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石墨烯/水基复合润滑剂协同润滑机理研究

石墨烯/水基复合润滑剂协同润滑机理研究

作者：李晨洁中南大学

学位级别：硕士

为顺应科技发展与时代需求,水基润滑剂已成为当今摩擦学重要的研究对象之一。由于纯水润滑具有粘度小、稳定性差等问题,实际中常引入离散的固体添加剂使润滑剂兼具固/液复合属性。原子级厚度的二维石墨烯添加剂能有效改善纯水润滑性能,... 详细信息

为顺应科技发展与时代需求,水基润滑剂已成为当今摩擦学重要的研究对象之一。由于纯水润滑具有粘度小、稳定性差等问题,实际中常引入离散的固体添加剂使润滑剂兼具固/液复合属性。原子级厚度的二维石墨烯添加剂能有效改善纯水润滑性能,但纳米级别的添加材料不利于以宏观角度分析摩擦机理,复合润滑剂中连续相与分散相的协同润滑机制也有待深入研究。本文从原子视角出发,利用分子动力学模拟并结合宏观摩擦实验跨尺度分析含石墨烯的水基复合润滑剂在DLC/DLC对偶环境中的摩擦机理和协同润滑机制。模拟计算和可视化结果表明超滑级别的摩擦环境归因于碳层间弱的相互作用和多层石墨烯内部的层间滑动。添加剂增强了液体相对摩擦界面的隔离影响,水分子在界面滚动或平动扩散有利于形成均匀的润滑膜。复合润滑剂的摩擦性能很大程度取决于石墨烯的空间行态。石墨烯材料与粗糙表面共性接触后产生随机变形导致界面桥接磨损加剧。宏观实验结果表明,分散良好的二维添加剂使水基润滑达到超滑级别,摩擦系数维持在0.1%.04%。本文首次提出润滑膜内添加剂与基础润滑液之间存在显著协同润滑效应且动态相关。一方面,剪切滑动与摩擦磨损主要发生在不同晶格匹配且动态变化的石墨烯层间,而液体润滑剂则受固体添加剂运动影响在空间内呈现多层分布,产生润滑剂局部扩散增强的结果。另一方面,缺陷降低石墨烯结构强度与韧性,添加剂的软/硬团聚行为对水具有约束效应从而影响润滑剂的流体润滑性能。两相间的摩擦学性能在跨尺度模拟中表现出较好的一致性,尺寸差异主要影响协同效应中分子的运动行为,特别是石墨烯浓度的宏观阈值有别于微观分子模拟。希望通过多尺度分析促进此类水基固-液复合润滑剂的研究向更可预测的方向发展。图83幅,表6个,参考文献181篇

关键词：非晶碳薄膜复合润滑剂分子动力学水基润滑二维石墨烯添加剂层间滑动协同润滑机理粗粒化分子动力学

PaDBS1衍生肽及AA139与不同磷脂膜结合的粗粒化模拟

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PaDBS1衍生肽及AA139与不同磷脂膜结合的粗粒化模拟

作者：高雯山东师范大学

学位级别：硕士

细胞穿膜肽(Cell Penetrating Peptides,CPPs)是一类有着穿透细胞膜能力的特殊的短肽载体,一般含有5-30个氨基酸残基。它既能转运小分子化合物,又可以将多肽、蛋白质、核酸等不具备膜穿透能力的大分子物质运送到活体细胞中。穿过细胞膜... 详细信息

