基于分子动力学的GCr15与PTFE摩擦磨损机理及其实验研究

With the continuous in-depth investigation of tribological issues and the application of new materials, friction and wear mechanisms of trobopair surface have been unable to be explained using macroscopic methods. Molecular dynamics method is an effective way to study the wear mechanisms of trobopair surface from the microscopic point of view. However, the limitation of the interatomic potential and the dimension difference between full-atom model and the macroscopic experimental results restrict the application of molecular dynamics method in the tribology field. In this project, we take the friction process between GCr15 and PTFE as an example to analyze the wear mechanisms of PTFE based on molecular dynamics method from microcosmic point of view. The interatomic potentials are built using lattice inverse method and the full-atom model of friction between GCr15 and PTFE is established; the coarse grained model is obtained based on the established full-atom model of GCr15 and PTFE using multistate extension of iterative Boltzmann inversion method. We investigate the variations of PTFE wear with normal load, relative velocity and environmental temperature using the established coarse grained model and experimental method, respectively. The distribution of PTFE and its distribution on the surface of GCr15 are also studied as a function of above factors. Through comparing the simulation results and the experimental results, the established coarse grained model can be verified and the wear mechanisms of PTFE can also be revealed. The achievements of this project lay the foundation for simulating the friction process from the mesoscopic point of view and analyzing the material wear mechanism from the microscopic point of view.

随着摩擦学问题研究的不断深入及新型材料的应用，摩擦副表面的摩擦磨损机理已无法用宏观方法解释。分子动力学方法是从微观角度研究摩擦副表面磨损机理的有效方法。然而有限的原子间作用势及全原子模型与宏观实验结果在尺度上的差别限制了分子动力学方法在摩擦学领域的应用。本项目以GCr15与PTFE的摩擦为例，基于分子动力学方法从微观角度分析PTFE的磨损机理。利用晶格反演法构建原子间作用势并建立二者的全原子模型；利用多态迭代玻尔兹曼反转法构建二者摩擦的系统粗粒化模型。采用所构建的系统粗粒化模型及实验方法分别研究二者摩擦时，PTFE的磨损随法向载荷、相对移动速度及环境温度的变化规律，并分析PTFE的分布及其在GCr15表面分布随以上各因素的变化规律。通过对比模拟结果和实验结果，验证粗粒化模型并从微观角度揭示PTFE的磨损机理。研究结果为从介观尺度模拟材料的摩擦过程，从微观角度分析材料的磨损机理奠定基础。

摩擦是普遍存在于具有相对运动的两个物体之间的自然现象。目前对界面内摩擦磨损问题的研究主要采用实验方法，该方法无法从微观角度揭示材料的摩擦磨损机理，因此本项目基于粗粒化分子动力学理论探索了一种能从微观角度揭示材料摩擦学机理的方法。本项目首先构建了PTFE的全原子模型，通过分析PTFE分子的结构特点，建立了PTFE的全原子模型与粗粒化模型的映射关系，拟合了PTFE粗粒化粒子间的成键及非成键相互作用势，构建了PTFE的粗粒化模型。通过对比粗粒化模型和全原子模型的径向分布函数，键长分布和键角分布验证了本项目所构建的粗粒化模型的正确性。考虑到PTFE在摩擦过程中会转移到其对磨副表明使PTFE与其对磨副的摩擦转化为PTFE-PTFE摩擦，本项目基于所构建的PTFE粗粒化模型构建了PTFE-PTFE摩擦模型，分析了载荷、速度和分子碎片对PTFE摩擦磨损性能的影响机理。模拟结果表明随着载荷的增加，摩擦力增加的幅度比正压力增加的幅度小，从而导致摩擦系数随着载荷的增加而降低，这与试验研究结果吻合。当上试件所受载荷增加时，下试件的PTFE分子受上试件的挤压，主要沿着z方向移动，沿着x和y方向的移动距离很小。因此在z方向上形成较深的磨痕，在x，y方向上形成了少量的PTFE分子堆积。相对于载荷，分子碎片对PTFE摩擦磨损性能的影响较小。本项目基于分子动力学方法在构建GCr15的粗粒化模型时对其进行了简化，构建了α-Fe的粗粒化模型，拟合了Fe粒子之间的相互作用势，并建立了Fe-PTFE摩擦模型。研究了载荷对PTFE摩擦系数的影响机理。通过拟合PTFE粒子在不同温度下的相互作用势参数，分析了温度对Fe-PTFE摩擦系数的影响机理。随着温度的增加，键能和键角能明显增加，导致PTFE粒子间的相互作用力逐渐变弱。动能的增加在一定程度上增加了Fe与PTFE的相互作用力，但动能的值小于键能和键角能，因此动能所导致的Fe与PTFE之间相互作用力的增加要小于分子变形所导致的相互作用力减小。本项目的研究可为其他高分子材料摩擦磨损性能的研究提供参考。