分子動力學模擬納米顆粒添加劑對邊界潤滑的影響

摘要：

通過試驗和模擬的方法研究了不同壓力條件下納米銅顆粒添加劑在正十六烷基礎油中的邊界潤滑行為。建立具有正弦曲面粗糙峰的邊界潤滑模型，采用分子動力學分別模擬了在25，50，100，200 MPa 4種壓力下，含納米銅顆粒與不含納米銅顆粒時潤滑油沿膜厚方向的密度分布。在潤滑體系的上下固體壁面施加方向相反的剪切速度，計算出壁面原子與銅顆粒原子的應力、固液界面摩擦力、正壓力和摩擦因數。采用微納米劃痕儀測量了含銅顆粒潤滑劑的摩擦因數。結果表明：不同壓力下兩種潤滑體系中的十六烷基礎油均出現分層現象；納米粗糙峰直接接觸時，接觸界面仍存在少量的正十六烷分子，且分子主鏈的排列方向與剪切方向相同；在200 MPa時銅顆粒使固體壁面的最大應力減小35.3%，提高了潤滑體系的承載能力；不含銅顆粒潤滑體系潤滑油膜在50 MPa時破裂，含銅顆粒潤滑體系潤滑油膜在200 MPa時破裂；模擬計算的邊界潤滑狀態下兩種潤滑體系的摩擦因數符合試驗測量值。

關鍵詞：邊界潤滑；分子動力學；納米顆粒；添加劑；粗糙面接觸

中圖分類號：TH117

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.002

Molecular Dynamics Simulation for Effect of Nanoparticle Additives on Boundary Lubrication

PAN Ling LIN Guobin HAN Yuqing YU Hui

1.School of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，350108

2.Fuzhou Friction and Lubrication Industry Technology Innovation Center，Fuzhou，350108

Abstract： The boundary lubrication behavior of Cu nanoparticles in n-hexadecane was investigated under different loads by experiments and simulations herein. Boundary lubrication model with sinusoidal rough peaks was established. The density distribution of the lubricant along the film thickness with and without Cu nanoparticles were simulated at different loads using MD respectively. The shear velocity in the opposite direction was applied to the upper and lower solid walls of the system， and the stress between the wall atoms and the copper particle atoms， the friction force of the solid-liquid interface， the normal pressure and the friction coefficient were calculated. The friction coefficient of the lubricant containing nano-copper particles was measured with a micro-nano scratch meter. The results show that the base oil n-hexadecane in the two lubrication systems is stratified under different pressures. There are still a small amount of n-hexadecane molecules at the contact interface when the nano-rough peaks are directly contacted， and the arrangement direction of the molecular main chain is the same as the shear direction. Cu nanoparticles may reduce the maximum stress of solid wall by 35.3% and improve the bearing capacity of lubrication system at 200 MPa. The lubricating oil film of lubrication system without Cu nanoparticles breaks at 50 MPa， while that of lubrication system with Cu nanoparticles breaks at 200 MPa. The friction coefficient of two lubrication system under boundary lubrication is simulated， which is in accordance with the experimental measurement.

Key words： boundary lubrication； molecular dynamics（MD）； nanoparticle； additives； rough interface contact

收稿日期：2022-01-19

基金項目：

國家自然科學基金（51875105， 51975123）；福建省產學合作項目（2020H6025）

0 引言

潤滑對于眾多的摩擦體系來說都至關重要，它可以延長零部件使用壽命，提高整個機械系統的耐久性和可靠性，還可以提高能量轉化效率［1-2］。在精密設備和重載設備中，摩擦副兩表面之間間隙小，難以保證全程都處于流體潤滑狀態。通常，當油膜厚度達到10～100 nm時，為薄膜潤滑狀態；當油膜厚度進一步減小至1～50 nm時，為邊界潤滑狀態［3］；如果過載，會導致油膜破裂，兩摩擦面局部直接接觸，出現混合摩擦，磨損加劇。在潤滑基礎油中添加摩擦改性劑或納米顆粒是減少摩擦磨損的有效措施［2-8］。其中，納米顆粒在高溫下具有熱穩定性，與有機減摩劑相比，納米顆粒作為固體添加劑時能顯著地改善整個潤滑體系的抗磨減摩性能［9-12］。

