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天然橡胶微观接触行为与摩擦性能的MD模拟

刘国庆  
【摘要】:天然橡胶是一种常用的高分子材料,被广泛地应用于工业工程、机械、航空航天、航海以及军事等领域。但橡胶材料的使用寿命在很大程度上限制了橡胶材料的应用与发展,而橡胶材料的摩擦性能是影响其使用寿命的重要因素。因此橡胶材料的摩擦性能受到越来越多关注。传统的研究方法都是基于实验展开,实验方法由于尺度效应的限制只能得出在宏观状态应用比较广泛的结果,而随着科技的发展,材料的应用场合也在变化,越来越多的橡胶材料已经被应用于微小器件的生产。近年来,随着计算机科学技术的发展,使用计算机模拟的方法研究材料性能已成为一种趋势。使用分子动力学的方法,通过计算机模拟从原子分子级别实现对天然橡胶微观接触行为及摩擦性能的定性研究。(1)使用分子模拟软件Material Studio(MS)建立天然橡胶模型,并对模型结构进行优化处理,使用LAMMPS软件将建立好的模型做二次处理,并通过模拟得到天然橡胶玻璃化转变温度为221K,与实验值对比非常接近,说明模拟方法可行,选取的势函数参数比较准确。通过对玻璃化转变温度的模拟熟悉分子动力学模拟的方法与过程。(2)通过给探头施加初速度冲击橡胶基底对探头按压橡胶基底的微观接触过程进行模拟,采集模拟数据讨论天然橡胶运动状态的变化分析天然橡胶力学性能。主要研究了橡胶分子链聚合度以及所处环境温度对天然橡胶按压接触过程的影响。结果显示橡胶分子链聚合度对橡胶力学性能有一定影响,分子链聚合度较大时,橡胶材料力学性能较好,探头冲击过程中,速度减小较快,探头在橡胶基底内部位移较小,探头压入过程时间较短。环境温度对按压过程的影响呈现不同趋势,玻璃化转变温度之下,随温度升高,天然橡胶抵抗外力能力增强,在玻璃化转变温度之上,随温度升高,天然橡胶硬度降低,抵抗外力能力减小。分析按压过程基底原子构型图发现随温度升高,天然橡胶弹性性能增强。(3)采用分子动力学的方法对探头与天然橡胶摩擦过程进行模拟,主要探讨了环境温度与探头滑动速度对天然橡胶摩擦过程的影响。结果显示,速度一定时在玻璃化转变温度之下,滑动过程中摩擦力随温度的升高增大,在玻璃化转变温度之上时随温度的增大,滑动摩擦力减小。温度对滑动摩擦系数的影响与对摩擦力的影响基本相同,在玻璃态下,随着温度的升高,摩擦系数较大,而当温度增大到玻璃化转变温度之上时,摩擦系数随温度升高而减小。环境温度对接触区域温度变化的影响表现在一般情况下,环境温度较低时,接触区域温度变化率较大,环境温度较高时,接触区域温度变化率较小。当滑动速度变化时,摩擦力、摩擦系数以及接触区域温度随滑动速度的增大而增大。


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