磁性颗粒含量对磁性液体润滑性能的影响*

侯晋升 王建梅 何 帅 常嘉娟

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心 山西太原 030024)

油膜轴承是我国高端装备制造产业的关键基础件之一，具有承载能力大、使用寿命长、速度范围宽及抗冲击能力强等优点，广泛应用在军工装备、航天航空、钢铁冶金等行业。油膜轴承衬套通常由钢体、镀锡层和巴氏合金层组成，在高速重载工作条件下，轴承温度升高，润滑油黏度下降，润滑油膜变薄甚至破裂，会导致轴承衬套表面发生划伤、剥落、塑性流动、磨损以及蠕变等失效形式。固液润滑界面的破坏，会造成油膜轴承工作性能下降乃至失效。磁性液体作为一种新型的智能材料，既具有磁性又具有液体的流动性，广泛地被应用于润滑、密封等领域，可以有效地改善固液界面的润滑性能，提高油膜轴承的工作性能，延长使用寿命。

近年来，随着磁性液体的理论及材料的快速发展，并由于它能改善设备润滑的稳定性，提高润滑性能，许多学者针对磁性液体做了许多理论和实验研究。LI等[1]研究了不同颗粒含量的润滑油基磁性液体的蠕变和恢复行为，并探究了流变现象的微观机制。LI等[2]使用化学共沉淀法制备了Fe3O4纳米颗粒，研究了影响纳米Fe3O4颗粒磁性的因素。WANG等[3-4]通过化学共沉淀法制备了油基铁磁流体，并对制备的磁性液体进行化学表征以及稳定性研究；还进行了黏度测量实验研究，推导了磁性液体黏度方程，设计了油膜轴承在温度与外磁场强度影响因素下的黏度调控的方法。ZHANG等[5]为磁性液体润滑油膜轴承设计了一种多层密匝螺线管外磁场模型，并推导了外磁场模型理论公式。LI等[6]利用由二氧化硅微球组成的混合磁性多相流体进行磁感应自组装实验，研究外部磁场强度、逆磁流变效应和自组装粒子结构之间的关系。NIU等[7]提出一种质量守恒的多相晶格玻尔兹曼(LB)模型来模拟多相流。HSU等[8]研究了在随机表面粗糙度和无限长导线产生的磁场共同作用下，铁磁流体对长轴颈轴承润滑性能的影响。结果显示在距轴承中心适当距离处放置无限长的导线磁场可以抑制长轴颈轴承的侧面泄漏，从而延长了轴承的使用寿命。ZAKARIA等[9]根据动量方程和连续性方程推导出可控制薄膜压力的雷诺方程，使用压力分布函数研究了外磁场作用下非牛顿铁磁流体润滑的有限轴颈轴承的静态和动态性能特征，并通过数值方法研究不同参数对系统稳定性的影响。徐浩等人[10]通过设计托辊内外磁性液体密封件,实现了可靠的液体密封的同时还可对轴承进行润滑，并利用ANSYS有限元软件分析磁性液体密封结构的磁场强度分布规律。仿真结果表明,托辊的磁性液体密封结构设计合理。虽然磁性液体的理论及实验方面已经做了大量的研究，但对于磁性液体微观作用机制还处于探索的阶段，随着纳米技术和计算机技术的不断发展，分子动力学模拟也逐渐成熟，它可以预测纳米尺度上的材料动力学特性，还可以用于模拟与原子运动路径相关的基本过程，为实验与理论提供指导，节省实验成本。

本文作者从磁性液体中的磁性颗粒的含量入手，磁性颗粒选用Fe3O4粒子，利用分子动力学模拟的方法，通过分子动力学软件进行建模以及动态模拟，建立了体积分数为5%、9.6%和14.7%的磁性液体润滑固液界面模型，通过分析滑动过程中的摩擦因数、均方位移、动能、范德华势能及温度的变化，探究磁性颗粒含量对磁性液体润滑性能的影响，揭示磁性颗粒含量对磁性液体润滑性能的作用机制，为研究磁性液体固液界面润滑性能的微观机制提供参考。

1 磁性液体润滑模型的建立

磁性液体作为油膜轴承的润滑介质，主要在轴承衬套与轴颈间起作用，衬套的内层是巴氏合金层。因此，为了研究磁性颗粒含量对磁性液体润滑性能的影响，利用分子动力学模拟软件Material Studio建立磁性液体固液界面润滑模型，固体层为巴氏合金复合材料模型，液体层为磁性液体模型。