納米顆粒改善摩擦學性能的機理主要有三種：一是填充效應，即納米顆粒沉積在摩擦表面的微凹坑中，使摩擦表面光滑［13］；二是薄膜效應，即納米顆粒沉積在摩擦表面形成薄膜，避免了摩擦表面之間發生直接接觸，從而減少摩擦磨損［14］；三是滾動效應，球形納米顆粒極有可能在摩擦表面之間滾動，通過在純滑動摩擦中引入滾動摩擦來減小摩擦［15］。其中一些機理可以通過試驗來證明，但迄今為止，關于納米顆粒潤滑機理的理論研究和直接證據還很缺乏，并且邊界潤滑條件下兩粗糙表面間的納米顆粒行為也缺乏研究［16］。摩擦表面有許多粗糙峰，在摩擦過程中，在加壓剪切條件下，接觸區域的粗糙峰之間發生直接作用，易導致塑性變形和黏著磨損。粗糙峰的接觸時間非常短，難以觀察。納米顆粒的尺寸在微納米級別，以至于它們的摩擦學行為不能被宏觀試驗所捕獲。為了解決這個問題，采用分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬，通過求解牛頓運動方程計算出原子或分子的運動軌跡，揭示潤滑機理。MD模擬方法不僅可以動態適時地顯示基礎油和納米顆粒的原子運動規律，而且可以定量計算接觸區的應力、溫度和磨損量等，彌補實物試驗的不足［17-21］。

本文采用MD模擬的方法，考慮兩表面粗糙度之間的相互作用，基礎油為十六烷，添加劑為納米銅顆粒，模擬研究了邊界潤滑條件下納米顆粒添加劑對摩擦副接觸區域應力和表面磨損的影響，還考慮了剪切過程中不同壓力下納米顆粒對潤滑體系摩擦學性能的影響，探究納米顆粒的抗磨行為及其低摩擦機理。

1 摩擦試驗

1.1 試驗材料和設備

試驗主要材料：正十六烷基礎油（上海紫一試劑廠，質量分數99%）；納米銅（Cu）顆粒（南宮市鑫盾合金焊材噴涂有限公司，粒徑50 nm）；分散劑三聚磷酸鈉（無錫市亞泰聯合化工有限公司，質量分數≥99.9%）；金屬鋼球（天津浩盛科技有限公司，直徑1 mm）；鐵（Fe）基底（盛世達金屬材料，直徑12 mm，上表面粗糙度Ra為0.05～0.1 mm）。試驗主要設備：MST2微納米壓/劃痕儀（奧地利AntonPaar公司）、VGT-QTD超聲波處理器（廣州領創三維科技有限公司）、EJ-322A電子天平（福州華科電子儀器有限公司）。

1.2 試驗方案

（1）潤滑劑的制備。在正十六烷基礎油中分別添加質量分數為0.1%、0.5%、1%的納米顆粒和0.5%的分散劑配置成油樣，將油樣充分攪拌后再用超聲波處理器振蕩分散15" min、間隔5 min，連續處理3次。

（2）微納米劃痕儀首先對滴入潤滑劑的基底進行預掃描，其次進行微納米劃痕試驗，然后再對劃痕的形貌進行后掃描，最后采用光學顯微鏡對劃痕形貌進行觀察，如圖1所示。在30～120 mN的壓力作用下，探針以3 mm/min的速度滑動，滑動距離為3 mm。

1.3 試驗結果與分析

圖2所示為不同壓力下含Cu顆粒潤滑劑中摩擦力FL的變化情況，可以發現，相比于純基礎油十六烷，Cu顆粒導致摩擦力FL在劃痕試驗初始階段的波動幅度增大。這一方面是由于Cu顆粒提高了潤滑油的黏度，另一方面是由于在劃痕試驗過程中，劃痕儀的壓頭與Cu顆粒之間發生相互碰撞或擠壓變形。在30 mN和100 mN壓力條件下，隨著Cu顆粒濃度增加，摩擦力FL的振蕩幅度在減小。這是由于濃度增加，就有足夠數量的Cu顆粒吸附于摩擦表面形成保護層，避免了摩擦副之間的直接接觸，同時，由于Cu的硬度較低，易發生塑性形變，變形后在摩擦副表面會形成低剪切強度的薄膜。