细胞穿膜肽(Cell Penetrating Peptides,CPPs)是一类有着穿透细胞膜能力的特殊的短肽载体,一般含有5-30个氨基酸残基。它既能转运小分子化合物,又可以将多肽、蛋白质、核酸等不具备膜穿透能力的大分子物质运送到活体细胞中。穿过细胞膜进入细胞是许多具有细胞内靶点的生物大分子发挥作用的前提条件,但作为生物屏障的生物膜阻止了许多大分子物质进入细胞,从而极大地限制了这些物质在治疗领域的应用。细胞膜是生物膜的一种,是由脂质、蛋白质、多糖等分子有序排列组成的动态薄层结构。脂质中大部分是磷脂,磷脂由甘油、磷酸和脂肪酸等组成,并且磷脂都是双极性分子,既有亲水部分也有疏水部分。因此,了解CPP怎样进入细胞膜是一个迫切需要解决的问题。在本文中,我们使用粗粒化分子动力学和伞形采样的方法研究了两种Pa DBS1衍生肽与不同磷脂膜的结合机制,分析了心磷脂浓度对抗菌肽(Antimicrobial peptide,AMP)AA139穿膜机制的影响,为以后的药物设计、运输和治疗奠定了一定的理论基础。1.两种Pa DBS1衍生肽与不同磷脂膜的结合机制及粗粒化动力学分析Pa DBS1是来源于古生菌Pyrobaculum aerophilum的核糖体片段。它不具有抗菌活性,但以它为模板通过替换一些氨基酸后形成的衍生肽Pa DBS1R1(2n9r)和Pa DBS1R6(6cfa)表现出强大的抗菌活性。基于此,我们采用粗粒化分子动力学模拟方法和伞形采样方法,以哺乳动物细胞膜和革兰氏阴性细菌膜为模板建立了两个磷脂膜模型,计算了天然肽Pa DBS1及其它的两个衍生肽与不同磷脂双层膜之间的动力学过程和结构性质,并且分别从结构变化和作用力的角度来分析肽-膜相互作用过程。结果表明,Pa DBS1R1(2n9r)和Pa DBS1R6(6cfa)与革兰氏阴性细菌膜相互接触主要依赖于静电相互作用和疏水相互作用的联合。该作用与磷脂膜的结合模式也有很大关系,其最终的结果是使细胞膜破碎、细胞死亡。此外,6cfa可能比2n9r更适合作为一种候选药物,用于治疗由革兰氏阴性菌引起的医院感染。2.心磷脂浓度对抗菌肽AA139穿膜机制的影响Arenicin肽主要来自于沙蚕Arenicola marina中,AA139就是此arenicin肽家族成员Arenicin-3的类似物。Arenicin-3和AA139都具有良好的抗菌效果,但arenicin-3易于破坏哺乳动物细胞膜。我们首先利用粗粒化分子动力学方法研究了arenicin-3和AA139与大肠杆菌膜相互作用的动力学过程。研究表明,它们之间相互作用主要是因为静电相互作用和疏水相互作用,且AA139比arenicin-3的抗菌效果要好。其次,探究了心磷脂浓度对AA139穿膜过程的影响。经过分析,我们得到了一些结论。心磷脂的存在会导致磷脂膜有一定的负内在曲率,并且心磷脂还具有抵消肽的破坏作用的能力。同时,心磷脂的存在也会改变大肠杆菌膜的结构。

关键词： PaDBS1衍生肽 AMP AA139 磷脂膜心磷脂粗粒化分子动力学

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非晶碳薄膜变形与失效机理研究

非晶碳薄膜变形与失效机理研究

作者：余逸丰中南大学

学位级别：硕士

非晶碳薄膜是一种低维非晶材料,其强度高、摩擦系数低、抗腐蚀耐磨损,常作为保护膜沉积于载运工具零部件上。然而,非晶碳薄膜厚度较薄,实验上测量该材料的力学参数和观察其变形行为较为困难,进而限制了非晶碳薄膜运用中相关机理的解释... 详细信息

