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空间滚动轴承MoS2薄膜润滑分子动力学模拟  PDF

  • 董绍江 1
  • 程伟伦 1
  • 汤宝平 2
  • 胡小林 3
1. 重庆交通大学 机电与车辆工程学院,重庆 400074; 2. 重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 400030; 3. 重庆工业大数据创新中心有限公司,重庆 400707

中图分类号: TH133

最近更新:2024-08-10

DOI:10.11835/j.issn.1000-582X.2023.102

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摘要

针对空间滚动轴承往复运动状态下二硫化钼薄膜润滑失效机理不明的难题,提出了采用分子动力学对薄膜润滑过程进行分析的方法。建立了单层二硫化钼薄膜摩擦原子模型,针对载荷和环境温度这2个空间滚动轴承的重要影响因素展开了二硫化钼薄膜的往复摆动模拟,得到了摩擦过程中二硫化钼薄膜的摩擦力、粘附力和磨损情况。模拟结果表明:Fe-Ni-Cr合金探针在单层二硫化钼薄膜上的摩擦为黏滑运动,载荷在20~100 nN范围内探针的摩擦过程不会对薄膜造成磨损,但在往复运动过程中润滑性能有所提高;载荷从200 nN开始探针的摩擦过程会对薄膜造成磨损,往复运动过程中摩擦系数不断提高,润滑性能下降;400 nN为单层薄膜的载荷极限,在该载荷下探针会刺穿薄膜与基底接触此时薄膜迅速磨损失去润滑作用。环境温度在1 773.15 K以下对薄膜的润滑作用影响不明显,但达到该温度后薄膜边界处开始缓慢熔化,当环境温度达到二硫化钼熔点时薄膜的熔化速度加快并失去润滑作用。从这些发现得到如下结论:二硫化钼单层薄膜在接触载荷8 GPa以下拥有优异的耐磨性和润滑性;在薄膜未破损的条件下,反复摩擦过程提升了润滑性能;二维层状结构对单层二硫化钼薄膜润滑性能有重要的影响,高温和重载都会对薄膜层状结构造成破坏。

从2004年英国曼切斯特大学Novoselov[

1]通过机械剥离的方式获得石墨烯后,人们对类石墨烯纳米材料开始了广泛的研究。二硫化钼(MoS2)因为拥有1.8 eV的能带间隙和二维层状结构,在半导体邻域备受关注,被认为是次世代最优秀的半导体材料之一,而且MoS2因为优秀的润滑性和耐磨性成为了固体润滑剂最常使用的原材料之一。研究发现其润滑作用与MoS2层间在切向力作用下易发生位移有关。

航天器在太空环境下,因为工况特殊(高温、低温、真空和重载)并且一些摩擦副无法连续供给润滑油脂,所以采用固体润滑剂。空间滚动轴承作为旋转机构的关键零部件在航天器中大量使用,这些轴承的使用寿命直接影响到航天器的服役时间和工作性能。航天器在执行卫星天线的展开和空间相机的对地扫描等任务过程中,旋转机构需要在一定角度内往复运动,此时的轴承不是做常规的旋转运动,而是进行小角度、高频率的摆动,迫使接触局部的润滑薄膜磨损加剧,极大地考验轴承的润滑性能。当MoS2薄膜完全磨损时轴承判断为润滑失效,此时航天器的稳定性、安全性和可靠性将受到很大的威胁。

因此,对往复摆动状态下MoS2润滑薄膜的摩擦特性和磨损状态进行研究,对探究空间滚动轴承的失效机理和提高航天器的服役时间有十分重要的意义。张仁辉[

2]通过液相冰浴超声剥离法制备了MoS2纳米片。摩擦磨损实验表明,MoS2纳米片在高速高载下能有效降低摩擦系数,具有一定抗磨损能力。赵云平[3]对MoS2固体润滑的滚轴轴承进行了真空摆动实验,实验表明小角度的往复摆动中MoS2难以形成有效的转移润滑膜,摆动角度和频率与薄膜磨损、轴承运转寿命有直接关系。这些研究探讨了MoS2的摩擦磨损性能,但缺少对润滑过程中薄膜的磨损变化的探究,而且制备和实验过程繁琐,需要消耗大量的时间,对检测设备精度要求也非常高。邵宇飞[4]通过分子动力学模拟研究了孪晶界对MoS2拉伸行为的影响,结果表明孪晶界能减少MoS2的断裂应变,但该研究不是在太空环境中轴承的润滑摩擦条件下进行的。