圖3所示為含Cu顆粒潤滑劑在不同濃度下的摩擦因數μ對比。在30 mN壓力條件下，對于含納米Cu顆粒潤滑劑，當w（Cu）=0.5%時，μ值小于0.1，處于薄膜潤滑狀態，而在其他濃度下，μ值均大于0.1，處于邊界潤滑狀態。在100 mN壓力條件下，潤滑體系均為邊界潤滑。

圖4為含Cu顆粒潤滑劑劃痕形貌光學顯微鏡照片，對比圖中含不同濃度Cu顆粒的劃痕形貌，發現質量分數為0.5%的含Cu顆粒潤滑劑劃痕最輕。

2 分子動力學模擬

2.1 模型的建立

本文的模擬過程通過大規模原子分子并行模擬器（large-scale atomic /molecular massively parallel simulator，LAMMPS）編程實現［22］。圖5所示是含納米Cu顆粒的邊界潤滑模型。潤滑體系的尺寸為17.1 nm×8.5 nm×15 nm，在x和y方向采用周期性邊界條件，z方向采用非周期性邊界條件。上下壁面為bcc晶體鐵。為了減小模擬中計算機集群的計算量，簡化兩粗糙表面為上下各含一個粗糙峰，粗糙峰是正弦曲線的一個波峰，周期為9.2 nm，振幅為1.5 nm。上下壁面均分為3層：用于施加邊界條件的剛性層、用于提供環境影響因素的恒溫層和用于提取力學特性的自由變形層。上下壁面之間的納米間隙中充滿十六烷基礎油和一個Cu顆粒。若顆粒的粒徑過大，則Cu顆粒在壓縮階段就會與壁面直接接觸，無法達到模擬邊界潤滑的目的。經過調試，確定Cu顆粒的粒徑為2.3 nm，納米潤滑油膜中包含730個正十六烷分子。

2.2 勢函數

Fe原子之間的相互作用和Cu原子之間的相互作用均采用Finnis-Sinclair（FS）EAM勢函數［23］，潤滑劑分子之間的相互作用采用聯合原子力場（TraPPE-UA）［24］，如圖6所示，該力場不考慮基團內部的變形，只考慮分子鏈的位置和結構的變化，從而提高計算效率。Fe原子與Cu原子、Fe原子與潤滑劑分子中的原子、Cu原子與潤滑劑分子中的原子之間的非鍵作用采用Lennard-Jones（L-J）勢［25］。表1所示為各種類型的非鍵相互作用以及L-J勢參數［26］。

2.3 模擬過程

整個模擬過程中，時間步長取2fs；經典原子運動方程的數值積分方法采用Velocity-Verlet算法；運用Nose-Hoover控溫方法將恒溫層的溫度控制在300 K，溫度阻尼系數設置為200 fs；模擬過程分為3個階段，即弛豫0.2 ns，加壓1.2 ns和剪切2.2 ns。

（1）弛豫階段。上下壁面的剛性層使得潤滑體系的高度固定。采用共軛梯度法，通過迭代調整原子的位置來減小模擬體系的能量，其中能量偏差取10-6 eV，力偏差取10-7 eV/nm。

（2）加壓階段。固定剛性層2，在剛性層1施加25～200 MPa的壓力使體系達到穩定狀態。圖7為體系高度隨時間變化的曲線，可以看出體系高度在1.0 ns后趨于水平，體系開始達到穩定狀態。為了輸出穩定狀態的相關參數，繼續加壓0.40 ns。

（3）剪切階段。保持壓力不變，同時使兩剛性層各自以5 m/s的速度沿x正向和負向運動。為了保證Cu顆粒和兩粗糙峰之間充分作用，剪切運動的距離應大于17.1 nm，剪切時間取2.2 ns。

3 結果與討論

3.1 加壓過程

加壓過程中潤滑體系具有瞬態響應，體系高度值存在振蕩現象，且振蕩幅值逐漸衰減。加壓初始階段，為了保持納米Cu顆粒模型的結構穩定，固定剛性層2，在剛性層1沿z向先施加10 MPa的壓力，0.8 ns時達到初步穩定，再繼續施加25～200 MPa的壓力，在1.2 ns之后，體系高度變化很小，達到穩定狀態。穩定狀態時，體系高度Lz的大小能夠反映潤滑油膜的厚度。由圖7可見，對于所有潤滑體系，隨著壓力的增大，Lz減小，潤滑油膜厚度變薄。