非晶碳薄膜是一种低维非晶材料,其强度高、摩擦系数低、抗腐蚀耐磨损,常作为保护膜沉积于载运工具零部件上。然而,非晶碳薄膜厚度较薄,实验上测量该材料的力学参数和观察其变形行为较为困难,进而限制了非晶碳薄膜运用中相关机理的解释。因此,本文运用分子动力学结合实验的方法研究了非晶碳薄膜的变形、失效机理。研究发现,非晶碳薄膜的微观结构决定了自身的力学性能,应变局域化淡化了密度对抗拉强度的影响。高应变率下,薄膜的弛豫不充分使其保持了较高的金刚石相含量,因而表现更高的强度;高温条件下,石墨化降低了薄膜的强度。在薄膜疲劳行为的研究中,薄膜应变局域化区域的强度较低,导致变形在此累积。在压缩测试中,薄膜的变形、失效行为与应力释放形式有关。当应变率较高且温度较低时,薄膜失效表现为显著的脆性,相对滑移出现在失效区的两侧,此时薄膜强度较高,但延性不足;当应变率较低、温度较高时,扩散弛豫抑制相对滑移的同时也促进了薄膜的石墨化,因此薄膜延性增加,但强度下降。此外,提出了描述非晶碳薄膜变形行为的粗粒化分子动力学势函数参数,该方法最高可将计算时间步长提高至40 ps,大大加强了模拟和实验的可对比性。最后,通过实验探究了非晶碳薄膜的力学性能和变形、失效机理。硬度测试结果表明,非晶碳镀膜可将GCr15轴承钢的硬度提高60%以上。拉曼光谱分析结果说明,非晶碳薄膜在完全磨损前因拉应力的作用发生了显著的石墨化转变,这降低了薄膜的强度且造成了薄膜的剥落或开裂,证明了模拟的准确性。图115幅,表17个,参考文献137篇

关键词：非晶碳薄膜分子动力学变形机理界面行为粗粒化分子动力学

全钒液流电池MWCNTs修饰电极性能试验及介观传质分析

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全钒液流电池MWCNTs修饰电极性能试验及介观传质分析

作者：曲则强沈阳建筑大学

学位级别：硕士

全钒液流电池是一种快速发展的新型储能装置。作为一种新型的储能装置,全钒液流电池因其不涉及固态反应、储能容量易改变、系统运行安全可靠、全生命周期内环境负荷小、自放电小等优点而备受关注。目前,全钒液流电池的发展主要受到电极... 详细信息

全钒液流电池是一种快速发展的新型储能装置。作为一种新型的储能装置,全钒液流电池因其不涉及固态反应、储能容量易改变、系统运行安全可靠、全生命周期内环境负荷小、自放电小等优点而备受关注。目前,全钒液流电池的发展主要受到电极、隔膜和电解质三大因素的制约。全钒液流电池的电极材料主要为石墨毡类。但是,石墨毡存在着亲水性差、电化学反应可逆性低和电化学活性低的缺点,不利于电极内传质过程的进行与电化学反应的发生。因此,需要对石墨毡电极进行改性处理,从而提高石墨毡的亲水性、电化学活性和电化学反应可逆性。此外,电极内的传质性能对电池的性能起到重要影响。电极良好的传质性能,能有效降低反应物和反应产物在电极内的传递阻力,从而降低浓差极化对全钒液流电池性能的影响。本文在阅读大量文献的基础上,根据电化学和热力学的基础理论与研究方法,通过试验研究电极的改性处理对电极以及电池整体性能的影响;通过模拟正负电极内的传质过程,分析影响电极内传质的多种因素。试验方面,本文采用多壁碳纳米管(MWCNTs)对石墨毡电极进行表面修饰。通过扫描电镜(SEM)和比表面积测试,观察修饰后电极的表面形貌和比表面积的变化;通过FTIR和X射线光电子能谱(XPS)测试,分析修饰后电极表面基团及表面元素结合状态的改变;通过电导率测试、吸附性测试,分析电极修饰前后的电阻率和钒离子吸附能力的变化;通过循环伏安测试,分析电极修饰前后氧化还原峰值电位分离及电化学可逆性的变化;通过电化学交流阻抗谱分析,比较电极修饰前后欧姆阻抗、电荷转移阻抗和Warburg阻抗的变化;最后使用自搭建的液流电池单体进行充放电测试,通过分析库伦效率、电压效率和能量效率,比较电极修饰前后对全钒液流电池整体性能的影响。结果表明经过多壁碳纳米管修饰后,石墨毡电极的电导性、电化学可逆性和电化学活性均有明显提高。使用修饰后的石墨毡作为电池的正负电极,能显著提高电池的效率,增大电池的容量。为降低因传质因素导致的浓差极化,利用Material Studio软件建立了全钒液流电池正负电极传质模型,采用粗粒化分子动力学的方法模拟分析电极内的传质过程。通过静态性能分析(径向分布函数)和动态性能分析(扩散系数),研究不同温度、电极孔隙率以及溶液浓度对正负电极内传质的影响。结果表明温度升高有利于传质扩散的发生。在负极钒溶液中,多孔电极的孔隙率在传质过程中占主导作用,增大孔隙率有利于扩散。而在正极钒溶液中,钒溶液的浓度在传质过程中占主导作用,降低溶液浓度有利于传质扩散的发生。