目前对空间滚动轴承失效机理的研究相对较少,仅有少数实验研究,缺少理论支撑。又因为空间滚动轴承失效对振动信号的改变微弱难以甄别,导致传统故障诊断方式在空间滚动轴承中难以应用。通过实验的方式难以在微观尺度下对空间滚动轴承薄膜的变化过程进行探究,而分子动力学是一个很好的工具。因此,提出了在微观尺度下针对MoS2摩擦界面进行模拟分析的方法。从原子尺度摩[

5]入手探究MoS2薄膜往复摩擦过程,利用分子动力学对MoS2薄膜摩擦磨损过程进行模拟,通过分析摩擦系数和磨损程度判断润滑薄膜的失效行为,探究载荷与环境温度对单层MoS2薄膜摩擦效果的影响。

1 模拟模型与方法

1.1 建立模型

模拟模型由边界层、恒温层、牛顿层和探针4个部分组成,边界层、恒温层和探针由Fe-Ni-Cr合金构成,而牛顿层由MoS2构成。

MoS2[

6]由S-Mo-S三原子构成,是中间层为Mo原子、上下2层为S原子的“三明治”层状结构。每一层的原子都是平面六角阵列方式排列,Mo-S键长度为2.4 nm,晶格常数为3.2 nm,二维MoS2薄膜结构与石墨烯相似,如图1所示,图中蓝色球体代表Mo原子,黄色球体代表S原子。Fe-Ni-Cr合金是具有优异的机械和耐腐蚀性的最常使用的不锈钢材料之一。根据金属原子在晶胞中分布的晶体结构不同,Fe-Ni-Cr合金可以分为奥氏体(FCC)和铁素体(BCC),Fe、Ni和Cr的各种晶体结构体的晶格常数如表1所示。

图1  二维MoS2薄膜结构图示意图

Fig. 1  Schematic diagram of two-dimensional MoS2 film structure

表1  不同元素晶格常数表
Table 1  Lattice constants of different elements
元素晶体结构晶格常数/nm元素晶体结构晶格常数/nm元素晶体结构晶格常数/nm
Fe FCC 0.363 Ni FCC 0.352 Cr FCC 0.366
BCC 0.287 BCC 0.275 BCC 0.288
HCP 0.257 HCP 0.248 HCP 0.259

与宏观尺度下体积力主导的摩擦机制不同,在微观尺度下摩擦力主要表现为表面的相互作用力。微观下的接触面由高低不同的微凸体组成,单微凸体-微凸[

7]的摩擦可以看成研究微观尺度下摩擦机制的基本单[8]。因此,以微凸体-平面的摩擦模型为基础,使用Fe-Ni-Cr合金作为基底和探针从单层MoS2薄膜入手,模拟探究MoS2薄膜的润滑特性。采用针对分子动力学、蒙特卡洛模拟和其他粒子模拟中生成的数据进行可视化与分析的软件OVITO获得的可视化结构如图2所示。

图2  摩擦模型原子结构图

Fig. 2  Atomic structure of the friction model

图2(b)为模型的剖视图,模型可以分为探针、MoS2薄膜和基底3个部分,Fe-Ni-Cr合金作为基底可以模拟MoS2薄膜在轴承表面的吸附。具体模型尺寸划分及原子数如表2所示。

表2  模型尺寸参数表
Table 2  Model size parameters
名称尺寸/nm3原子数
探针 49π×0.32 2 052
MoS2 16.0×13.0×1.2 14 172
基底 17.0×13.0×0.7 13 206

1.2 势函数

势函数是描述原子间相互作用关系的函数,在进行分子动力学计算时选用适当的势函数,可以得出精确的模拟结果。常用的势函数有Tersoff势、EAM势、Lennard-Jones势和REBO势等。

S-Mo-S层内存在作用力较强的共价键,而层间为较弱的范德华力,属于多种力互相作用的多势体。因此,在进行分子的动力学计算时要选择考虑不同作用力贡献的多势体函数如:MEAM势、Stillinger-Weber势、AIREBO势、REBO势等。Jiang[

