【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及摩擦学性能评价，具体涉及一种分子摩擦模型及其建模方法和应用、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦学性能的评价方法。
技术介绍
1、聚四氟乙烯(ptfe)由于其优异的耐高温和耐低温性，良好的化学稳定性和低摩擦系数(cof)，已广泛用于各种工程应用，如轴承和密封部件。然而，ptfe的硬度低，耐磨性差，使其无法应对复杂和极端的条件。因此，许多研究致力于通过在ptfe基体中加入聚合物添加剂、纤维填料和纳米颗粒等各种功能填料，用于改善ptfe复合材料摩擦学性能。
2、目前，改性纳米颗粒填充ptfe性能的评价方法包括实验方法和构建摩擦模型。其中，构建摩擦模型具有耗时短、成本低和误差小的优势，应用越来越广泛。传统的构建摩擦模型的方法是先建立中间的周期性复合材料，随后对其进行几何优化和动力学平衡，为了保证初始摩擦界面平整，切断穿插出z(法向)方向周期性盒子的ptfe分子链，最后再将两层摩擦副放置在复合材料层的表面并添加真空层。但是，由于模型中的ptfe分子链是随机填充的，切断穿插出的ptfe分子链，就会导致模型之间的断链差异，从而无法精确地预测复合材料的摩擦学性能。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种分子摩擦模型及其建模方法和应用、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦学性能的评价方法。本专利技术提供的分子摩擦模型中聚合物分子链均是完整未断裂的，聚合物分子链之间无差异，且摩擦界面处平整、无穿插，能够更加精确地预测复合材料的摩擦学性能。
2、
3、本专利技术提供了一种分子摩擦模型，包括依次层叠的第一真空层、第一摩擦副层、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层、第二摩擦副层和第二真空层；
4、所述第一摩擦副层和第二摩擦副层的摩擦副材料相同，所述第一摩擦副层和第二摩擦副层具有周期性超胞结构；
5、所述改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层包括单层改性纳米颗粒层和填充在所述单层改性纳米颗粒层周围无规排列、未断裂的聚合物分子链；
6、所述单层改性纳米颗粒层包括纳米颗粒和接枝在所述纳米颗粒表面的官能团。
7、优选地，所述纳米颗粒包括碳纳米管、石墨烯或氮化硼；
8、所述官能团包括羟基、羧基、酯基、氨基和氟化官能团中的至少一种。
9、优选地，所述聚合物分子链的材料包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、天然橡胶和丁腈橡胶中的至少一种。
10、优选地，所述摩擦副材料包括金属或二氧化硅晶体。
11、本专利技术提供了上述技术方案所述分子摩擦模型的建模方法，采用分子动力学模拟软件构建，包括以下步骤：
12、对摩擦副进行晶胞扩展，得到摩擦副周期性超胞，将所述摩擦副周期性超胞的中间层部分删除，得到摩擦副-空心层-摩擦副模型；
13、在所述摩擦副-空心层-摩擦副模型的空心层中构建单层纳米颗粒，将官能团接枝到所述单层纳米颗粒的表面，然后采用随机行走的方式在空心层中填充聚合物分子链，得到摩擦副-复合材料-摩擦副模型；
14、在所述摩擦副-复合材料-摩擦副模型的上下两表面分别设置真空层，得到分子摩擦初步模型；
15、对所述分子摩擦初步模型进行几何优化-动力学平衡，得到所述分子摩擦模型。
16、优选地，所述几何优化-动力学平衡包括：将所述分子摩擦初步模型中的摩擦副固定，采用共轭梯度法对复合材料进行几何优化，解除对于摩擦副层的固定，将摩擦副设为刚体，施加法向载荷，然后对复合材料进行等温等容系综退火模拟。
17、本专利技术提供了上述技术方案所述的分子摩擦模型或上述技术方案所述建模方法构建得到的分子摩擦模型在改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦学性能评价中的应用。
18、优选地，所述摩擦学性能评价的指标参数包括摩擦系数、磨损率、摩擦界面相互作用能和摩擦界面处聚合物分子链的表面粗糙度中的至少一种。
19、本专利技术还提供了一种改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦学性能的评价方法，所述摩擦学性能包括摩擦系数、磨损率和摩擦界面相互作用能中的至少一种；
20、所述摩擦系数的获得方法包括以下步骤：记录分子摩擦模型在分子动力学摩擦过程中的受力情况，根据式(1)计算改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦系数；
21、μ＝ff/fn 式(1)；
22、式(1)中，μ表示摩擦系数，ff和fn分别表示摩擦副与改性纳米颗粒填充聚合物复合材料界面间的摩擦力和法向力；
23、所述磨损率的获得方法包括以下步骤：记录分子摩擦模型在分子动力学摩擦过程中的运动轨迹，根据式(2)计算改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的磨损率；
24、ar＝nleave/ntotal 式(2)；
25、式(2)中，ar表示磨损率，nleave和ntotal分别表示摩擦过程中离开聚合物的原子数和初始聚合物中的总原子数；
26、所述摩擦界面相互作用能的获得方法包括以下步骤：记录分子摩擦模型在分子动力学摩擦过程中的运动轨迹和受力情况，利用式(3)计算改性纳米颗粒与聚合物的摩擦界面相互作用能；
27、uinter＝utotal-upolemer-unanoparticle 式(3).