关键词：全钒液流电池电极多壁碳纳米管粗粒化分子动力学传质

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CNT网络材料微观结构变化的数值模拟研究

轻工机械 2023年第5期41卷 1-6页

作者：金雨林赵军华江南大学机械工程学院江苏无锡214122

为探究力学载荷作用对碳纳米管(carbon nano-tube,CNT)网络材料微观结构的影响,笔者建立了CNT网络材料的粗粒化模型,运用粗粒化分子动力学模拟方法对CNT网络在力学载荷作用下的微观结构变化行为进行仿真分析。结果表明:CNT网络材料的取... 详细信息

为探究力学载荷作用对碳纳米管(carbon nano-tube,CNT)网络材料微观结构的影响,笔者建立了CNT网络材料的粗粒化模型,运用粗粒化分子动力学模拟方法对CNT网络在力学载荷作用下的微观结构变化行为进行仿真分析。结果表明:CNT网络材料的取向程度在拉伸应变增加初期增大速率较快,后续随着拉伸应变的增加取向程度趋于平稳,最终会趋近于稳定值0.95;在压缩载荷作用下,CNT网络材料的取向程度会随着应变的增大而减小,且最后减小至0.15;力学载荷速率不会影响CNT网络取向程度的变化规律。

关键词：碳纳米管 CNT网络材料微观结构粗粒化分子动力学取向程度

维普期刊数据库

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石墨烯鼓泡分析及模拟

石墨烯鼓泡分析及模拟

2018年全国固体力学学术会议

作者：马勇陈玉丽北京航空航天大学

鼓泡法是一种简单有效的测试薄膜力学性能的方法,目前已成功用于测量二维纳米材料的弹性模量、界面吸附和界面剪切性能。以往的鼓泡分析模型通常是基于Hencky解建立的,由于Hencky解采用了周边夹紧条件而抑制了石墨烯片的径向滑移,因此... 详细信息

鼓泡法是一种简单有效的测试薄膜力学性能的方法,目前已成功用于测量二维纳米材料的弹性模量、界面吸附和界面剪切性能。以往的鼓泡分析模型通常是基于Hencky解建立的,由于Hencky解采用了周边夹紧条件而抑制了石墨烯片的径向滑移,因此给出的鼓泡高度偏低且无法给出鼓泡之外区域的应力、应变分布。为此,本文舍弃周边夹紧条件,利用拉梅解推导了修正的Hencky解,该修正解能够更准确地描述鼓泡形貌,而且能够解析地描述鼓泡和鼓泡之外区域的应力、应变分布。为了验证修正Hencky解的正确性,我们建立了能够准确模拟压强的虚假气体分子模型,并利用该模型在纳米尺度和微米尺度实现了石墨烯鼓泡的定量模拟,模拟结果表明,修正的Hencky解能够考虑石墨烯的径向滑移,给出更加准确的结果。进一步,基于修正的Hencky解,我们重新推导了鼓泡测试分析模型,结合鼓泡实验,对石墨烯的模量、石墨烯与SiO基底间的吸附能予以修正,发现基于修正Hencky解的鼓泡模型能够更合理地分析实验结果。

关键词： Hencky解鼓泡测试二维纳米材料压强模拟粗粒化分子动力学

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嵌段共聚物功能化纳米粒子的多级自组装行为

嵌段共聚物功能化纳米粒子的多级自组装行为

中国化学会2016年软物质理论计算与模拟会议

作者：周雅茹张良顺林嘉平华东理工大学材料科学与工程学院

具有不同价位数的纳米粒子是用于构建低维超结构的一类基本单元。不同于各向异性纳米粒子的构筑策略,本工作设计了一种新的自组装体系（即在各向同性的球形纳米粒子上功能化两亲性嵌段共聚物）和多步自组装方案（如图1所示）。在第一步... 详细信息