正十六烷的宏觀密度可由經典Tait方程計算得到。經典Tait方程［27］常用于預測高壓流體的相密度，具有很高的準確度和穩定性，其方程為

ρ（T，p）=ρ0（T）［1+C（T）ln（B（T）+0.1B（T）+p）］（1）

ρ0（T）=ρ00+ρ01T（2）

B（T）=B0+B1T（3）

C（T）=C0+C1T（4）

式中，ρ為密度；T為溫度；p為壓力；ρ00、ρ01、C0、C1、B0、B1為與潤滑劑種類有關的參數［27］。

通過式（1）～式（4）計算得到正十六烷在p=25～200 MPa、T=300 K時的宏觀密度。同時，在潤滑體系x向0.6～1.1 nm的平行光滑壁面間計算壓力為25，50，100，200 MPa，溫度為300 K時正十六烷的平均密度。圖8所示為T=300 K時正十六烷密度與壓力的關系，結果表明，MD模擬結果與經典Tait方程計算結果的平均相對誤差為1.54%（小于5%），驗證了模擬結果的可靠性。

圖9a是不含Cu顆粒潤滑體系在不同壓力下沿z向的密度分布曲線，可以看出，在壓力25～200 MPa的范圍內，每條密度分布曲線都有6個波峰、5個波谷，說明正十六烷油膜分為6層。圖10a為p=200 MPa時正十六烷油膜的密度分布云圖，在中間的平坦壁面區域內，可以明顯看到油膜分為6層。圖9b是含Cu顆粒潤滑體系在不同壓力下，沿z向的密度分布曲線，Cu顆粒添加劑并未對十六烷油膜的分層產生影響，但是對Cu顆粒附近的密度分布有一定的擾動，圖10b的密度分布云圖也顯示只影響Cu顆粒附近的密度分布。

3.2 剪切過程

潤滑體系加壓至穩定狀態后，保持該加壓狀態，并在剛性層1和剛性層2沿x向上施加方向相反、大小為5 m/s的剪切速度。圖11所示為p=100 MPa時，兩潤滑體系剪切過程中不同時刻的狀態。圖11a為不含Cu顆粒的剪切過程，可見，上下壁面的兩個粗糙峰直接接觸，即兩金屬表面直接接觸，表明正十六烷潤滑油膜在剪切過程中破裂。兩個粗糙峰上的Fe原子發生轉移，存在塑性變形和黏著磨損。圖11b為含Cu顆粒的剪切過程，可見，剪切過程中潤滑油膜不破裂，Cu顆粒的變形能夠加大有效接觸面積，避免摩擦副表面粗糙峰直接接觸，防止摩擦副出現塑性變形和磨損，提高油膜承載能力。

圖12所示是p=100 MPa時，剪切過程中不同潤滑體系的高度Lz變化。

Lz的變化大致經歷了升高和下降兩個階段。不含Cu顆粒潤滑體系在1.40～2.52 ns之間從7.92 nm逐漸增大到8.24 nm，Lz增加了0.32nm，相對高度增量為4％，即潤滑油膜的剪切時間效應［28］；在2.52 ～2.75 ns之間，Lz出現大幅急劇下降，并伴隨小幅振動，這是由于潤滑膜破裂，粗糙峰直接接觸，發生塑性變形和黏著現象；

在2.90 ns之后，Lz逐漸升高到穩定狀態。含Cu顆粒潤滑體系在1.40～2.52 ns之間從7.98 nm逐漸增大到8.38 nm，Lz增加了0.40 nm，相對高度增量為5％；在2.52～2.85 ns之間，Lz大幅急劇下降，但伴隨的振動幅度顯然小于不含Cu顆粒的潤滑體系，這是由于Cu顆粒的擠壓和剪切變形，加大了接觸面積，減小了接觸應力，避免了兩固體壁面的粗糙峰直接接觸；在2.85 ns之后，Lz逐漸升高到穩定狀態。