28、式(3)中，uinter表示改性纳米颗粒与聚合物的摩擦界面相互作用能，utotal表示复合材料的总能量，upolemer表示聚合物的能量，unanoparticle表示改性纳米颗粒的能量；
29、所述分子摩擦模型为上述技术方案所述的分子摩擦模型或上述技术方案所述建模方法构建得到的分子摩擦模型。
30、优选地，所述分子动力学摩擦过程包括：设置分子摩擦模型的第一摩擦副层和第二摩擦副层为刚体，施加法向载荷，在等温等容系综下分别对第一摩擦副层和第二摩擦副层施加沿x轴的相反方向恒定速度滑动；
31、所述分子动力学摩擦过程中，采用的力场为pcff力场，采用langevin方法控制复合材料的温度。
32、本专利技术提供了一种分子摩擦模型，包括依次层叠的第一真空层、第一摩擦副层、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层、第二摩擦副层和第二真空层；所述第一摩擦副层和第二摩擦副层的摩擦副材料相同，所述第一摩擦副层和第二摩擦副层具有周期性超胞结构；所述改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层包括单层改性纳米颗粒层和填充在所述单层改性纳米颗粒层周围无规排列、未断裂的聚合物分子链；所述单层改性纳米颗粒层包括纳米颗粒和接枝在所述纳米颗粒表面的官能团。本专利技术提供的本专利技术提供的分子摩擦模型中聚合物分子链均是完整的，聚合物分子链之间无差异，且先构建两层摩擦副层，然后再向中间层填充聚合物分子链，既保证了不切断分子链也能模型的摩擦界面处平整、无穿插，能够更加精确地预测复合材料的摩擦学性能。采用本专利技术提供的分子摩擦模型，运用分子动力学计算方法，能够从原子尺度定性和定量地分析不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分子摩擦模型，包括依次层叠的第一真空层、第一摩擦副层、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层、第二摩擦副层和第二真空层；
2.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述纳米颗粒包括碳纳米管、石墨烯或氮化硼；
3.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述聚合物分子链的材料包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、天然橡胶和丁腈橡胶中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述摩擦副材料包括金属或二氧化硅晶体。
5.权利要求1～4任一项所述分子摩擦模型的建模方法，采用分子动力学模拟软件构建，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述几何优化-动力学平衡包括：将所述分子摩擦初步模型中的摩擦副固定，采用共轭梯度法对复合材料进行几何优化，解除对于摩擦副层的固定，将摩擦副设为刚体，施加法向载荷，然后对复合材料进行等温等容系综退火模拟。
7.权利要求权利要求1～4任一项所述的分子摩擦模型或权利要求5～6任一项所述建模方法构建得到的分子摩擦模型在改性纳米颗粒
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述摩擦学性能评价的指标参数包括摩擦系数、磨损率、摩擦界面相互作用能和摩擦界面处聚合物分子链的表面粗糙度中的至少一种。
9.一种改性纳米颗粒填充聚合物复合材料的摩擦学性能的评价方法，所述摩擦学性能包括摩擦系数、磨损率和摩擦界面相互作用能中的至少一种；
10.根据权利要求9所述的评价方法，其特征在于，所述分子动力学摩擦过程包括：设置分子摩擦模型的第一摩擦副层和第二摩擦副层为刚体，施加法向载荷，在等温等容系综下分别对第一摩擦副层和第二摩擦副层施加沿x轴的相反方向恒定速度滑动；
...【技术特征摘要】
1.一种分子摩擦模型，包括依次层叠的第一真空层、第一摩擦副层、改性纳米颗粒填充聚合物复合材料层、第二摩擦副层和第二真空层；
2.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述纳米颗粒包括碳纳米管、石墨烯或氮化硼；
3.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述聚合物分子链的材料包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、天然橡胶和丁腈橡胶中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的分子摩擦模型，其特征在于，所述摩擦副材料包括金属或二氧化硅晶体。
5.权利要求1～4任一项所述分子摩擦模型的建模方法，采用分子动力学模拟软件构建，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述几何优化-动力学平衡包括：将所述分子摩擦初步模型中的摩擦副固定，采用共轭梯度法对复合材料进行几何优化，解除对于摩擦副层的固定，将摩擦副设...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵晶，杨亚迪，王世杰，蒋博文，靳盛博，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：
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