超薄油膜润滑的分子动力学模拟Ⅰ．刚性分子模型

分子量级超薄油膜的润滑特性与流体润滑及边界润滑的都有所不同，而且在超薄油膜中也同样存在着润滑剂的流动。因此，利用分子动力学方法模拟了超薄油膜中的压力流动，模拟中采用了刚性分子流体模型，重点研究固体壁面对流动的影响，结果表明，当油膜厚度远比流体分子“直径”大时，模拟所得速度剖面和流量均与流体力学的理论值基本一致；随着油膜厚度逐渐变薄，压力流动或动压流因受到固体壁面的阻碍作用而不断减小；当油膜厚度减小到几个分子直径量级时，两固体壁面之间的流体分子发生固化或晶体化，由此而导致压力流动消失。这可能是流体动力润滑向边界润滑转化的机理之一。由这些研究结果可见，分子动力学模拟在薄膜润滑研究中具有广阔的应用前景。     

纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟方法研究了纳米尺度超薄膜润滑的边界滑移现象,分别模拟考察了固液作用势、固液密度差异和温度对滑移长度的影响.结果表明:在固液作用势较强的情况下,滑移长度随着温度的增加而增大;当固液作用势较弱时,滑移长度随着温度的增加反而下降;滑移界面上、下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因;应用所建立的方法可以较好地解释不同物理参数条件下的壁面滑移问题.     

分子沉积膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

在利用联合原子模型并考虑静电力作用的基础上，采用分子动力学模拟方法研究了金探针作用下分子沉积膜的纳米压痕过程，并对其纳米力学行为进行了理论分析．结果表明，分子沉积膜在探针压下过程中出现了明显的接触跳跃现象，探针下面的膜的分子倾角和法向载荷呈现出相同的滞后趋势，这可能是探针和分子沉积膜之间粘着力作用的结果．     

纳米尺度下烷烃润滑薄膜分层现象和速度滑移机制的分子模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度下十六烷润滑薄膜的分层现象和速度滑移现象,重点考察了剪切速度对速度滑移现象的影响规律,并对其中的微观机理作出了解释.研究结果表明:在铁壁面的限制情况下润滑薄膜出现了分层现象,当润滑薄膜厚度超过50?时,其中间区域呈现出体相均质流体的特征.润滑薄膜层间滑移和界面滑移的临界剪切速度分别为5.5和7.5?/ps,随着剪切速度增加,界面滑移程度增强,而层间滑移程度减弱.润滑薄膜第1和2层十六烷分子层间桥接分子数目决定层间滑移程度,随着剪切速度增加,桥接分子数目也相应增多,层间滑移程度随之减弱.     

聚合物分子模型的Brown动力学模拟

介绍了研究聚合物分子模拟流变性质的Brown动力学模拟方法,综述了有关这方面的研究工作．在通常情况下,将分子模型的数值模拟与求解流动守恒方程的数值解法相结合,便有可能用分子模型去代替连续介质力学的本构方程,来模拟聚合物流体的复杂流动．本文介绍了这一方法的产生背景、最新进展以及优点．      

关联参照模型和位错发射过程的分子动力学模拟

提出关联参照模型和随位错位置变化的柔性位移边界条件．提供了一个在固定位移边界条件下位错穿越边界的方法．应用三维分子动力学方法研究了体心立方（ＢＣＣ）金属晶体钼裂尖发射位错的力学行为．     

哑铃式聚合物分子模型流变性质的Brown动力学模拟

采用非平衡态Ｂｒｏｗｎ动力学方法（ＮＥＢＤ）模拟ＦＥＮＥ哑铃分子模型在定常拉伸流动和突然开始拉伸流动中的运动，计算流变性质，考虑位形相关Ｓｔｏｋｅｓ阻力系数等模型参数的影响，并从非线性随机动力学角度，分析相图，给出拉伸粘度曲线和哑铃伸展曲线不会出现Ｓ型的解释     

基于连续模型和离散模型的微尺度三维凸台轴承的气体润滑分析

为了考察应用图案化盘片实现超高密度磁存储时磁头/磁盘界面气体润滑设计理论的有效性,本文设计了1种三维凸台轴承构型,分别使用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）和气体分子薄膜润滑理论（MGL）方法进行了模拟计算,考察了相对滑动速度、轴承最小间隙、凸台高度和入射速度方向对气体轴承压力分布的影响.结果表明：对于三维凸台微尺度气体轴承,MGL方法的计算结果依然与DSMC方法的结果相差不大.存在凸台接触,轴承间隙为零的情况下,气体轴承仍然具有一定的承载能力,且压力分布形状随凸台高度的变化表现出与常规非接触式气体轴承不同的规律.     

聚四氟乙烯真空摩擦学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究聚四氟乙烯(PTFE)和铁滑动模型在不同真空度下的摩擦学性能,从原子尺度揭示聚四氟乙烯在不同真空度下的摩擦磨损机理.模拟结果表明,随着真空度的增加,摩擦系数逐渐降低,磨损率增加.通过分析径向分布函数(RDF)、原子相对浓度、摩擦界面温度和原子运动速度等的变化,发现真空度升高,更多的聚四氟乙烯分子链吸附在铁原子层表面,使得相互作用增强,摩擦界面温度升高,原子运动速度加快,在滑动过程中更多的聚四氟乙烯分子黏附在铁原子表面,导致磨损量也增大.利用空间环境地面模拟装置考察了PTFE在不同真空度下的摩擦磨损性能,从而验证了分子动力学模拟计算结果的可靠性.     