具有不同价位数的纳米粒子是用于构建低维超结构的一类基本单元。不同于各向异性纳米粒子的构筑策略,本工作设计了一种新的自组装体系（即在各向同性的球形纳米粒子上功能化两亲性嵌段共聚物）和多步自组装方案（如图1所示）。在第一步自组装过程中,当疏溶剂单体聚集焓增高于亲溶剂单体构象熵减时,两亲性嵌段共聚物在纳米粒子表面能够形成不同价位和尺寸的补丁。模拟证实嵌段共聚物的链数目和组分显著地影响补丁的几何特性。在第二步自组装过程中,由于疏溶剂效应,纳米粒子与邻近粒子通过补丁进行连接形成超结构,包括低聚型、线型和支化型结构。此外,在超结构中纳米粒子的配位数与两亲性嵌段共聚物的分子参数紧密关联。

关键词：多级组装超结构粗粒化分子动力学

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石墨烯气凝胶在冲击载荷下的力学行为

石墨烯气凝胶在冲击载荷下的力学行为

2018年全国固体力学学术会议

作者：尚军军杨庆生刘夏北京工业大学现代工程力学研究所

碳纳米材料强度和刚度高,比表面积大且超轻,是非常理想的耗能和抗冲击材料。石墨烯气凝胶(GA)是石墨烯片组装而成的具有多层级结构的石墨烯三维宏观集合体,具有高孔隙率、超低密度、优异的力学和导电性能,在吸附、催化、储能和电化学领... 详细信息

碳纳米材料强度和刚度高,比表面积大且超轻,是非常理想的耗能和抗冲击材料。石墨烯气凝胶(GA)是石墨烯片组装而成的具有多层级结构的石墨烯三维宏观集合体,具有高孔隙率、超低密度、优异的力学和导电性能,在吸附、催化、储能和电化学领域有着广泛的应用前景。本文研究了蜂窝结构GA的冲击响应。提出了适用于GA的粗粒化分子动力学方法,构建了两层蜂窝结构交错排布的GA模型,模拟了不同冲击能量下GA在蜂窝面外和面内的冲击行为,分析了冲击过程中GA的微观结构变形,研究了不同冲击能量下GA的接触力及能量耗散规律。结果表明,GA在冲击载荷作用下具有较高的能量耗散率,蜂窝结构面内冲击的能量耗散率高于面外冲击。

关键词：石墨烯气凝胶粗粒化分子动力学冲击能量耗散

表面活性剂减阻在实际工业应用中的失效问题分子模拟研究

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表面活性剂减阻在实际工业应用中的失效问题分子模拟研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：刘飞洪伟南方科技大学工学院力学与航空航天工程系

表面活性剂添加剂由于其分子水平的自组装特性,在管道液体输送系统中具有巨大的应用潜力。表面活性剂亲水头基和疏水尾基可以自组装成蠕虫状的柔性胶束,这些蠕虫状胶束可以进一步自组装成网状结构,而胶束网状结构可以吸收和释放湍流动... 详细信息

表面活性剂添加剂由于其分子水平的自组装特性,在管道液体输送系统中具有巨大的应用潜力。表面活性剂亲水头基和疏水尾基可以自组装成蠕虫状的柔性胶束,这些蠕虫状胶束可以进一步自组装成网状结构,而胶束网状结构可以吸收和释放湍流动能的应力,减少能量耗散,从而产生湍流减阻效果。然而,从发现表面活性剂减阻效果几十年过去了,表面活性剂减阻技术仍然没有在大规模工业输运系统中得到应用,因为在湍流管道运输系统中表面活性剂减阻作用会丧失。我们使用基于Martini力场的粗粒化分子动力学模拟方法和实验测量对实际工业应用中的减阻机理进行研究,结果表明:溶液弱碱性是表面活性剂减阻失效的主导因素,而铁锈颗粒对其影响不大。对于弱碱性水溶液,胶束网络结构几乎完全被破坏,而铁锈颗粒则没有。我们的研究可为表面活性剂减阻的实际工业应用中提供指导。

关键词：表面活性剂减阻粗粒化分子动力学实际工业应用