Page 82 - 《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 227

400 对偶铜存在较强的相互作用，大量的聚四氟乙烯分子
350 吸附在对偶铜表面，而在模型的中心位置处，聚纯四
8% increase
300 氟乙烯的原子相对浓度反而低于氮化碳增强聚四氟
Temperature/K 250 Substrate (Cu) Tribo-interface Top layer (Cu) 乙烯复合材料的，说明材料内部的部分聚四氟乙烯分

200
子链被吸附在对偶铜表面，而添加氮化碳后，由于氮
150
100 Pure PTFE 化碳和纯聚四氟乙烯分子链之间的相互作用，聚四氟
C 3 N 4 /PTFE
50 乙烯分子链被吸附在氮化碳周围，使得与对偶铜相互
0 作用的聚四氟乙烯分子链降低，所以复合材料内部原
0 100 200 300 400 500 600
Distance of thickness direction/Å
子浓度要高于纯聚四氟乙烯的，界面处的原子浓度相

Fig. 5 Temperature profiles of the pure PTFE and 应较低，从而与对偶铜的相互作用较弱，这是摩擦系
C 3 N 4 /PTFE composite in the thickness direction
数较低，磨损率较低的主要原因.
图 5 纯聚四氟乙烯与氮化碳/聚四氟乙烯模型内沿厚度方
向温度分布 为了进一步分析两种材料与对偶铜之间的相互
作用强弱，提取了铜原子与氟原子之间的径向分布函
1.0 数，如图8所示. 从图8中作用曲线可以看出，在摩擦界
0.8 Tribo-interface
0.6 Substrate (Cu) Top layer (Cu) 面铜原子和聚四氟乙烯分子链作用的最强区域范围
Velocity/(Å/ps) 0.2 Tribo-interface
集中在在3~6 Å，说明对偶铜与氟原子之间主要是范
0.4
0.0
−0.2
9.8%
5%
−0.4 Pure PTFE 4 Greater Greater
C 3 N 4 /PTFE
−0.6 3
8.7%
0 10 20 30 40 50 60 Greater
Distance of thickness direction/Å Relative concentration 2 Substrate (Cu) Top layer (Cu)

Fig. 6 Velocity profiles of the PTFE and C 3 N 4 /PTFE
composite in the thickness direction 1 Pure PTFE
图 6 纯聚四氟乙烯与氮化碳/聚四氟乙烯模型内沿厚度方 C 3 N 4 /PTFE
向速度分布 0
0 10 20 30 40 50 60
Distance of thickness direction/Å
聚四氟乙烯复合材料模型并未出现明显峰值，整个材
Fig. 7 Relative concentration profiles of the PTFE and
料温度稳定在298 K，说明氮化碳的加入在降低摩擦 C 3 N 4 /PTFE composite in the thickness direction
系数的同时，还能提高复合材料的导热性能，在摩擦 图 7 纯聚四氟乙烯与氮化碳/聚四氟乙烯模型内沿厚度方
过程中没有明显的温升. 从图6可以进一步发现，纯聚 向原子相对浓度
四氟乙烯在摩擦界面处出现1.0 Å/ps的速度峰值，分
子运动速度较快，与对偶铜的相互作用较强，而氮化 1.2 Pure PTFE
C 3 N 4 /PTFE
碳/聚四氟乙烯复合材料并未出现明显峰值，说明氮化 1.0
碳的加入可以降低聚四氟乙烯分子中各原子的运动 0.8
速度，提高了界面稳定性，与对偶之间的作用较弱，有 RDF g/r 0.6
助于提高材料的耐磨性. Cu atom and F atom
0.4 access area
为了进一步探究氮化碳增强聚四氟乙烯复合材
0.2
料的摩擦磨损机理，提取了两种材料在摩擦过程中沿
0.0
厚度方向的原子相对浓度分布曲线，如图7所示，在下 0 5 10 15 20
Distance/Å
层接触界面和摩擦界面处，边界效应导致两种材料在
Fig. 8 RDF values of the Cu atoms and C atoms of the pure
界面处的相对原子浓度均较高，而且纯聚四氟乙烯在
PTFE and C 3 N 4 /PTFE composite during the process of wear
界面处的原子相对浓度比氮化碳/聚四氟乙烯模型高
图 8 纯聚四氟乙烯与氮化碳/聚四氟乙烯模型内铜原子与
5%和9.8%，说明在摩擦界面处聚四氟乙烯分子链与 氟原子径向分布函数