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纳米尺度下碳氢化合物润滑机理和流体行为的分子动力学模拟

作　者: 郭新利
导　师: 苑世领
学　校: 山东大学
专　业: 物理化学
关键词: 纳米薄膜润滑限制剪切非平衡分子动力学
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

摩擦与润滑是材料表面和界面上的宏观及微观动态行为,广泛地存在于机械、汽车、电子等许多工业应用中,因此润滑流体的流变学性质和摩擦现象的研究控制对于减少磨损和节约能源来说是非常重要的。20世纪80年代以来,纳米技术的发展带动了纳米材料与器件、微型机械和高精度磁记录技术等微电子机械系统的发展,微观摩擦问题也逐渐体现出来,这对润滑剂提出了更高的要求。由于微观摩擦下表面间隙处于纳米量级,传统的宏观润滑理论和连续均质力学观点已不再适应,因此纳米尺度下的薄膜润滑技术日益受到重视。通过计算机模拟研究纳米润滑薄膜结构和剪切条件下流变行为,不仅可以深入探讨纳米量级下润滑机理和摩擦行为,还可以实现实验上不易达到的剪切速率和高温等条件,为预测实验结果和润滑剂分子设计提供理论指导。本文使用非平衡分子动力学方法,系统的研究了限制在两个固体表面间的烃类纳米润滑薄膜结构和流变性质,主要研究内容和结论如下：1.采用非平衡分子动力学方法模拟了纳米级十二烷烃润滑薄膜在两个平行的固体铁墙面之间的限制剪切过程,固体墙面移动带动墙间润滑流体产生流动行为。通过观察动力学过程和模拟结果可以发现,纳米尺度下润滑流体的结构和动力学性质发生了变化,不同于体相下性质。由于限制墙面强烈的吸附作用,润滑薄膜结构发生了巨大的变化,在平行于墙面的方向上形成了层状结构,润滑薄膜内部发生了层间滑移现象。同时平行于流动方向上的剪切力能够改变分子构型,使其在剪切方向拉伸延长。墙面之间形成了一个温度剖面,并受到剪切速率的影响。限制墙之间的纳米润滑薄膜在结构和动力学行为上表现出了一种不均一、不连续性。2.在上一章研究的基础上,为了更加详细地说明纳米润滑薄膜结构和动力学行为的不均一、不连续性,选用十三烷润滑薄膜,研究其在不同的分子层厚度、剪切速率和温度的条件下的润滑性质和流变行为。研究发现,两个相互靠近的固体表面会对薄膜结构产生较大的影响,随着薄膜厚度的增加这种影响减弱。随着薄膜分子层数的增加,薄膜结构由完全有序逐渐转变为无序结构占主要部分,并呈现连续均质力学性质。同时,还研究了剪切速度和润滑膜厚度对层间滑移长度的影响。由于固体表面强烈的吸附作用,层间滑移发生在密度分布的峰谷处并随剪切速度的增加而增强,当膜厚度增加时,滑移长度减小至消失。我们发现在墙面间形成了一个温度落差,增大剪切速率和薄膜厚度都会很大程度上增加薄膜温度。研究了墙面处剪切应力的变化,发现剪切应力在一定范围内周期性变化,并随剪切速度的增加而增大。另外,我们通过均方根位移和扩散系数研究了润滑薄膜的动力学性质。可以发现,分子的迁移主要体现在x轴即剪切方向,在yz平面上迁移能力受到极大的限制；同时,随着剪切速度的增加,扩散系数明显增大,表现了粘度剪切稀释性质。

全文目录

中文摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章前言  11-26
  1.1 概述  11-13
  1.2 润滑概述  13-15
    1.2.1 润滑剂介绍  13
    1.2.2 润滑机理  13-15
  1.3 纳米润滑薄膜  15-16
    1.3.1 纳米薄膜的分类  15-16
    1.3.2 纳米润滑膜  16
  1.4 纳米摩擦学  16-17
  1.5 纳米薄膜润滑理论的研究进展  17-21
    1.5.1 实验方向上研究进展  17-20
    1.5.2 计算机模拟在纳米薄膜润滑研究中的应用  20-21
  1.6 本课题研究的主要内容和意义  21-22
  参考文献  22-26
第二章分子动力学模拟方法介绍  26-35
  2.1 分子模拟相关介绍  26-28
  2.2 分子动力学模拟原理及在润滑研究中的应用  28-29
  2.3 平衡态分子动力学模拟  29-32
    2.3.1 基本方程  29-30
    2.3.2 求解方法  30-31
    2.3.3 周期性边界条件  31-32
  2.4 非平衡态分子动力学模拟  32-33
  参考文献  33-35
第三章纳米级烷烃润滑薄膜剪切条件下的分子动力学模拟  35-55
  3.1 引言  35-36
  3.2 模型与方法  36-38
  3.3 模拟结果与讨论  38-53
    3.3.1 动力学过程研究  38-40
    3.3.2 密度剖面分析  40-43
    3.3.3 温度剖面的变化  43-45
    3.3.4 剪切速率对层间滑移的影响  45-48
    3.3.5 分子构型变化  48-51
    3.3.6 均方根位移  51-53
  3.4 本章小结  53
  参考文献  53-55
第四章限制在固体表面间超薄膜润滑性质和流变行为的非平衡分子动力学模拟  55-74
  4.1 引言  55-56
  4.2 模型与方法  56-58
  4.3 模拟结果与讨论  58-72
    4.3.1 润滑薄膜结构和层间滑移  58-65
    4.3.2 温度剖面的变化  65-68
    4.3.3 墙面剪切应力的变化  68-70
    4.3.4 动力学性质研究  70-72
  4.4 本章小结  72
  参考文献  72-74
致谢  74-75
硕士期间发表论文  75-76
学位论文评阅及答辩情况表  76

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