圖13為p=100 MPa、t=2.52 ns時，兩種潤滑體系中金屬壁面von Mises應力［29］云圖。此時不含Cu顆粒潤滑體系中，固體壁面的最大應力為25.7 GPa，出現在粗糙峰直接接觸的區域；而含Cu顆粒的潤滑體系，固體壁面最大應力為15.9 GPa，此時整個體系最大應力發生在Cu顆粒內部，為23.4 GPa?？梢?，含Cu顆粒能使壁面最大應力減小38.1%。由圖13可見，Cu顆粒的加入不僅增大了兩壁面凸峰處的接觸面積，從而減小應力，提高承載能力，而且還在摩擦表面形成一層保護膜，將兩表面完全隔開，起到了良好的抗磨減摩作用。

當p分別取25，50，100，200 MPa時，可以觀察到不含Cu顆粒潤滑油膜在50 MPa時破裂，含Cu顆粒潤油膜在200 MPa時破裂。表明添加Cu顆粒能夠提高潤滑膜的承載能力。

3.3 摩擦力與正壓力

摩擦力與正壓力都可以通過LAMMPS直接輸出。不含Cu顆粒潤滑體系的摩擦力和正壓力均由兩部分組成：一個是潤滑油膜對自由變形層1的作用力；另一個是兩粗糙峰接觸時，自由變形層2對自由變形層1的作用力。相比于不含Cu顆粒潤滑體系，含Cu顆粒潤滑體系還存在顆粒對自由變形層1的作用力，其中作用在自由變形層1的x向合力為摩擦力FL，z向合力為正壓力FN。

圖14a和圖14b所示分別為p=100 MPa時兩種潤滑體系的FL與FN隨時間的變化關系。由圖14可以看出，含Cu顆粒潤滑體系的最大摩擦力和壓力都較小，受粗糙峰的影響小，波動小，說明Cu顆粒添加劑提高了潤滑體系的承載能力。在t=1.40～2.52 ns之間，含Cu顆粒潤滑體系的FL與FN振蕩的幅度大于不含Cu顆粒潤滑體系，表明在摩擦磨損的初始階段，Cu顆粒添加劑會導致潤滑體系的摩擦力出現波動，這也符合試驗的現象。

圖14a中，不含Cu顆粒潤滑體系在t=2.52～2.58 ns內，摩擦力從63 eV/nm下降到-1 eV/nm，摩擦力出現減小甚至負值的原因是，兩粗糙峰相互靠近，潤滑膜發生破裂，下壁面粗糙峰上的原子對上壁面粗糙峰的原子產生吸引力，促進了上壁面沿著滑動方向運動（與設定的摩擦力正值方向相反），在其他文獻中也有這種現象的報道［30］。之后，摩擦力逐漸振蕩增加，在t=2.78 ns時，摩擦力達到最大值638 eV/nm，之后開始振蕩下降，直至穩定狀態。摩擦力振蕩的原因是兩粗糙峰直接

接觸的過程中接觸表面附近的鐵原子出現嚴重的晶格畸變。在bcc晶格被破壞前，晶格阻礙壁面的運動，引起摩擦力增大。當晶格畸變超過它的極限時，晶格中的原子將重新調整位置后形成新的晶格。在這個過程中，變形晶格的應力被釋放，摩擦力減小。在不考慮潤滑的單個粗糙峰接觸的研究中也觀察到這種現象［31］。在t=3.10 ns之后，摩擦力穩定在30 eV/nm附近。對于含Cu顆粒潤滑體系，在t=2.20 ns時（比不含Cu顆粒潤滑體系早），摩擦力開始振蕩增加，在t=2.58 ns時，摩擦力達到第一個峰值175.9 eV/nm，在振蕩降低后又迅速增加，在t=2.78 ns時，摩擦力達到第二個峰值209 eV/nm，隨后開始振蕩下降，直至穩定在35 eV/nm附近。

圖14b中，兩種潤滑體系在剪切初始階段的正壓力穩定在235 eV/nm左右；含Cu顆粒潤滑體系在t=2.26 ns以后正壓力值開始振蕩，振蕩的范圍在154～325 eV/nm；不含Cu顆粒潤滑體系在t=2.58 ns以后開始劇烈振蕩，振蕩的范圍在28～519 eV/nm。含Cu顆粒潤滑體系在剪切運動過程中正壓力振蕩幅度更小，這是由于Cu顆粒增大了兩壁面凸峰處的接觸面積，并在摩擦表面形成一層保護膜，減少了摩擦磨損。