原子尺度摩擦行为的分子动力学模拟

应用大规模分子动力学方法,模拟了具有原子级光滑和原子级粗糙形貌的刚性球形探头与弹性平面基体的干摩擦行为,研究了无/有粘附条件下的载荷与摩擦力、载荷与真实接触面积,以及摩擦力与真实接触面积之间的关系,对纳米尺度下的摩擦行为规律进行了分析.几种系统的真实接触面积-载荷关系都与相应的连续力学接触模型定性的一致,它们分别是Hertz光滑表面接触模型、Greenwood-Williamson粗糙表面接触模型和Mau-gis Dugdale粘着接触模型.无论是由光滑表面还是粗糙表面构成的摩擦系统,在无粘附条件下摩擦力与载荷成正比,而摩擦力与真实接触面积之间没有一个简单的关系;在粘附条件下摩擦力与真实接触面积成正比,而摩擦力与载荷之间表现为Maugis Dugdale模型预测的亚线性关系.研究表明,当表面作用从无粘附到粘附时,控制摩擦力的决定因素从载荷转变为接触面积,摩擦行为从载荷控制摩擦转变为粘着控制摩擦.     

分析滚动轴承部分油膜润滑状态的两种计算模型

油膜压降法是应用于滚动轴承部分油膜润滑状态测试的简单而有效的方法。本文根据接触表面的形貌参数及其高度的概率密度函数给出了两种计算油膜压降比与油膜厚度关系的模型——接触电阻模型和接触率模型,并将其计算结果与试验结果进行了对比,发现当油膜较厚而接触峰数很少时,接触率模型的计算值与实测值吻合得较好;在部分油腆较薄而接触峰数很多的情况下,接触电阻模型的计算值比较符合于实测值。     

自组装膜纳米压痕的分子动力学模拟

研究了金探针对沉积在金 (111)表面的 CH3 (CH2 ) 1 5S自组装膜的纳米压痕的分子动力学模拟 .结果表明 ,自组装膜在金探针的作用下出现了跳跃接触现象 ,倾角和法向载荷都出现明显的滞后 ,并进一步表明与探针和膜之间的粘着力有关     

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型,即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型,即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法,MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明,在断裂启动时刻,3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度;而且,其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此,界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

基底纹理对镍/铜纳米双层膜刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下的镍/铜双层膜的表面刮擦响应. 考虑基底铜膜材料的不同表面纹理,建立分子动力学模拟模型,分析了纳米双层膜不同基底纹理下的刮擦响应,并且对比了两种典型基底纹理下不同刮头半径、不同刮擦深度对纳米双层膜刮擦响应的影响. 研究结果发现:不同的基底纹理下,位错缺陷程度的不同会导致刮头前方的切屑体积不同,存在切屑体积最大的基底纹理;针对两种典型基底纹理,在刮擦深度或刮头半径一定时,刮擦力随刮头半径或刮擦深度的增加而增大;当刮擦深度或刮头半径超过临界值时,表面具有特定齿槽纹理的基底具有一定的减摩作用.      

温度和加载速率影响位错发射的分子动力学模拟

以Ａ１作为研究对象，采用ＥＡＭ势进行分子动力学模拟，在Ⅰ型和Ⅱ型加载条件下，研究了温度和取向对发射位错的临界应力强度因子的影响，模拟结果表明，裂尖发射位错的监介应力强度因子随温度升高指数规律降低，但却随加载速率的增大而升高。     

碳纳米管增强硫化天然橡胶拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学(MD)模拟方法,建立了碳纳米管/硫化天然橡胶复合材料体系模型,采用ReaxFF势函数,模拟了不同碳纳米管(CNT)含量的复合材料的拉伸过程.通过计算复合材料体系的自由体积分数、均方位移及回转半径,分析了材料基本微观性质和碳纳米管团聚的机制,计算结果与实验相符.通过碳纳米管与硫化天然橡胶界面能的计算,发现在加载过程中系统总势能的变化主要由硫化天然橡胶基体引起,其中非键能起主导作用;碳纳米管由于其自身力学性能较好,且与天然橡胶分子链相互作用产生界面能,导致材料力学性能提升,材料的屈服应力随碳纳米管含量的增加而显著升高.     

氮化碳增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究氮化碳(C₃N₄)对聚四氟乙烯(PTFE)摩擦学性能的影响. 首先,建立了纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复合材料两个无定型模型,优化后分别计算其机械性能. 模拟结果显示:加入氮化碳后,聚四氟乙烯的杨氏模量和剪切模量分别提高了218% 和141%. 然后为了计算摩擦学性能,建立了与铜对摩的摩擦模型,对金属铜层施加一定的载荷和速度进行滑动磨损. 模拟结果显示:纯聚四氟乙烯的摩擦系数为0.144,磨损率为27.6%;氮化碳/聚四氟乙烯基体的摩擦系数为0.118,未见明显的磨损. 最后通过提取摩擦界面温度、原子运动速度、原子相对浓度、径向分布函数和结合能等数据,从原子尺度揭示了氮化碳对聚四氟乙烯摩擦学性能的作用机制.      

分子动力学模拟的冷冻原子法

通过分析分子动力学过程粒子运动的基本特征，提出分离不同性质、不同量级的原子快运动和慢运动进行模拟的思想，建立了适用于这两种运动弱耦合情况的冷冻原子方法，该方法可使分子动力学模拟收敛速度有明显改善．并能得到更为精确的结果．     

关联表面分形特性的润滑模型

在分配有面粗糙度与材料表面分形特性关系的基础上，将分形特性引入润滑方程，提出了关联表面分形特性的润滑模型，并分析了润滑模型中压力流量因子和剪切流量因子与表面分形维数之间关系。计算结果表明：在相同分形维数（D）下，随着微突体纵横比v的增大，压力流量因子和剪切流量因子相应增大，且其随分形维数D的变化同随油膜粗糙度比H的变化相比呈现出更强的不规则特性，出现局部最大和最小值，并且分辨率较高。