水介质作用下金属晶体间摩擦的分子动力学模拟研究_肖乾

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1、水介质作用下金属晶体间摩擦的分子动力学模拟研究肖乾，杨文斌，黄碧坤，徐红霞,李清华（华东交通大学现代轨道车辆研究所，江西南昌330013）摘要：由于宏观领域的摩擦规律到了微观领域已不再完全适用，本文将通过分子动力学模拟(MolecularDynamicsSimulation)的方法从微观领域研究水作用下的金属摩擦特性。用MaterialStudio建立水作用下的摩擦模型，上下两层铁晶体尺寸分别为，是铁晶体的晶格常数，水分子层由不同个数水分子构成，厚度分别为2.26埃，4.52埃，6.77埃。金属内部原子之间相互作用采用EAM势函数来描述，水分子之间的相互作用采用TIP3P

2、模型来描述，在金属与水分子层界面上采用LJ势函数描述其相互作用。模拟计算过程中，首先改变水分子层厚度，在不同水分子层厚度情况下，计算水分子层和铁原子层接触面作用力大小，与速度反方向的表面作用力就是摩擦力，计算结果进行比较发现，随着水分子层厚度增加，摩擦力和摩擦系数均明显减小；然后，改变系统温度，计算表面作用力大小，经过计算，发现系统温度升高摩擦力和摩擦系数减小；再次，改变法向载荷，计算表面作用力，发现载荷增大摩擦力和摩擦系数都增大；最后，改变滑动速度，模拟发现，摩擦力和摩擦系数减小。关键词：分子动力学水介质金属摩擦摩擦特性微观状态下，材料不再是连续体，而是由许多粒子按照一

3、定规律堆叠而成，因此建立在连续介质基础上的传统分析方法（如有限元法和固体力学方法）不再适用于微观领域的摩擦问题。随着计算机性能的日益提升，分子模拟软件的功能的不断完善，力场的不断成熟用分子动力学模拟的方法辅助研究微观领域的摩擦问题，越来越成为一种不错的选择。在此之前JizuLv等[1]利用LJ势函数研究了纳米流体之间的摩擦力，Cheng-DaWu等[2]研究了自组装分子膜（SAM）对滑动摩擦的影响，罗彬宾[3]在研究了水在不同材料构成的两个平面构成的狭缝中的状态变化，以及摩擦力变化情况，本文将用分子动力学模拟软件Lammps,在EAM和LJ势函数基础上，运用水分子的TIP

4、3P模型完成模拟，研究随着水分子层厚度、体系温度、法向载荷、上下两层铁晶体相对滑动速度的变化，摩擦力和摩擦系数的变化情况。1分子动力学模拟分子动力学模拟过程主要包括，建立微观模型，原子位置和速度初始化，原子作用力计算，运动方程求解（速度和位置求解及更新），原子势能计算，相邻原子个数计算。模拟过程如图所示：图1分子动力学模拟流程图图1分子动力学模拟过程1.1建立初始模型本研究中纳米摩擦模型如图2所示。此摩擦模型由铁上下两层铁单晶体和中间水分子层组成，上下单晶铁原子层的尺寸均为,共4000个铁原子，表示铁晶体晶格常数，其值为0.28664nm,水分子层分子数分别设置为150,

5、200,250。下层铁原子固定不动，上层铁原子层分别以不同速度沿（-100）方向运动，与水分子层在（001）面相互作用，下层铁原子同样在（001）面上与水分子层相互作用。这样就构成了水作用下的摩擦模型，模拟过程中模拟步长采为1fs，在x,y,z方向上均采用周期性边界条件。图2分子动力学模拟模型图1.2势函数本次模拟采用的是混合势函数，用EAM嵌入势函数描述铁原子之间相互作用，LJ势函数描述接触面铁原子与水分子之间相互作用，TIP3P模型描述水分子之间相互作用，因此系统总能量为铁原子之间嵌入势、接触面上铁原子与水分子之间LJ势及水分子TIP3P模型作用势之和，表达式为：(1

6、)(2)ሺ3ሻ(4)、、分别表示嵌入势能，LJ势能，TIP3P水分子作用势能。EAM势中模型参量如表1[4]所示，TIP3P模型作用势参数如表2[3]所示，Fe的LJ势参数如表3[5]所示。表1EAM势函数模型参量。。1-1(A)(A)Fe6.2621.343表2TIP3P作用势参数平衡键长req(埃)0.9572键长伸长常数Kr592.60（Kal/mol/A2）键角扭转常数平衡键角θeq104.5o（Kal/mol）34.05介电常数ε0（8.8542e-12平衡常数（埃）3.15065611势阱常数0.152072595表3Fe的LJ势参数Fe30000.43

7、1.3原子之间相互作用力计算分子动力学模拟所采用势函数确定以后，原子之间相互作用力就是势函数导数，因此原子之间相互作用力可表示为(5)E(rij)表示原子i与原子j之间的势函数，Fij表示第i个原子与第j个原子之间的作用力，原子i周围所有原子对其作用力之和可表示为下式，（6）1.4求解运动方程的数值算法在分子动力学模拟中，需要对运动方程进行数万甚至数十万步的数值积分，用实时速度代替原来速度，实时的位置坐标代替原有坐标，但是在进行数值积分过程中，计算误差是难以避免的，误差会使原子偏离真实位置，因此应该尽量减小误差，选择精度高的算