圖15所示是p為25～200 MPa時兩種潤滑體系的摩擦力隨時間的變化關系。不含Cu顆粒潤滑體系在p=25 MPa時，摩擦力保持穩定，表明該壓力下粗糙峰沒有接觸，潤滑油膜未破裂；在p為50～200 MPa時，在摩擦過程中潤滑油膜發生破裂，潤滑條件惡化，摩擦力劇烈波動。含Cu顆粒潤滑體系在p為25～100MPa時，摩擦力均保持穩定；當p=200 MPa、t=2.62 ns時，摩擦力急劇增大，此時粗糙峰出現直接接觸，潤滑油膜破裂，但Cu顆粒添加劑不僅推遲了油膜破裂的時間，而且使最大摩擦力保持在較低的水平，這說明Cu顆粒填充到接觸表面的微坑和損傷部位，增大了接觸面積，減小了應力，能夠更有效地保護表面形貌，減少磨損。

3.4 摩擦因數

HURLEY等［32］用摩擦力顯微鏡測量了探針在附著有乙醇的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜表面上滑動時的摩擦力與正壓力，發現宏觀摩擦力計算公式FL=μFN不再適用于微納米尺度下的計算。這是由于納米尺度下表面黏附力的存在，即使正壓力為0甚至為負值時，仍然會出現摩擦力。為了減小該影響，在宏觀計算公式中引入一個摩擦力偏量F0，在體系穩定狀態下是一個常數，則摩擦力計算式為

FL=F0+μFN（1）

圖16所示是兩種潤滑體系在邊界潤滑狀態下摩擦力與正壓力的對應關系，用式（1）進行擬合，擬合直線的y軸截距即為摩擦力偏量，斜率即為摩擦因數。因此，不含Cu顆粒潤滑體系的摩擦力偏量為21 eV/nm，摩擦因數為0.107，此MD模擬值與試驗測量值（0.094～0.13）吻合；含Cu顆粒潤滑體系的摩擦力偏量為28 eV/nm，摩擦因數為0.137，此MD模擬值與試驗測量值（0.127～0.175）吻合。

3.5 溫度和速度的影響

3.5.1 溫度對承載能力的影響

為了探究溫度對含Cu顆粒潤滑體系承載能力的影響，先讓潤滑體系分別在300，400，500 K恒溫條件下弛豫0.2 ns，維持該恒溫條件，再在剛性層1上加壓100 MPa至穩定狀態，最后分析加壓過程中的體系模擬框高度Lz變化、密度分布和剪切過程中不同溫度下固體壁面的應力分布和最大應力。圖17為加壓階段Lz隨時間的變化曲線，可以看出T=500 K時的油膜厚度最大，T=300 K時的油膜厚度最小，這是因為溫度越高，潤滑劑黏度越低，導致潤滑油膜厚度越大，因此對于溫度較高的潤滑體系，在加壓至穩定狀態后，Lz會較大。

圖18是在300，400，500 K三種溫度條件下，正十六烷基礎油的密度分布云圖。觀察到有兩層潤滑油膜將納米粗糙峰頂端與壁面隔開，避免了納米粗糙峰與另一壁面發生直接接觸，這能夠起到保護表面形貌的作用。在T=300 K的條件下，潤滑油膜出現6層的分層結構，并且層與層之間的界限十分清晰，隨著溫度升高，潤滑油膜的分層結構逐漸消失。

圖19是在300，400，500 K三種溫度條件下，2v =10 m/s、t=2.6 ns時，潤滑體系中金屬壁面von Mises應力云圖。由圖19可見，隨著溫度的上升，Cu顆粒仍能將兩粗糙峰表面隔開，說明它在高溫條件下依然具有良好的承載能力。三種溫度條件下壁面自由變形層的應力分布相對穩定，壁面的最大應力值分別為17.4 GPa、18.6 GPa和19.3 GPa。由于溫度上升，Cu的硬度變小，機械強度降低，導致Cu顆粒的內應力逐漸增大，三種溫度下Cu顆粒的最大應力值分別為21.8 GPa、24.3GPa和25.4 GPa，表明隨著溫度的上升，Cu顆粒的承載能力有所下降。

