聚合物摩擦界面分子构象、物化演变规律与摩擦学性能相关性研究

For the material property of polymer leads to physicochemical changes of the micro surface of polymer friction pair in the process of the sliding friction, the polymer has greater influence on tribological properties than the common metal material. The lack of cognition about the nature changes of polymer friction interface material restricts the development of the related tribology theory. The project tries to combine the quantum mechanics, molecular dynamics and mesoscale simulation to break the limitation of time and space scale of computer simulation, revealing the physicochemical evolution of friction interface material in sliding process of polymer friction pair materials from a new perspective (molecular conformation, electronic structure, adsorption energy, etc.). Combined the tribological test results with computer simulation, the tribological properties influence law and the internal relationship between the contact faces molecular conformation, the surface physicochemical changes and the surface contact morphology are researched. The relationship model of polymer friction pair materials, worn surface morphology and macro tribological properties is established. The research not only helps to promote the study of polymer material developing from the macro tribology to the micro tribology, but also can enrich and perfect the surface/ interface theory of polymer tribology, thus can provide the scientific basis and technical support for the application of polymer material in the sliding friction pair components.

聚合物的材料特性导致滑动摩擦过程中摩擦副微观表面发生的物理化学变化对其摩擦学性能的影响超过普通金属材料，目前对聚合物摩擦界面材料本质变化认知的匮乏制约了相关摩擦学理论的发展。本项目拟通过量子力学、分子动力学与介观模拟方法的结合，突破计算机模拟中的时间尺度和空间尺度的局限性，以新的视角（分子构象、电子结构、吸附能等）揭示聚合物摩擦副材料滑动过程中摩擦界面物化演变过程。将计算机仿真与摩擦学试验结合，研究聚合物材料滑动过程中摩擦界面分子构象演变、表面物理化学变化以及表面接触形态与摩擦学行为之间的内在联系和影响规律，建立聚合物摩擦副材料分子构象-磨损表面形貌-宏观摩擦学特性之间的关系模型。该研究不仅有利于促进聚合物材料的研究从宏观整体向微观界面发展，而且可以丰富和完善表/界面聚合物摩擦学理论，为聚合物材料在滑动摩擦副部件上的应用提供科学依据和技术支持。

聚合物的材料特性导致滑动摩擦过程中摩擦副微观表面发生的物理化学变化对其摩擦学性能的影响超过普通金属材料，目前对聚合物摩擦界面材料本质变化认知的匮乏制约了相关摩擦学理论的发展。. 项目以超高分子量聚乙烯典型聚合物摩擦配副材料为研究对象，建立了聚合物摩擦副材料固-固、固-液-固滑动摩擦形式的联合原子和全原子尺度分子动力学模型，系统开展了不同温度场、载荷条件下超高分子量聚乙烯滑动摩擦过程中界面分子构象、表面物理化学变化规律研究。结合宏观摩擦学试验，完成了超高分子量聚乙烯摩擦副材料分子链构象、分子链能量、摩擦界面物理化学变化规律与宏观摩擦学性能的对应关系研究，结果显示：. 从分子、原子尺度揭示了超高分子量聚乙烯摩擦副材料滑动过程中分子构象演变、表面接触状态以及表面物理化学变化规律。发现在超高分子量聚乙烯材料滑动摩擦过程中，超高分子量聚乙烯分子链的柔顺性（刚性）与温度有关，分子链的刚性程度会影响到摩擦力大小和表面磨损形貌；摩擦过程中分子链间的非键相互作用能（范德华力）变化与材料的弹性变形有关并且法向力和摩擦力主要受其主导。分子链的键伸缩能与材料变形无关，键角弯曲能和二面角扭转能变化与材料塑性变形有关，塑性变形程度越大，其二面角的偏转构态（Gauche）向反式构态（Trans）转变越多；分子链取向是沿压入方向聚集，沿滑动方向伸展，并且分子链沿滑动方向的有序排列会降低摩擦阻力。摩擦过程中界面的超高分子量聚乙烯分子链会发生老化现象，与之配副的金属材料也会出现不同程度磨损。. 研究成果获得机械科学研究总院科技成果一等奖2项。培养博士研究生1人，硕士研究生3人；发表学术论文10篇，其中SCI收录6篇；获得授权发明专利1项，申请专利3项。