Page 80 - 《摩擦学学报》2021年第2期

第 2 期 雷浩, 等: 氮化碳增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子动力学模拟 225

1.2 模型优化 作为中间层. 固定上下铜原子层，采用上述优化无定
为了得到能量最低、结构更加合理的聚四氟乙烯 型模型的方法分别对两个摩擦副模型进行优化. 优化

复合材料模型，需要对初始模型进行优化和动力学平衡. 完成后，取消对铜原子层的固定. 为获得金属铜与复
力场选择适用于聚合物纳米复合材料体系的COMPASSⅡ 合材料层的相对滑动摩擦学性能，赋予上层铜原子
−2
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力场 ，优化过程如下：1.使用Smart算法进行几何优 1.0×10 GPa的正压力，0.1 Å/ps的相对滑动速度，体系
化，直到能量收敛精度达到均方根值≤0.000 01 kcal/mol 在NVT系综下运行600 ps，温度设置为298 K，得到摩
为止. 2.然后在250~500 K的温度范围内进行分子动力 擦磨损性能随时间变化的轨迹文件，从轨迹文件中分

学退火，温度增高步长为50 K，在目标温度下运行20 ps 析摩擦磨损性能. 聚四氟乙烯和氮化碳增强聚四氟乙
的NVT系综分子动力学平衡，循环10次. 经过退火过 烯复合材料的机械性能采用恒应变法计算材料的杨
程的高、低温循环，聚四氟乙烯分子链得到充分松弛， 氏模量和剪切模量.

模型构型趋于合理. 3.对两个体系分别进行1 000 ps的
2 结果与讨论
NVT系综分子动力学平衡，温度设置为室温298 K，控
温方法选择Nose法. 4.分别对两个体系进行1 000 ps的 2.1 摩擦学性能
NPT系综分子动力学平衡. 温度设置为298 K,压力设 摩擦系数可由公式μ = f/F (μ代表摩擦系数，f 和
置为0.1 MPa，控压方法选择Berendsen法. 当体系的能 F分别代表摩擦力和正压力)求得. 纯聚四氟乙烯和氮
量、密度不再随模拟时间有明显变化时，认为模型达 化碳/聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数随模拟时间的

到了能量最低状态，最终纯聚四氟乙烯和氮化碳/ 变化如图3所示，约190 ps后摩擦系数逐渐稳定，纯聚
3
聚四氟乙烯的密度分别为1.9和1.92 g/cm ，接近于纯 四氟乙烯的摩擦系数为0.144，当加入氮化碳之后，聚
3
聚四氟乙烯的真实密度(2.1 g/cm ). 四氟乙烯基体的摩擦系数降至0.118，下降了18.1%.

1.3 摩擦学性能和机械性能的模拟 这说明氮化碳的加入能够有效降低聚四氟乙烯的摩
为了模拟纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复 擦系数.
合材料的摩擦学性能，建立了两个3层的摩擦模型，如 基于Fleisher摩擦学理论，在摩擦过程将会产生能
图2所示. 结合超声电机的实际工况，选择铜原子层作 量耗散，摩擦界面温度将会升高. 聚合物分子容易粘

为摩擦副模型的顶层和底层，铜层尺寸为38 Å×38 Å× 附对偶铜原子层表面，或者在摩擦过程中容易剪切断
7.2 Å，纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复合材料 裂，离开基体的原子定义为磨损原子，磨损率为磨损

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Cu

Carbon nitride

PTFE

(a) (b)

Fig. 2 Configurations of the molecules models: (a) pure PTFE, (b) C3N4/PTFE composite sliding against Cu layer
图 2 摩擦副模型：(a)纯聚四氟乙烯，(b)氮化碳/聚四氟乙烯与铜层对摩模型