3.5.2 速度對承載能力的影響

為了探究剪切速度對含Cu顆粒潤滑體系承載能力的影響，在不同溫度條件下，使體系的上下壁面的剛性層沿x向產生±1 m/s、±3 m/s和±5 m/s的剪切速度，分析不同剪切速度下固體壁面的應力分布和潤滑體系的最大應力，并觀察正十六烷分子的分布和粗糙峰摩擦磨損的情況，

揭示剪切速度對邊界潤滑下含Cu顆粒潤滑體系的承載能力和抗磨減摩性能的影響。

圖20所示為p=100 MPa、T=500 K時，不同剪切速度條件下的潤滑體系應力分布。由圖20可見，當2v=2 m/s時，納米粗糙峰發生了直接接觸，潤滑油膜破裂，壁面最大應力達26.6 GPa；當2v=6 m/s時，納米粗糙峰未接觸，此時壁面最大應力為20.3 GPa，Cu顆粒的內應力最大值為19.6 GPa；當2v=10 m/s時，納米粗糙峰未接觸，此時壁面最大應力為19.4 GPa，Cu顆粒的內應力最大值為22.2 GPa。隨著剪切速度的增加，壁面最大應力減小，但Cu顆粒的內應力最大值增大，即隨著剪切速度的增大，流體動壓效應增強，油膜的承載能力提高。

圖21是所示p=100 MPa，T=300 K，2v分別為6 m/s和10 m/s時，潤滑體系在不同時刻的狀態，左為主視圖，右為俯視圖。由圖21a可見，兩粗糙峰直接接觸，潤滑油膜破裂，出現了干摩擦現象；正十六烷分子的流動方向繞開了Cu顆粒；粗糙峰接觸時，接觸界面處仍有兩個正十六烷分子存在，且由于粗糙峰的阻擋，正十六烷分子主鏈的排列方向與剪切方向一致。由圖21b可見，兩粗糙峰被納米顆粒和正十六烷潤滑薄膜完全隔開，且潤滑薄膜中正十六烷分子流動的方向繞開了固體顆?；虼植诜?。

由圖21a觀察到，粗糙峰發生塑性變形和破壞，局部出現黏著磨損，壁面的最大應力值達24.5 GPa；圖21b中，粗糙峰之間未發生接觸，無塑性變形和破壞，壁面的最大應力為16.9 GPa。這進一步說明了較高的剪切速度能提高潤滑體系的承載能力和流體動壓效應。

4 結論

采用試驗和分子動力學（MD）模擬，研究正十六烷基礎油中Cu顆粒添加劑的潤滑行為及其影響。分析基礎油分子、Cu顆粒和密度的分布，定量計算壁面原子與Cu顆粒原子之間的應力、固液界面的摩擦力、正壓力和摩擦因數，得出以下結論：

（1）當壓力為25～200 MPa時，不含Cu顆粒的潤滑體系和含Cu顆粒潤滑體系中的基礎油均出現分層現象，且隨著壓力的增大，Cu顆粒對油膜分層無影響，但對Cu顆粒附近的密度分布有一定的擾動。

（2）不含Cu顆粒的潤滑劑在壓力為50 MPa時油膜發生破裂，而含Cu顆粒的潤滑劑壓力增至200 MPa時油膜才破裂。Cu顆粒添加劑雖然增大了摩擦因數，但提高了潤滑體系的承載能力，減少了摩擦副固體表面的磨損。

（3）MD模擬得到不含Cu顆粒的潤滑體系在邊界潤滑狀態的摩擦力偏量為21 eV/nm，摩擦因數為0.107；含Cu顆粒潤滑體系在邊界潤滑狀態的摩擦力偏量為28 eV/nm，摩擦因數為0.137。符合Cu顆粒添加劑的摩擦學試驗結果。

（4）隨著溫度的上升，雖然Cu顆粒的承載能力略微下降，但它在高溫條件下依然具有良好的承載能力；隨著剪切速度的增加，雖然Cu顆粒本身的內應力明顯增大，但潤滑油膜的承載能力明顯提高；粗糙峰直接接觸時，接觸界面仍存在少量正十六烷分子，且分子的主鏈的排列方向與剪切方向相同。

參考文獻：

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

潘 伶，女，1969年生，博士、教授。研究方向為摩擦學和機械設計。E-mail：panling@fzu.edu.cn。