双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟 关键词： 金刚石纳米颗粒 二氧化硅纳米颗粒 分子动力学 摩擦学行为 摘要
通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。 引言
添加纳米颗粒大小为1～120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。
这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏 理论支持与直接证据。表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。此外，纳米粒子的润滑机理随着润滑状态的变化而变化。还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。这些问题是不容易解决的实验。因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。 对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。在原子水平上，许多研究已经报道了详细的摩擦过程，这是通过使用分子动力学方法的结果。纳米粒子的减摩抗磨机理的几个MD模拟已进行了。例如，铝等。通过对不同压力下纳米颗粒的运动分析。研究了铜-氩纳米流体在固体平板间的摩擦行为
然而，对摩擦系统的机械性能没有进行研究。在以前的工作中，我们模拟了纳米颗粒对润滑剂膜的流变性能的影响。但是对纳米粒子对摩擦副的机械性能的影响效果不予考虑。最近，我们研究
了软纳米粒子（铜）对的固体接触的摩擦表面的影响。结果表明，在低速状态下，铜摩擦表面上形成的纳米薄膜具有良好的润滑性能。虽然很有用，但这些研究并没有说明纳米粒子润滑机理。润滑机制将不同纳米粒子类型。然而，研究所有纳米粒子的摩擦学性能是不切实际的，对这样的研究调查，将其分类为软和硬粒子代表一种更有效的执行方式。因此，在这项工作中，我们通过分子动力学模拟研究硬质粒子的摩擦过程。
金刚石、二氧化硅（SiO 2）是两种典型的硬颗粒和许多实验研究报道由于他们的加入，摩擦性能有良好的改善。作为润滑剂添加剂，这些纳米粒子的润滑机制，表现出类似的的特点，即：（A）他们作为上十亿的粒子摩在擦表面之间滚动和（B）他们分开两摩擦面，防止直接接触。然而，由于两者的原子种类、结构和硬度的不同，其摩擦学性能也有所不同。纳米SiO 2是廉价的，具有很好地亲和力。我们相信，纳米SiO 2颗粒替代纳米金刚石颗粒仅在某些润滑条件下是可行的。为了解决这个问题，我们将比较两纳米颗粒的摩擦学行为。纳米颗粒在边界和混合润滑条件表现最有效。在混合和边界润滑条件下，摩擦表面总是有固体之间的接触，从而导致局部表面破碎。这个纳米颗粒在摩擦表面上的改善润滑效果是抗磨减摩性能的必要。因此，在这项工作中，通过分子动力学模拟研究硬纳米颗粒（金刚石和SiO 2）对摩擦表面间的固体接触的影响。 模型与仿真
2.1模型设置
模拟系统的快照如图1所示。
两个类似的铁（铁）块作为摩擦副。当没有纳米粒子，两块彼此直接接触（图1a）。然后一个半径为15?纳米粒子放被在两块之间（图1b），防止直接接触。这个纳米粒子是自由移动，没有人工约束。周期性边界条件的施加在x和z方向。正如在我们以前的研究中，块包括六层，即：刚性层（1、6），恒温层（2、5）和自由可变形层（3、4）。此外为了固定温度在300K Nose-Hoover贴在恒温层，各刚性层由静止的原子组成，而由于原子间的作用力，在自由变形层不受约束和自由移动。在相反方向上的2个刚性层滑动速度为V，正常负载（对）施加在上刚性层，较低的刚性层在y方向是固定不动的。 2.2分子动力学
铁原子之间的相互作用是通过嵌入原子方法（EAM）势能。EAM可以能够很好地描述金属系统的性能。研究中使用的EAM势能参数由邦尼等人开发。一个元素间势能采用碳–碳（C–C）相互作用。BKS势能采用SiO 2纳米颗粒。2.4e硅原子和氧原子-1.2e的部分电荷用于BKS势能为了提供静电相互作用。SiO 2的BKS势参数潜在的价值可以在工作发现。在表1给出的12-6兰纳-琼斯势的势参数把Fe–C，Fe–Si，Fe–O之间的相互作用模型化。 2.3。模拟程序
模拟使用经典的开放源MD LAMMPS代码。采取了三个步骤来实现仿真。首先，该系统被放宽为200皮秒和达到平衡状态。在这一步，规范集成（NVT）适用于恒温器和自由变形层，即分别为层（2，5）和（3，4），然后这个负载力P逐渐施加到上刚性层，我们再平衡系统。这种再平衡的过程中，图1。而无纳米仿真系统快照（a）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（b）。在纳米SiO 2紫色和青色点分别代表硅原子和氧原子。（对参考图中的色彩图例的解释，读者可以参考用于自由变形层NVT系综的网络版本，它转变为微正则系综（NVE）。然后在相反的方向上拉上下刚性层，速度V；滑动摩擦在1600 ps时间内实现。在这项研究中，我们使用速度Verlet算法计算原子的运动；用于模拟的时间步长为0.002皮秒。在滑动模拟，通过监测z方向力对摩擦的演变进行跟踪，则要求保持刚性层的恒速。
表1
伦纳德琼斯能量（ε）和距离（σ）Fe，Si，O，C
图1。纳米仿真系统快照（A）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（B）。在SiO 2纳米粒子的紫色和青色点分别代表硅和氧原子，