Page 79 - 《摩擦学学报》2021年第2期
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224                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

                超声电机依靠摩擦进行能量传递与运动转换，摩                          尺度和试验表征手段的限制，增强材料与聚四氟乙烯
            擦材料的摩擦磨损性能成为影响超声电机驱动性能                             基体之间原子尺度的相互作用机理尚不明确，无法从
                                 [1]
            和使用寿命的重要因素 . 经过长期研究发现，高性能                          微观角度对试验结果进行有效解释. 随着纳米技术与
            聚合物复合材料是最适用于行波型超声电机的理想                             计算机技术的不断结合，分子动力学模拟逐步成熟，
            摩擦材料. 聚四氟乙烯基摩擦材料因极佳的化学稳定                           该理论不仅可以探索高分子材料在不同环境作用下

            性、耐高低温、良好的自润滑性、优异的耐老化性能、                           其内部分子链的运动形式，还能深入到微观角度对其
            抗辐射性能和低摩擦系数等特点，被广泛应用于超声                            内部变化机理进行分析，可作为实验和理论研究的重
                                                                     [17]
                   [2]
            电机中 . 但纯聚四氟乙烯力学强度、刚度和硬度低，                          要补充 . 同时，可以利用分子动力学模拟研究不同
            耐磨性能差，难以满足超声电机复杂工况的使用需求.                           改性方法对材料的影响，为试验研究提供理论指导，
            填充改性作为一种简单有效的提高聚四氟乙烯耐磨                             还可以大大缩短材料研制周期和降低试验成本                      [18-22] .
            性的方法，被广泛用于聚四氟乙烯复合材料的改性                     [3-6] .     因此，本论文中利用分子动力学模拟的方法研究
                近年来，随着氮化碳等二维材料的快速发展，因                          氮化碳对聚四氟乙烯机械性能和摩擦学性能的影响，
            其具有优异的力学性能及耐磨性而被广泛应用于聚                             通过建立与金属铜对摩的分子模型及模拟结果分析，
                           [7]
                                      [8]
            合物复合材料中 . Zhu Lin等 研究了氮化碳对聚酰                       从摩擦界面原子运动速度、相对浓度、温度、径向分布
            亚胺摩擦学性能的影响. 结果表明：C N 的含量对复                         函数和能量变化等微观信息入手，揭示氮化碳对聚四
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            合材料的摩擦学性能具有重要的影响，当C N 的质量                          氟乙烯基体的增强机理，为研究无机纳米材料增强聚
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            分数为10% 时，摩擦系数最小，磨损率最低；Sheng                        合物复合材料提供新方法及理论指导.

                      [9]
            Weichen等 研究发现加入质量分数2%的C N 后，由                      1    摩擦学性能模拟
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            于C N 粒子与PI之间的强相互作用，C N /PI复合材料
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            的抗拉强度和断裂伸长率分别提高了约23%和21%，                          1.1    PTFE和C3N4/PTFE复合材料模型的建立
                                            [10]
            耐温性也得到提高. Liao Huazhong等 考察了C N 含                      首 先 ， 利 用 分 子 动 力 学 模 拟 软 件 Materials
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            量对有机硅改性水性聚氨酯丙烯酸酯(Wsi-PUA)低聚                        Studio建立聚合度为20的聚四氟乙烯链和氮化碳模
            物性能的影响，结果发现，在Wsi-PUA低聚物中加入                         型，氮化碳模型的尺寸为20.9 Å，如图1(a~b)所示. 然
            C N 颗粒后，复合膜的硬度、抗拉强度和热稳定性均                          后基于蒙特卡洛规则，分别构建38 Å×38 Å×38 Å的纯
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            得到显著提高. 尽管大量的试验结果表明填充改性是                           聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯两个无定型模型，如
            提升聚四氟乙烯摩擦磨损性能有效的方法                   [11-16] ，但对   图1(c~d)所示. 氮化碳/聚四氟乙烯模型中氮化碳的质
            于聚四氟乙烯的增强机理却鲜有报道. 另外，由于材料                          量分数为2%.

                    (a)




                    (b)                       (c)                          (d)















                   Fig. 1  Molecules models (a)PTFE molecular chain，(b) Carbon nitride, (c) pure PTFE, (d) C3N4/PTFE composite
                        图 1    分子模型：(a)聚四氟乙烯链，(b)氮化碳，(c)纯聚四氟乙烯模型，(d)氮化碳/聚四氟乙烯模型
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