模擬研究聚異戊二烯橡膠與鐵金屬的摩擦性能

胡夢夢,楊 斌,夏 茹,2,錢家盛,陳 鵬*

(1.安徽大學 化學化工學院,綠色高分子材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230601;2.高性能橡膠材料及制品安徽省重點實驗室,安徽 寧國 242300)

橡膠材料在密封件、減震器、軸承等多個工業(yè)領(lǐng)域有重要的應用[1-3].在機械部件中,金屬與橡膠材料的銜接部分不可避免地會產(chǎn)生摩擦損耗.摩擦會導致橡膠材料產(chǎn)生損耗,嚴重影響橡膠的使用壽命,因此橡膠材料與金屬表面的摩擦性能是一個重要的研究課題[4-6].為了減少橡膠材料在使用過程中產(chǎn)生的摩擦磨損,人們做了許多相關(guān)探索.如Han等[7]將芳綸纖維添加到橡膠中得到復合材料,然后分析芳綸纖維對攪拌機端面金屬摩擦磨損的影響.結(jié)果表明,芳綸纖維可減少橡膠化合物在金屬上的磨損.Pan等[8]通過在橡膠與混煉室壁之間的界面處加入適當?shù)臐櫥瑒㎝oS2,混煉室的摩擦系數(shù)和金屬表面磨損率均降低(約24%),同時膠料的綜合性能呈改善趨勢.上述實驗探索了橡膠材料與金屬表面的摩擦學性能,但相關(guān)研究受限于具體的實驗條件和研究對象,還需要進一步明確金屬與橡膠材料摩擦過程的主要影響因素和變化規(guī)律.

筆者通過分子動力學模擬的方法定性分析了金屬鐵與聚異戊二烯橡膠材料相互滑動過程中的摩擦現(xiàn)象,著重探究了滑動速度、環(huán)境溫度對橡膠/鐵體系摩擦力以及橡膠磨損程度的影響,以期為減緩聚異戊二烯橡膠材料的磨損、延長其使用壽命提供理論基礎(chǔ).

1 模型與模擬方法

筆者建立的“聚異戊二烯橡膠/金屬鐵/聚異戊二烯橡膠”上下3層的全原子模型如圖1所示.體系由橡膠和鐵2種材料組成.其中,橡膠材料是聚合度為20的聚異戊二烯分子鏈模型,橡膠材料的密度設(shè)置為0.98 g·cm-3.模擬采用COMPASS (condensed-phase optimized molecular potential for atomistic simulation study)力場描述聚異戊二烯分子鏈[9-12],EAM(embedded atom model)勢描述金屬鐵[13].LJ9-6[14-16]勢描述體系中的非鍵相互作用,其相互作用參數(shù)使用Lorentz-Berthelot混合規(guī)則[17]來計算.

圖1 聚異戊二烯橡膠/鐵摩擦體系組成示意圖

所有的計算過程均在大規(guī)模原子/分子并行計算模擬器(LAMMPS)中完成[18].模擬體系中,鐵與橡膠塊滑動方向(圖1中,x方向)采用自由邊界條件,邊界在恒溫恒壓下根據(jù)粒子運動情況發(fā)生移動;同一平面的另一方向(圖1中,y方向)上采用固定邊界條件,模擬體系在該方向上被限制在剛性壁之間.垂直于滑動方向的z方向上(圖1所示)采用周期性邊界條件.模擬體系的時間步長設(shè)置為0.1 fs(飛秒).模擬體系首先在等溫等壓(NPT)系綜下進行弛豫達到平衡狀態(tài).之后,賦予中間層金屬鐵水平方向(圖1中x方向)的初始速度(2～16 ?·ps-1),使其沿著水平方向與聚異戊二烯橡膠產(chǎn)生相對滑動.統(tǒng)計水平方向的滑動阻力,分析模型各參數(shù)對體系摩擦力以及橡膠磨損程度的影響.全部模擬過程使用Velocity-Verlet積分算法求解牛頓運動方程.

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定

為了驗證參數(shù)及模型的合理性,筆者首先計算了聚異戊二烯橡膠模型體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.體系充分弛豫之后,將體系溫度從180 K緩慢升溫至300 K,觀察到體系的體積與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 聚異戊二烯橡膠模型體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度圖

由圖2可知,在225 K左右體系出現(xiàn)體積變化速率的躍遷,這表明,聚異戊二烯橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在225 K左右.實驗測試聚異戊二烯橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在213 K左右[19],兩者非常接近,證明了筆者研究中模型及參數(shù)的合理性.

2.2 滑動速度對橡膠/鐵體系摩擦過程的影響

筆者分別考察了200,250,300 K環(huán)境溫度下橡膠/鐵體系中,鐵塊滑動引起的摩擦現(xiàn)象.為了分析橡膠/鐵體系中的摩擦過程,改變鐵塊的滑動速度(依次設(shè)為2,4,8,10,16 ?·ps-1),測定了摩擦模擬過程中的聚異戊二烯橡膠的均方位移,結(jié)果如圖3所示;摩擦力的變化如圖4所示.

