半晶态聚合物拉伸变形的微观机理

应用大规模分子动力学方法,采用粗粒化聚乙烯醇模型,模拟了晶区与非晶区随机交杂的半晶态聚合物模型系统,研究了半晶态聚合物在单轴拉伸变形过程中的应力-应变行为和微观结构演变.应力-应变曲线表现出4个典型变形阶段:弹性变形、屈服、应变软化和应变强化.在拉伸变形过程中,主要存在晶区折叠链之间的滑移、晶区破坏、非晶区的解缠结,以及分子链沿拉伸方向重新取向等4种主要的微结构演变形式.在屈服点附近,晶区分子链之间排列紧密程度减小而发生滑移,之后晶区变化需要的应力变小,从而形成应变软化现象.随着应变的增大,经各分子链段协同作用使非晶区分子链的解缠结和重新取向行为扩展到相对宏观尺度,导致拉伸应力增大而形成应变强化现象.

水润滑橡胶轴承的弹流润滑分析

本文对水润滑橡胶套筒轴承进行了弹流润滑分析。橡胶衬层多沟槽机理的几何结构由有限元软件ＭＡＲＣ产生，以近似不可压缩的线弹性体为力学模型，应用ＭＡＲＣ产生了橡胶衬层的柔度矩阵，流体润滑方程来用的是紊流雷诺方程。计算了水润滑模胶轴承的水膜压力分布、厚度分布和承载能力，揭示的变形特征和实验结果相一致。

弹性变形对径向轴承弹流润滑性能的影响

本文以具有不同弹性模量、泊松系数的两种轴承材料为例分析了弹性变形对有限长径向滑动轴承的弹流润滑性能的影响。流体动力润滑方程采用雷诺方程 ,应用力学问题的通用有限元软件MARC产生柔度矩阵计算弹性变形。对比分析了二种轴承的油膜压力分布、油膜厚度分布、最小油膜厚度以及承载能力。

用柔度矩阵法对径向滑动轴承的弹流润滑分析

对径向滑动轴承进行了弹流润滑分析 ,利用了有限元软件MARC产生柔度矩阵 ,以近似计算轴承的弹性变形。对比分析了径向轴承的刚性流体润滑性能和弹性流体润滑性能。计算结果和已有文献资料良好吻合 ,表明在弹流润滑分析中用柔度矩阵法计算弹性变形具有良好的精度。

半晶态聚合物的分子动力学模拟

采用粗粒化聚乙烯醇模型,应用分子动力学方法模拟熔融态聚合物经过缓慢冷却、局部结晶形成半晶态聚合物的过程.静态结构因子的演变显示出在结晶初期小角散射强度的增大先于布拉格峰的出现,这与小角/大角X射线散射实验现象相一致.模拟得到的半晶态聚合物呈现为折叠链构成的晶区与非晶区交杂在一起的结构形态,与缨状微束结构模型相一致.研究发现在不同的冷却阶段具有不同的有序结构形成机制.从结晶温度到玻璃化温度的凝固过程中,存在分子链的伸展和伸直分子链之间平行排列两种形式的结构转变;而在玻璃化温度之后,材料的活性只允许调整伸直分子链之间的相对排列位置.

非晶态聚合物摩擦行为的分子动力学模拟

为了探究锥形光滑探头在非晶态聚合物表面上滑动时聚合物所表现的摩擦行为,在不同温度、不同粘着强度下,采用珠簧模型,应用分子动力学方法模拟了此滑动过程。通过分析此滑动过程中的聚合物链结构(键取向和链构象),阐释了聚合物薄膜与探头间交接区的结构动力学特征。当聚合物处于玻璃态,且探头与基体之间的作用是粘着作用时,其交接区中的高分子链的键取向沿滑动方向取向。且表征链构象的回转半径值也在滑动方向上增大到滑动前的10倍左右,即链构象发生了显著的改变。

优化齿廓修形曲线对润滑性能的影响

本文通过对齿廓抛物线的修形，来优化标准渐开线直齿轮的润滑性能。通过对齿面的接触分析，将齿轮啮合原理和弹性流体动力润滑理论有机地结合，计算了修形齿轮的润滑性能，并以一个啮合周期的平均润滑性能为目标优化修形长度、齿顶修形量和抛物线修形曲线；编制了Ｃ语言程序，分析了数值计算结果，得到了一些有益的结论。

纳米接触行为的三维多尺度数值模拟

应用分子动力学与有限元耦合的桥域多尺度算法,模拟三维刚性球形压头与光滑基体表面的纳米尺度接触行为,并与全原子分子模拟结果比较.考察在一定载荷下的系统弛豫行为、两种模型桥接区位移和应力的连续性、法向力和接触面积随压头位移变化等,结果表明:一定外载荷下,桥域多尺度算法能较快达到平衡状态,且压头的振荡幅度更小,系统初始温度为0 K时该算法的相对误差最小.在准静态加载过程中,该算法能够将原子区的位移、应力等连续的过渡到连续介质区,具有较好的耦合效果;法向力-压头位移和接触半径-压头位移曲线几乎与分子模拟结果重合,表明算法具有较高的计算精度.