1.1 巴氏合金复合材料模型的建立

试验所用的巴氏合金主要由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3种成分组成。因此，要建立3种成分的晶胞结构。Cu6Sn5、SnSb的晶胞相关参数可以从数据库ICSD中获取，Sn晶胞的参数可以通过软件的材料库直接导入。利用分子动力学模拟软件，根据材料晶胞的参数对Cu6Sn5、SnSb进行晶胞结构的构建，晶胞结构如图1所示。

图1 各组分晶胞结构

将3种晶胞的结构导入软件中，然后将晶胞结构进行切片处理。切片处理后，再进行超晶胞处理，最后构建巴氏合金层。巴氏合金结构由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3种材料按照一定的比例组成[11]，其模型尺寸为4.5 nm×29.4 nm×2.04 nm，分子模型如图2所示。

图2 巴氏合金分子模型

1.2 磁性液体模型的建立

根据磁性液体的油基基载液烃类成分组成，在分子动力学软件中搭建各种烃类分子模型结构并优化。从Material Studio自带数据库中引入Fe3O4分子结构，运用Amorphous Cell Tools工具将各烃类分子和Fe3O4按照比例进行建模，磁性液体分子模型的密度为0.85 g/cm3，尺寸为4.6 nm×29.4 nm×2.1 nm，磁性液体分子模型如图3所示。

图3 磁性液体分子模型

1.3 润滑模型的建立及优化

为了探究磁性颗粒含量对磁性液体润滑与稳定性能的影响，建立了不同磁性颗粒含量的固液界面润滑模型，中间层为磁性液体层，上下两层为巴氏合金层。由于在微观层面，磁性颗粒在基载液模型尺寸确定的情况下，无法实现等含量梯度的建模，故构建了磁性液体体积分数分别为5%、9.6%和14.7%的磁性液体固液界面润滑模型，固液界面润滑模型如图4所示。

图4 固液界面润滑模型

为了更好地进行分子动力学模拟，需要对润滑模型进行优化，使模型的结构更加合理。首先对润滑系统进行结构优化处理，优化算法选择Steepest decent，设置作用步数；然后进行退火处理，设置退火温度，反应总步数为70 000。当模型优化完成后，进行固液界面润滑模拟，参照油膜轴承实际工作情况，设置模拟的初始温度、压力的控制方式，并在固体层表面施加一定的压力。固液层相对滑动过程通过对上下固体层施加大小相等方向相反的速度实现，相对滑动速度设置为0.005 nm/ps，选择合适的系统进行模拟，界面润滑过程如图5所示。

图5 固液界面润滑的过程

2 结果与分析

2.1 摩擦因数

摩擦因数是表征固液界面之间润滑状态的主要参数，由公式(1)计算。

μ=f/F

(1)

式中：μ为摩擦因数；f为摩擦力；F为正压力。

由此可见，军功授爵制度在当时各国都有了不同程度的运用，这对巩固新兴地主阶层的权力，提升军队战斗力，起到了巨大的作用。在实际运用中秦国推行军功授爵制度最为彻底，效果也最为明显，最终为秦统一六国打下了坚实的基础。

不同磁性颗粒含量的磁性液体润滑状态下，固液界面间的摩擦因数随模拟时间的变化如图6所示。可知，摩擦因数变化趋势表现为先增长后下降，最终趋于稳定。这是由于摩擦副开始滑动时，固液界面间要克服界面之间的静摩擦力，摩擦因数增大；当达到最大静摩擦因数时，摩擦副开始相对滑动，界面间的静摩擦因数变为动摩擦因数，摩擦因数呈现下降趋势；在稳定滑动过程中摩擦副间的摩擦因数围绕着动摩擦因数上下波动。通过对比不同磁性颗粒含量的磁性液体润滑状态下，固液界面间摩擦因数的变化情况，可知磁性颗粒体积分数为14.7%的磁性液体润滑下的摩擦因数，比体积分数为5%的磁性液体下降了约67%。从分析可知，随着磁性颗粒含量的增加，固液界面间的摩擦因数变小，原因是磁性粒子多呈球形，在微观上将摩擦副的相对滑动运动变为滚动，并随着磁性颗粒的增多，在摩擦副相对运动过程中，会形成一层起到减摩作用的物理吸附膜，大幅度降低了摩擦因数，可有效地改善磁性液体的润滑性能。

