棉纤维素与铬金属滑动摩擦行为的分子动力学研究

作     者：闫哲 

作者单位：塔里木大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张有强

授予年度：2022年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082102[工学-纺织材料与纺织品设计] 

主      题：棉纤维素 铬 滑动摩擦 建模仿真 分子动力学 

摘      要：棉纤维材料是人类文明发展不可或缺的一部分,新疆得天独厚的地理条件使其成为中国棉花的主产区,棉花全程机械化采收与纺织加工是促进新疆棉花产业可持续发展的根本途径。但是,在棉花采收、纺织过程中所涉及的摩擦行为不仅控制着棉纤维材料及其纺织产品的质量,还影响金属部件的高精度、稳定性、长寿命和可靠性。因此,深入了解棉纤维与金属间的摩擦磨损对于棉纤维生产与加工品质、提升金属部件的损伤防护具有重要意义。本研究以棉纤维与铬金属为研究对象,采用分子动力学方法对该摩擦副的滑动摩擦行为进行探究。主要研究内容及结果如下:（1）通过Materials Studio分子模拟软件构建了干摩擦真空条件下晶态棉纤维与铬金属和非晶态棉纤维与铬金属的可视化原子三维模型,并对模型结构进行了优化处理。（2）研究了棉纤维与铬金属接触界面的微观结构的演变情况。通过LAMMPS软件对棉纤维与铬金属滑移过程进行不同温度（300 K、320 K和340 K）和负载（0.3 MPa和50.6 MPa）的仿真计算,并使用OVITO软件对模拟体系中接触界面微观结构的演变情况进行可视化监控。结果表明,棉纤维素分子链在滑动摩擦过程中断裂,游离官能团中的氧原子与接触界面的铬原子作用产生新的化学键——铬氧键。仿真系统在高的负载和温度条件下,铬层接触面的结构失效较早出现;在恒定负载下,温度变化对铬层结构没有显着影响。（3）研究了不同温度、负载条件下,模拟系统中铬氧键数目的变化规律。借助Fortran软件对模拟过程中的铬氧键数量演变情况进行了计算,并对不同温度和负载下的铬氧键数量进行了对比;同时使用径向分布函数对铬氧键的存在进行了验证。结果表明,相同载荷条件下晶态棉纤维素与铬金属的模拟系统中的铬氧键数量随着温度条件的增加而增加,而非晶态棉纤维素与铬金属的模拟系统呈U形分布。（4）研究了不同温度、负载条件下,模拟系统中摩擦力和摩擦系数随模拟时间的演变情况。通过绘制不同温度和负载下模拟体系滑移过程中摩擦力和摩擦系数随模拟时间的演变情况,总结归纳了不同温度及负载条件下对摩擦力和摩擦系数的影响。同时研究表明不同力学状态的非晶态棉纤维在滑动摩擦过程中的摩擦规律是不同的。