(a)T=200 K;(b)T=250 K;(c)T=300 K．圖3 聚異戊二烯橡膠分子均方位移在不同鐵塊滑動速度下隨滑動時間的變化情況

(a)T=200 K;(b)T=250 K;(c)T=300 K．圖4 體系摩擦力在不同鐵塊滑動速度下隨滑動時間的變化情況

由圖3可知,在200,250,300 K的環(huán)境溫度下,橡膠區(qū)域的均方位移全部都隨著鐵塊滑動速度的增大逐漸增大.這表明,橡膠區(qū)域的擴散程度與鐵塊的滑動速度呈正相關(guān).

通過圖4可以看出,無論是在200 K(圖4(a))、250 K(圖4(b))還是300 K(圖4(c)),摩擦力均隨著鐵塊滑動速度的增大而逐漸增大.通過圖3和圖4可知,滑動速度越大,橡膠區(qū)域受到的摩擦力越大,從而導致橡膠形變增加(分子鏈均方位移增大).

在實際的摩擦過程中,較軟的橡膠分子會被鐵等金屬物質(zhì)摩擦損失部分物質(zhì),這種現(xiàn)象被稱為磨損.在筆者的模擬研究中,可以觀察到在相對滑動過程中,有一部分聚異戊二烯分子鏈會被鐵塊帶走,離開橡膠基體.如圖5所示,在不同的鐵塊滑動速度下,離開基體的聚異戊二烯分子鏈的粒子數(shù)目不同.在摩擦過程中離開聚異戊二烯橡膠基體的粒子看作被金屬鐵摩擦損失掉的粒子,將損失掉的粒子總數(shù)與橡膠基體粒子總數(shù)的比值作為磨損率[20].

(a)v=2 ?·ps-1;(b)v=4 ?·ps-1;(c)v=8 ?·ps-1;(d)v=10 ?·ps-1;(e)v=16 ?·ps-1.圖5 滑動摩擦過程中,聚異戊二烯橡膠的磨損現(xiàn)象

為了研究不同溫度下鐵塊滑動速度對磨損率的影響,分別在200,250,300 K溫度下,計算了不同鐵塊滑動速度(2,4,8,10,16 ?·ps-1)條件下橡膠的磨損率,結(jié)果如圖6所示.

(a)T=200 K;(b)T=250 K;(c)T=300 K．圖6 磨損程度隨鐵塊滑動速度的變化情況

根據(jù)圖6可知,在3種體系溫度下(200,250,300 K),橡膠的磨損率都隨著滑動速度的增大而逐漸降低.這是由于聚合物的弛豫作用,當滑動速度較大的時候,橡膠基體與金屬鐵的界面作用被迅速破壞,橡膠分子鏈還來不及充分運動,因此橡膠的磨損率隨著滑動速度的增加而降低.

在實際的摩擦過程中,橡膠的磨損率似乎隨著摩擦頻率和變形尺寸增加而更加顯著.這里需要說明的是,筆者研究的磨損率是在相同摩擦次數(shù)中計算得到的.在實際的摩擦過程中,高頻振動或大尺寸形變對應著更多的摩擦頻率,因此同樣時間觀察到的磨損率比低頻振動或小尺寸形變情況下更大.

2.3 環(huán)境溫度對橡膠/鐵體系摩擦性能的影響

橡膠分子鏈的運動能力和物理性能與環(huán)境溫度密切關(guān)聯(lián).理論上分析,溫度對金屬鐵和聚異戊二烯橡膠材料體系摩擦力以及對橡膠磨損程度均有重要的影響.為了觀察溫度對體系摩擦力的影響,擴大溫度變化范圍(150,200,250,300,350 K),比較體系的摩擦力以及橡膠基體的磨損率變化情況.模擬體系中,金屬鐵塊的滑動速度保持為10 ?·ps-1,模擬結(jié)果如圖7所示.

圖7 摩擦力(a)以及磨損程度(b)隨溫度的變化

由圖7(a)可知,隨著溫度逐漸升高,摩擦力呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,并且在聚異戊二烯橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=225 K)左右的位置,摩擦力達到最大.根據(jù)圖7(b)知,隨著環(huán)境溫度逐漸升高,橡膠的磨損率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢.這是因為,隨著環(huán)境溫度的增加,橡膠分子鏈的運動能力變強,橡膠基體與金屬鐵之間的相互作用力更容易破壞橡膠基體,所以導致了橡膠磨損率隨著體系溫度升高而增大.

3 結(jié)束語

通過分子動力學模擬方法構(gòu)建了聚異戊二烯橡膠與金屬鐵摩擦過程的全原子模型,探究了滑動速度和環(huán)境溫度對摩擦過程的影響.模擬結(jié)果表明,環(huán)境溫度的升高會導致橡膠的磨損程度增大,而提高滑動速度能夠有效降低橡膠的磨損率.該結(jié)果有望為減少聚異戊二烯橡膠材料在使用過程中的摩擦磨損、延長使用壽命提供理論基礎(chǔ).