滑油对减少摩擦副的温度是有效的。这一发现与伊万诺夫等人以前的实验研究一致。监测摩擦副的温度发现，相比于基础油，当纳米金刚石作为润滑油添加剂时，摩擦表面的温度将降低100oC。此外，刘等人发现，超细金刚石导致摩擦表面本体温度的降低。3.1.2高载荷下的摩擦过程 图6比较了金刚石和SiO 2纳米颗粒在1000 MPa高负载下的摩擦状态。为了便于观察，在图中没有显示上块。在低负载情况下，两颗粒分离块和摩擦副表现出只有少量的塑性变形。此外，由于其高硬度，金刚石纳米颗粒的形状在高负载

14、下保持不变。相比之下，纳米SiO 2在高压力下被粉碎。纳米颗粒上的标记（黄原子）的位移证实，在摩擦表面之间，金刚石纳米粒子仍然作为一个球轴承。然而，变形引起的滚动效应的损失发生在SiO 2纳米颗粒情况下。一在高负载的情况下绕X轴的角速度图（图7）表明，SiO 2纳米颗粒几乎没有平均角速度。因此，在高负载下，SiO 2纳米颗粒的摩擦状态是由完全滑动摩擦构成；这不同于在低负载条件下摩擦状态。此外，SiO 2纳米颗粒被压进下块并随之移动，因此在摩擦表面无槽沟（图6）。3.1.3摩擦力图8中绘制的是摩擦力。在我们以前的研究，我们发现，没有纳米粒子的500MPa的负载导致的摩擦力大约5 GPa。如图8所

15、示，摩擦力因金刚石和SiO 2纳米颗粒的加入显著降低。然而，无论在低和高负载下添加剂为金刚石的摩擦力都小于SiO 2的。这种差异从更小的相互作用强度的铁-碳与铁-硅和铁-氧相比中得出结果（表1）。此外，由于变形行为，SiO 2纳米颗粒和块体间的接触面积大于金刚石纳米颗粒。在高负载条件下，金刚石转化滑动摩擦为滚动摩擦，而SiO 2的摩擦状态则被描述为纯滑动摩擦。摩擦副的温度升高是由于摩擦功率，这是表示作为关于摩擦力和滑动速度的一个函数。因此，金刚石纳米颗粒的加入导致铁块降低的温度比SiO 2纳米颗粒的添加要低，如图5.所示。3.2高速摩擦状态 还考虑了500米/秒的高速滑动速度的摩擦状态。这种速

16、度比在该速度向滑动接触时的摩擦力发生的速度弱化过渡还要高。3.2.1.低载荷下的摩擦过程我们在图9和图10显示在500 MPa低负荷下，金刚石和SiO 2纳米颗粒的摩擦过程。在纳米粒子中的标记（黄色的原子），揭示两纳米颗粒的滚动效果。无纳米颗粒，剧烈改变的材料区域（即，传输层）形成相邻的2块的界面，如图9所示。Rigney等人，哈默伯格等人，基姆等，还报道了一个稳定转移层的形成。在我们以前的工作，当一个软纳米粒子（铜）加入时一个稳定的传输层也形成了。然而，使用两个硬纳米颗粒遏制产生的摩擦状态，防止在高速状态下块的直接接触。当金刚石纳米粒子被添加，形成的传输层阻碍了整个摩擦过程。图10显示了Si

17、O 2纳米颗粒仅仅在最初状态下防止两块的直接接触。然而，两块的直接接触的滑动时间高于1100ps，导致的传输层的形成。这说明金刚石纳米颗粒对提高高速摩擦学性能比SiO 2纳米颗粒更有效。这种在摩擦学性能上的差异由对负载反应不同导致；即，SiO 2纳米颗粒在载荷作用下变形（图10），而金刚石纳米颗粒没有任何变形。此外，铁-硅和铁-氧相互作用力是高于铁-碳（表1）。因此，SiO 2纳米颗粒导致摩擦表面的更严重的塑性变形，切削深度也比其相对物金刚石增长地要快。因此，在1100皮秒的滑动时间内2个块直接接触（图10），从而导致在界面附近传输层的形成。 图11显示了在800ps的滑动时间内温度分布在这过

18、程中，纳米颗粒对块都提供了极好的支持。林等人，基姆等，和卡菲等人。以前报道，在中间区域（传输层）时，没有纳米粒子的温度急剧上升。与没有纳米粒子的情况下相比，两纳米颗粒的加入导致的温度分布的一个显着的改善。3.2.2.高载荷下的摩擦过程 随着负载的增加，摩擦状态发生显著变化。图12显示了两纳米粒子在1000 MPa高负荷下的摩擦过程。两个纳米粒子被限制在传输层，只有在很短的滑动时间后传输层便形成。由于纳米颗粒的切削深度快速增加，层的形成被加速（相比降低负载，例如，500兆帕）。塑性变形，纳米化，非晶化，摩擦发热，和非平衡材料的流动现象是在摩擦作用中转移层的共同特征。这些特点对滑动系统的摩擦和磨损性能有相当大的影响。此外，转移层的摩擦学性能可能被限制其中的硬纳米颗粒所影响。在今后的工作中，这种可能性将被测试。总结在这项工作中，利用分子动力学模拟研究了两硬质纳米颗粒的摩擦性能（金刚石和SiO 2）揭示了控制他们抗磨减摩性能的机制。从这项研究中可以得出以下结论：（1）2纳米颗粒的摩擦学行为在低载荷（500兆帕）和低滑动速度（10米/秒）之间具有相当的相似性。两块被金刚石和SiO 2纳米颗粒分开，摩擦副只是稍微变形。这导致了温度分布与摩擦力的改进。将纳米颗粒起到球轴承的作用，并将滑动摩擦转化为滑动和滚动的混合摩擦。对形态变化进行了分析，结果表明，硬质纳米粒子