濕潤碳顆粒摩擦性能的分子動力學模擬研究

陳虹源，何 璇，梅 婕，王 歡

（南京師范大學，南京 210000）

自從原子力和摩擦力顯微鏡問世后，摩擦學進入了一個宏觀與微觀相結合的新階段[1]。納米摩擦學的概念由此提出，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。

納米顆粒在摩擦領域中已有了許多的研究突破與應用。Xu T等將高純度的納米金剛石用于潤滑油添加劑，發現其對表面的拋光、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域中已慢慢取代油基潤滑劑，當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性質的影響[4]。

本文從近期的宏觀試驗研究出發，建立了C5顆粒與水分子混合的模型，探究界面潤滑現象以及表面摩擦力與負載、含水量的關系。研究發現，該納米摩擦模型遵循與宏觀摩擦相同的物理規律，它們都體現了剪切模量與表面摩擦力的負相關關系。

1　計算模型建立及模擬過程介紹

圖1　模型結構圖

初始構型如圖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個碳原子構成的八面體，如圖1（b）所示；添加水分子后的初始構型如圖1（c）所示；碳管參數n=m=5，管的直徑d=0.752 nm，碳原子數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，結構如圖1（b）所示。碳納米管具有尖端弧度小、結構穩定的特點，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，結構如圖1（d）所示。利用Lammps進行分子動力學模擬計算，勢函數參數和截斷半徑如表1所示。首先給碳納米管施加大小為F0的負載，讓整個系統在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反饋機制來穩定基底對碳管的正壓力，具體做法是：當基底對碳管的正壓力大于目標正壓力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，F0n+1為第n+1時刻施加的負載；F0n為第n時刻的正壓力；a為負反饋強度，本文取a=1，得到了很好的穩壓效果。

表1　勢函數參數與截斷半徑

2　模型計算結果分析

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系，其結果如圖2（a）所示。筆者發現摩擦力與正壓力呈現很好的線性關系，這與宏觀上的經驗摩擦規律相符。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）的質量分數來定量描述基底的濕潤程度u，即

式中，NH2O為表面水分子數；NC5為第一層的C5顆粒數。

筆者采用控制變量法，保持C5顆粒數不變，穩定正壓力為1.5 mN，逐漸增加表面水分子數，研究摩擦力與表面濕潤程度的關系，結果如圖2（b）所示，表面越濕潤，摩擦力越小，這體現了水的潤滑作用。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占據了C的位置，而CO作用比CC弱，摩擦力就被減小。那么當水不在表面，而是滲入基底內部時，這種潤滑作用就顯得微乎其微。但是研究發現，滲透水仍然可以具有減小摩擦的作用。在C5顆粒系統內均勻地增加水分子（見圖1（c）），穩定正壓力為7.5 mN，計算結果如圖2（c）所示，其中橫坐標u為水占整個基底的質量分數。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　計算結果

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

這一結論與近期關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水橋，增加沙粒的剛性，摩擦時摩擦物的前方不會有較高的土坡出現，減小摩擦。但是，水量較多時，毛細水橋匯合，減弱了剪切模量，摩擦力相應地增加。

筆者對C5顆粒的模擬和Fall A的沙粒系統試驗表明，水的摻入會導致顆粒系統的摩擦力有一個極值。這一發現為顆粒系統摩擦性能的調控提供了新方法，顆粒中摻入其他物質，可以改善系統的剪切模量，以適應實際需求。

3　結語

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，同時發現少量的水與系統混合可以增大摩擦力，而過量的水則會減小摩擦力。計算發現，其主要原因是剪切模量與表面摩擦力呈負相關，而含水量與剪切模量并不是單調變化。這一發現為顆粒系統摩擦性能的調控提供了參考。