流体惯性对橡胶轴承水润滑性能的影响

以水润滑橡胶轴承的典型数值为例,说明轴承流动状态跨越了层流、第二层流区以及紊流3个区域。从连续性方程和Navier-Stokes方程出发,推导了适用于第二层流区的考虑惯性力的雷诺方程。通过数值计算,考察了流体惯性对圆柱轴承润滑性能和承载能力的影响。发现流体惯性导致水膜压力和承载能力略微增大,轴心平衡位置发生微小改变,可以认为在第二层流区流体惯性对橡胶轴承水润滑性能的影响甚微。

半晶态与非晶态聚合物的微观变形机理

采用粗粒化聚乙烯醇模型,应用大规模分子动力学分别模拟半晶态和非晶态聚合物的单轴拉伸变形,探究两者潜在的变形机理。半晶态聚合物的应变软化过程主要发生在晶区,而应变强化过程主要体现在非晶区。晶区在屈服点发生滑移,初始滑移形成使晶区变化需要的拉伸力变小,而发生应变软化。随着应变的增大,各分子链段协同作用使二者分子链的解缠结达到最大,取向趋向于拉伸方向,从而使拉伸应力增大发生应变强化。重要的是还得到半晶态聚合物中的非晶区,表现出与非晶态聚合物相似的应力-应变行为。

纳米级粗糙表面接触行为的分子动力学模拟

为了研究纳米级粗糙表面接触的微观机理,以金刚石为例,采用Tersoff势,用分子动力学方法研究了具有分形粗糙表面的刚性球形探头与弹性平面的接触过程。模拟结果显示,探头的表面形貌是影响趋近阶段粘附力的重要因素,分形维数越大,粘附力越大;探头的表面形貌对载荷-位移曲线也有影响,载荷较小时,探头表面粗糙形貌显著影响载荷的增长规律,载荷较大时,表面形貌对载荷-位移曲线变化的影响不再显著,载荷与位移线性增长;探头表面的纳米级粗糙峰,显著地影响了探头与基体之间的接触行为。但这种改变,并不会影响接触过程中真实接触面积与法向载荷间的线性关系。

多尺度方法在微/纳接触行为模拟中的应用进展

多尺度方法在求解的不同区域采用不同尺度的力学模型,在精确描述材料力学行为的同时,提高了计算效率,是近年来得到较大发展和广泛应用的一种材料计算方法。介绍了跨原子和连续介质多尺度算法的过渡区设计、基本算法,以及影响算法精度的主要因素。评述了多尺度方法在微/纳粗糙表面接触行为研究中的应用,在三维多尺度算法中更好地控制温度将提高模拟精度。

氧化石墨烯褶皱行为与结构的分子模拟研究

应用反应力场分子动力学方法,模拟了单层氧化石墨烯在径向压缩作用下的褶皱过程,研究了含氧基团(羟基、环氧基)对氧化石墨烯褶皱行为以及褶皱球结构稳定性的影响.当石墨烯仅含羟基时,该类氧化石墨烯呈现出“推进式”的褶皱行为,而当石墨烯仅含环氧基时,该类氧化石墨烯则呈现出片层与片层“贴合式”的褶皱行为.褶皱行为的不同决定了氧化石墨烯最终褶皱球结构的差异.通过分析原子级势能增量分布与C—C成、断键位置之间的关系,发现氧化石墨烯上C—C成、断键主要发生在变形较为严重的区域,且相较于羟基,环氧基对与其连接的C—C键具有更强的削弱作用.为了研究氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性,模拟了其在无约束条件下的释放过程.发现氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性取决于其中C—C成、断键数量,即C—C成、断键的数量越多,结构越稳定,且在同一氧化率下,褶皱球的结构稳定性随环氧基比例的增大而提高.本研究表明,通过改变氧化石墨烯片层上含氧基团的相对比例,可实现对其褶皱球稳定性的控制.