9]针对MoS2晶体结构特点对Stillinger-Weber势进行调整,提出了一个适用于MoS2动力学计算的Stillinger-Weber势函数。Liang[10-11]以REBO势为基础在键序项中引入配位函数用来区分多体势中的配位贡献和角贡献,提供了一种计算S-Mo-S分子动力学的REBO势函数。REBO势能更好地体现MoS2的结构和弹性性能,因此,将使用REBO势函数进行模拟计算。其公式为

Eb=12ijfijC(rij)VR(rij)-bijVA(rij) (1)

式中:Eb为系统结合能;rij为原子i和原子j之间的距离;VR(rij)VA(rij)是原子i和原子j之间成对的排斥和吸引力;fijC是原子i和原子j的截断函数;bij是原子i和原子j之间的键序项。bij的计算公式为

bij=1+ki,jfikC(rik)Gcos(θijk)+P(Ni)-1/2 (2)

式中:θijk为Mo-S-Mo原子形成的夹角角度;Ni为第i个原子;G为键角项;P为配位项,其公式为

P(Ni)=-a0(Ni-1)-a1e-a2Ni+a3 (3)

式中:a0a1a2a3为系数。

截断函数和fikC(rik)由下式一同给出:

flkC(rij)=1                                    rij<Rlkmin1+cosrij-RikminRlkmax-Rlkmin2Rlkmin<ril<Rlkmax0                                    rij>Rlkmax (4)

式中:Rlkmax为最大截断距离;ril为原子il的距离;Rlkmin为原子lk的最小影响距离。

采用EAM势描述Fe-Ni-Cr合金的性质,其公式为

Ei=Fαjiρβ(rij)+12jiϕαβ(rij) (5)

式中:Ei为原子i的总能量;Fα为嵌入能量,是关于原子电子密度ρ的函数;ϕαβ是一对势相互作用函数,α和β是原子ij的元素类型。Zhou[

12]通过密度泛函数计算,改进了一种新的Fe-Ni-Cr结构的EAM势函数,并证明了其在奥氏体和铁素体不锈钢中的机械性能。

因为MoS2和Fe-Ni-Cr合金之间没有专用的势函数,所以使用LJ势函数[

13]描述剩余元素之间的作用力。其公式为

E=4εσr12-σr6     r<rc (6)

式中: ε是能量单位;σ是距离单位;rc是LJ截止值。各个元素之间的LJ参数如表3所示。

表3  各元素LJ势参数表
Table 3  LJ potential parameters of each element
元素εσ元素εσ
Mo-Fe 0.001 17 00 2.656 7 S-Fe 0.002 588 1 3.094 5
Mo-Ni 0.001 256 8 2.621 9 S-Ni 0.002 780 0 3.059 8
Mo-Cr 0.001 256 8 2.706 1 S-Cr 0.002 780 0 3.144 0

1.3 模拟条件与计算

模拟过程中的探针设置为刚体,施加恒定法向载荷和移动速度。基底一部分设置为刚体,作为模型边界,称为刚体层;另一部分施加恒定温度,模拟环境温度,称为恒温层。MoS2层与恒温层都维持在宏观正则系综下模拟,保证模拟过程中系统的能量守恒。

使用控制温度,其原理是通过力的计算调节原子的速度。其公式为

F=Fc+Ff+Fr (7)
Ff=-mλdampv (8)
FrkBTmdtλdamp (9)

式中:Fc为原子间作用力计算的保守力场;Ff则是与原子速度成正比的摩擦阻力或黏性阻尼项;m为原子质量;λdamp为阻尼因子;FrT温度下溶剂原子与粒子随机碰撞产生的力,由波动/耗散定理推导出来;kB为玻尔兹曼常数;v为原子速度;dt为单位时间。随机数用于随机力的大小和方向,且该随机为均匀随机数。

计算各层的温度、受力和能量变化,每5 ps计算一次法向受力和切向受力,表示接触面的摩擦力和压力,进行有效摩擦系数的计算。

F=1Ni=ninofi (10)
uef=FtFn (11)

