纳米Al₂O₃与MoS2在Fe表面间的协调润滑效应

关键词：Al₂O₃、MoS2、Fe、润滑剂、摩擦磨损、扩散、分子动力学、MedeA LAMMPS

1. 研究背景

摩擦磨损现象普遍存在于材料加工、机械制造等领域。随着纳米技术的发展，作为润滑剂添加剂的纳米颗粒(1-100nm)引起学者广泛关注，包括碳基材料、金属纳米颗粒、非金属纳米颗粒和新型纳米复合材料。纳米颗粒分散在润滑液中，可以提高润滑液的减摩性能。润滑剂的抗磨性能研究，特别是在混合润滑条件下的抗磨性能对于材料界面的减摩效果有着重要意义。本文作者创建了Al2O3、MoS2和杂化纳米颗粒Al2O3-MoS2三种摩擦模型，采用NEMD模拟方法研究了板坯间的摩擦磨损行为。分析了纳米颗粒的运动规律，揭示了纳米颗粒的协同润滑作用。

2. 建模与计算方法

图1三种摩擦模型的静态图像

作者首先采用MedeA Environment创建了Al2O3纳米团簇和MoS2二维层状模型，并与Fe表面结合创建界面模型。随后在MedeA LAMMPS中作分子动力学模拟NEMD，并计算界面摩擦力以及刚性层上沿z方向的正应力随滑动距离的变化图。利用MedeA Diffusion计算了S与Al原子的均方位移MSD，拟合得到扩散系数。

3. 结果与讨论

3.1 不同纳米团簇的摩擦性能

在摩擦力方面，混合Al2O3和MoS2 NPs比单一纳米颗粒具有更好的润滑效果。与Al2O3和MoS2 NPs相比，平均摩擦力分别减少了71.9%和57.1%。这个结果与作者之前的实验结果一致。说明同时含有Al2O3和MoS2 NPs的摩擦体系更加稳定。

图2 不同NPs模型界面滑动产生的摩擦力: (a) Al2O3,；(b) MoS2；(c) Al2O3-MoS2

作者还研究了刚性层沿z方向的正应力，如图3所示。摩擦力平均值的大小为: Al2O3润滑条件下摩擦力最高，其次是MoS2润滑条件，混合润滑条件下摩擦表面法向压力最低。Al2O3润滑模型的法向应力振荡剧烈，且与摩擦力有很强的相关性。推测其原因是Al2O3 NPs具有很高的硬度，因此在压力下容易嵌入较软的铁表面。

图3 不同NPs (a Al2O3, b MoS2和c Al2O3- MoS2)的刚性层沿z向的正应力

3.2 摩擦界面原子的扩散和摩擦膜的形成

在界面处观察到明显的摩擦膜。S原子和Fe原子扩散到摩擦膜中呈均匀分布，在一定程度上反映了摩擦膜的稳定性。由图4可知两种模型中Al原子的MSD和扩散系数均比S原子低一个数量级(约为1/50)，这也说明MoS2具有较高的化学活性。

在高温摩擦过程中，MoS2 NPs容易与摩擦表面发生反应，形成保护性摩擦膜，而Al2O3 NPs在高温摩擦过程中保持化学稳定，无明显变化。

图4 不同摩擦模型下(a) Al原子和(b) S原子的MSD

4. 总结与展望

本文作者创建了Al2O3、MoS2和杂化纳米颗粒Al2O3-MoS2三种摩擦模型，采用NEMD模拟方法研究了板坯间的摩擦磨损行为。分析了纳米颗粒的运动规律，揭示了纳米颗粒的协同润滑作用。还讨论了摩擦过程中原子在纳米粒子与表面之间的扩散，为阐明原子水平的摩擦机理提供了理论依据。

参考文献：

https://doi.org/10.1007/s10853-021-05889-z

使用MedeA模块：

• MedeA Nanotube Builder

• MedeA LAMMPS

• MedeA Diffusion