图6 不同磁性颗粒体积分数的磁性液体摩擦因数随模拟时间的变化规律

2.2 均方位移(MSD)

根据布朗定律，分子总在不停做无规则运动，均方位移是粒子随时间移动后的位置相对于参考位置的偏差的量度，它随时间的变化规律可以表征液态粒子的扩散行为[12]。其定义式：

SMSD(Δt)=〈|r(t)-r(0)|2〉

(2)

式中：r(t)为原子t时刻的位置向量；r(0)为原子的初始位置。

对不同磁性颗粒含量的磁性液体进行均方位移计算，结果如图7所示。可知，磁性液体的均方位移随着磁性颗粒含量的增大而增大，这说明磁性颗粒含量的增大，会使磁性液体中分子的扩散能力增强[13]。分子扩散能力增强，会导致磁性液体中的烃类分子或磁性颗粒与巴氏合金固体层表面接触的机会增多，有一些分子或磁性颗粒就会附着在固体层的表面，在摩擦表面形成减摩抗磨性强的渗透层或扩散层，进行表面修复，使润滑条件得到改善，提高磁性液体的润滑性能。

图7 不同磁性颗粒体积分数的磁性液体均方位移

2.3 动能

动能变化是由于分子运动引起的。对比不同磁性颗粒含量的磁性液体的动能变化，如图8所示,可知初始阶段，由于要克服静摩擦力做功，使润滑系统的温度迅速升高，分子运动加剧，系统的动能迅速增大[14]；当发生相对滑动后，系统的动能逐渐降低，最终趋于稳定。由图8可知，在稳定滑动的过程中，磁性颗粒含量越多，所对应的动能也大。这是由于磁性颗粒的含量增加，会使磁性液体分子的动能增加，分子运动加快，会加大分子间距，减小分子链间的作用力，使相互吸引力减弱，进而会提高磁性液体的流动性能，改善磁性液体的润滑性能。

图8 不同磁性颗粒体积分数的磁性液体动能变化

2.4 范德华势能

图9 不同磁性颗粒体积分数的磁性液体范德华势能变化

2.5 温度

图10所示为不同磁性颗粒含量的磁性液体润滑状态下，润滑系统温度变化曲线。在初始阶段，温度急剧上升，这主要是由于摩擦副之间发生相对滑动时，克服静摩擦力做功，导致系统的温度升高；当进入相对滑动阶段时，温度会降低并逐渐趋于稳定。从润滑系统温度变化过程可以发现，体积分数为14.7%磁性液体润滑系统温度最大值比体积分数为5%的温度最大值降低了6.5 K。这说明磁性液体含量的增加会提高润滑系统的导热性能，原因是固体磁性颗粒具有较大的热传导系数，因此磁性颗粒的加入可以提高基液的导热性；同时随着单位体积磁性液体中磁性颗粒含量的增多，磁性颗粒会发生团聚，颗粒周围会产生大量粒子簇，由于粒子簇的存在，热量的传递路径变长，改善了磁性液体的导热性能和传热性能，进而提升了磁性液体的润滑性能[15]。

图10 不同磁性颗粒体积分数的磁性液体温度变化

3 结论

利用分子动力学模拟的方法，通过分子动力学软件进行建模以及动态模拟，建立了不同体积分数磁性粒子的磁性液体润滑固液界面模型，通过分析滑动过程中的摩擦因数、均方位移、动能、范德华势能及温度的变化，探究磁性颗粒含量对磁性液体润滑性能的影响。主要结论如下：

(1)从微观角度可以发现，磁性颗粒含量对磁性液体的润滑性能有很大的影响，磁性颗粒含量增加，会使摩擦因数减少，从而可有效地改善的磁性液体的润滑性能。其中磁性颗粒体积分数为14.7%的磁性液体润滑下的摩擦因数比体积分数为5%的磁性液体下降了约67%。

(2)从均方位移、动能变化方面分析，磁性颗粒含量的增加，可以提高磁性液体分子的扩散能力以及运动能力，会使磁性液体中的一些分子附着在固体层的表面，形成减摩抗磨性强的渗透层或扩散层，从而提高磁性液体的润滑性能。

(3)从范德华势能和温度变化的角度分析，磁性颗粒含量的增大，会使磁性液体中分子之间的范德华力减小，会改变磁性液体的黏度，使导热性能和传热性能增强，进而提升磁性液体的润滑性能。