式中:nino分别表示开始时间和结束时间;fi为第i个原子的受力;uef为有效摩擦系数,与宏观下测量的摩擦系数不同;Ft Fn分别为平均摩擦力和法向受力。

通过轴承轻载(赫兹接触应力小于1 GPa)换算到探针上的载荷为轻载小于40 nN,所以将载荷范围设置在20~400 nN以模拟轴承薄膜的轻载到重载破坏的过程。对3 K(太空平均温度)、283.32 K(地球周围空间平均温度)、300 K(空间站内部温度)、1 773.15 K(空间站外部温度)和2 648.15 K(MoS2熔点)的摩擦进行模拟。探针与虚拟原子通过弹簧连接,设置较高的弹簧系数以防止探针运动过程在XYZ方向上发生抖动。先对探针在X轴方向上设置5 m/s的恒定速度,再改变速度方向使其沿X轴负向移动,以模拟轴承往复摆动。进行3次往复摆动,每1次摆动时长为400 ps,共计模拟时长1 200 ps,所有计算均通过LAMMPS(large-scale atomic/molecular massively parallel simulator)实现。LAMMPS是一种经典的分子动力学代码,整合了牛顿运动方程和一些原子的相互作用势函数。可以在计算机上构建和运行LAMMPS代码,实现分子动力学的模拟。通过改变环境温度和载荷进行摩擦模拟,记录摩擦过程中各部分的受力、温度和势能变化以及每个原子的温度、应力和坐标。最后计算出摩擦系数并分析润滑性能与各种影响因素的关系。MoS2薄膜润滑机理分析流程如图3所示。

图3  MoS2薄膜润滑效果分析流程图

Fig. 3  Flowchart of lubrication effect analysis of MoS2 film

2 结果与分析

根据MoS2层状结构特点,建立了单层的MoS2薄膜模型,在不考虑层间作用的条件下研究薄膜的摩擦特性。在太空温度(3 K)下对单层MoS2进行了不同载荷下的往复摆动摩擦模拟。对比模拟结果可以明显看出,载荷在20~100 nN区间针尖在往复摩擦过程中薄膜没有出现明显的划痕;当载荷继续增大到200 nN,探针在摩擦过程中留下明显划痕,薄膜结构的破坏随着往复摩擦次数不断积累,并且在探针的运动前方形成隆起;载荷增加到300 nN时,经过3次往复摩擦薄膜上出现了明显的穿孔;载荷增至400 nN时,薄膜在第1个往复运动中就出现了较严重的穿孔,经过3次往复摩擦探针路径上的MoS2完全磨损,Fe-Ni-Cr合金基底表面也呈现较严重的磨损。结果如图4所示。

图4  往复摩擦划痕磨损情况图

Fig. 4  Reciprocating friction scratch wear

图4(a)和(b)的对比可以明显看出载荷增加导致薄膜产生严重的破坏,载荷的增加使探针与薄膜的实际接触面积增大从而划痕长度和宽度都增加。通过薄膜磨损原子在Z轴上的位移可以直观地看出不同载荷的薄膜磨损程度,载荷在200 nN时薄膜原子在XY平面内发生改变,且只有路径上的原子会发生位移。而载荷为400 nN时路径上的原子都被挤出所在区域,单层薄膜厚度在0.7 nm左右,而原子在Z轴的最大位移达到1.5 nm,说明原子已经从薄膜上剥落以磨屑的形式附着在薄膜上,并且基底上也出现轻微划痕(图5),说明此时MoS2薄膜的润滑已经失效。

图5  基底恒温层磨损程度图

Fig. 5  Wear of substrate constant temperature layer

图5展示的是基底恒温层的磨损情况,摩擦路径上的原子已经出现了剥落,甚至该层已经出现穿孔。为探究磨损带来的影响,进一步分析了探针与薄膜间的受力关系,计算了摩擦系数,并对每一次往复摩擦结果进行对比发现:载荷在20~50 nN的区间内,探针和薄膜间的受力存在一定的波动,波动间隔近似MoS2的晶格常数0.32 nm,说明此时探针与薄膜发生黏滑(stick-slip)运[