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法,模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程,研究了基底表面与水形成的界面氢键,及其对受限水结构和动态特性行为的影响.当基底表面硅醇固定时,靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键,这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面,从而水分子的偶极矩远离表面.当基底表面硅醇可动时,靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键,一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键,数量较少,另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键,数量较多,这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面,从而水分子的偶极矩指向表面.在相同几何间距下,当基底表面硅醇可动时,表面的活动性使得几何限制作用减弱,导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显.此外,固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强,数量较多,导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.

硅基材料界面石墨烯片层运动行为及其摩擦特性

应用从头算分子动力学方法,模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程,研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响.干燥环境下,压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移,而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移.潮湿环境下,界面结构影响水分子的整体分布和运动状态,而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为.由于二氧化硅表面羟基取向角较大,使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大,从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱,二者之间出现相对滑移.石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变.通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析,发现其与摩擦系数之间存在正相关性.

金属原子催化作用下缺陷石墨烯薄膜的自修复过程

采用分子动力学方法,模拟了金属原子存在条件下缺陷石墨烯的自修复过程.模拟采用了 Ni 和 Pt 两种金属原子作为催化剂,通过改变系统温度,得到了多组模拟结果.观察对比了模拟结束时获得的原子构型图,并通过计算修复过程中石墨烯内 5, 6, 7 元环的数量变化,研究了不同金属原子对缺陷石墨烯的催化修复效果,发现在适当的温度(1600 K 和 2000 K)下,与无金属原子条件下的修复结果相比,两种金属原子都表现出了一定的催化修复能力,且 Ni 表现出的催化修复能力要优于 Pt.为了探究其背后的机理,我们模拟了部分典型的结构演变.发现 Ni 和 Pt 原子分别会导致“环内跳出”和“断环”的局部结构转变,并且在不同温度下均表现出不同程度捕获碳链的能力.此外,观察了两种金属原子在平面内外的不同迁移行为,并通过绘制金属原子的迁移路线,计算其迁移量,进一步研究了两种金属原子不同的催化修复机理.研究结果有利于认识不同金属原子具有的不同催化修复效果,理解不同金属原子的催化作用机制,有助于针对缺陷石墨烯的修复选择合适的催化剂.

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象,分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征,以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑,小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化,在非晶层外面基体以可恢复的(111)[110]滑移结构存储弹性形变能.在射入过程,基体发生压缩弹性形变;颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量.

纳米粒子碰撞下的单晶硅表面非晶相变

应用分子动力学模拟研究了在纳米粒子的碰撞作用下,单晶硅表面局部区域的物相转变和结构演变.模拟表明在碰撞过程中,基体表面碰撞区域从初始的单晶体转变为熔融态,经历过冷液体状态之后凝固成为了非晶态.模拟揭示的凝固转变温度与硅玻璃化温度很接近.在颗粒反弹阶段,与发生的冷却过程和压力去除过程相一致,碰撞区域从瞬态的、高度无序、高度致密的过冷状态开始,经历了结构有序度的增加和向相对疏松状态的转变.碰撞之后所得非晶硅的平均配位数为5.27,其中配位数5,6原子构成了碰撞区域原子总数的61.5%.

纳米颗粒碰撞下的单晶硅表面原子形态

应用分子动力学模拟了纳米颗粒与单晶硅(001)表面碰撞后反弹、飞离的现象,研究了入射角度对颗粒运动轨迹、基体损伤形貌的影响.随着入射角度的变化,颗粒反射角度在从钝角到锐角的大范围内变化.入射角度决定了嵌入到最低点时颗粒与基体的接触部位,作用于接触部位的基体释放弹性形变能提供了颗粒的反弹能量,从而形成纳米颗粒的反弹角度敏感依赖于入射角度的现象.碰撞使基体发生凹陷变形.与颗粒运动轨迹相对应,基体凹陷区域形状从较深的勺子形变化到平坦的圆弧形.部分位于运动颗粒前方的基体原子被推移出,在凹陷区边缘形成原子堆积.

表面黏附导致的接触行为转变

应用人规模分子动力学方法,模拟了具有不同原子级粗糙形貌的两种刚性球形探头与弹性平面基体的黏附接触行为.研究了载荷与真实接触面积、接触界面排斥力与真实接触面积,以及黏附力与真实接触面积之间的关系.分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系,与连续力学接触理论预测很好地定性一致.无论是原子级光滑探头还是粗糙探头,黏附接触下的排斥力与真实接触面积的关系,都与无黏附接触时的规律相～致,即黏附力对接触行为的影响作用.可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷,将对黏附接触行为的分析转变为无黏附接触分析.两种探头的黏附力随真实接触面积都呈幂函数形式的增长,但是,原子级光滑探头的幂指数大于1,而原子级粗糙探头的幂指数小于1.