14],黏滑运动分为2个阶段对摩擦过程起到阻碍和促进的作用。载荷达到100 nN时,这种现象开始改变,摩擦力的波动范围开始减小,说明运动过程中的黏滑现象在减弱。

图6为20 nN探针沿X轴正向运动和100 nN探针沿X轴负向运动,可以明显看出摩擦力存在一个等间隔的波动:载荷为20 nN时摩擦力前半段波动幅值较大,载荷100 nN时摩擦力波动较小。对比其载荷下薄膜的法向力发现,在20 nN的载荷下时法向力的波动对摩擦力的影响较大,当载荷增加后这个影响有所减弱,载荷稳定后的摩擦力方向始终与运动方向相反。

图6  往复运动摩擦力、载荷随位移变化曲线

Fig. 6  Variation curves of reciprocating friction and load with displacement

载荷增加到200 nN使运动路径上产生痕迹,摩擦力的部分波动间隔达到了0.4 nN,其原因是MoS2的晶格结构受到破坏。摩擦力的波动范围减小,说明黏滑运动对摩擦带来的促进作用在减小。每次往复运动都会加深“摩擦回路”,破坏薄膜结构,增大摩擦力。位移-摩擦力曲线如图7所示。

  

  

图7  往复运动摩擦回路图

Fig. 7  Friction loop of the reciprocating motion

图7可以看出200 nN载荷下第1次往复运动的摩擦力曲线在沿X轴正、负向具有相同的趋势,但随着薄膜的磨损摩擦力曲线形状发生改变。加载到400 nN时往复运动的摩擦力的变化走势已经不同,从图7(d)可以看到在位移5 nm之后摩擦力开始突增,结合图4的薄膜变化可以推断此时薄膜已经完全磨损。为了更直观地分析不同载荷下薄膜润滑效果,计算了每一次往复运动摩擦系数的平均值。计算发现载荷增加会导致摩擦系数升高,这与宏观上获得的摩擦规律相似,但摩擦系数并非固定值。薄膜表面的黏滑现象在低载荷下明显,载荷增加后减弱,结果如图8所示。

图8  不同载荷往复摆动摩擦系数柱状图

Fig. 8  Friction coefficient of the first reciprocating swing under various loads

图8可以看出,载荷低于100 nN时薄膜未发生破坏磨损,摩擦系数的波动变化微弱。对比各载荷下往复运动的摩擦系数可知,薄膜的轻微磨损只会使摩擦系数在一定范围内波动,载荷200 nN时摩擦系数突增是由载荷和磨损共同作用造成的,400 nN载荷下往复运动过程中摩擦系数又发生了量级上的改变,根据摩擦系数可以判断薄膜已经完全磨损并失去了润滑效果。

在探究了载荷对薄膜润滑性能的影响后,针对近地卫星环境、空间站内部环境和火箭升空的情况,改变温度模拟MoS2薄膜在不同场景和恶劣条件下的往复摩擦。摩擦过程载荷恒定为100 nN,在保证薄膜处于正常工作载荷条件下探究温度升高对摩擦磨损的影响。在283.32 K和300 K两个环境温度下,摩擦过程中薄膜没有发生明显的磨损现象;环境温度达到1773.15 K时,在第3次往复运动后MoS2边界部分开始熔化。模拟温度在2 648.15 K时,摩擦开始阶段MoS2就出现了熔化,这和宏观上得到的MoS2的熔点相同。

虽然环境温度在1 773.15 K时,薄膜在摩擦过程中没有出现明显异样,但通过计算对比3 K温度下的摩擦力、法向受力和摩擦系数,发现摩擦力和法向受力的波动范围明显增大,但其平均值和中位数在1 nN内波动,没有明显的差距,计算出的摩擦系数也没有明显差距,而是在正常范围内波动。部分结果如图9所示。

图9  薄膜高温下变化情况

Fig. 9  Film changes at high temperature

图9可以看出在1 773.15 K薄膜边界处MoS2开始熔化,以S-Mo-S结构在空间中独立存在。固体原子的势能高于动能,原子被约束在晶格内使物质具有一定的形状。当温度上升,原子的动能升高,冲破了势能的约束,物质的相态就开始发生改变。薄膜边界的原子受到的作用力是内部的一半,所以环境温度还没有达到MoS2的熔点时因其势能较弱开始以较慢的速度熔化。模拟过程中薄膜的势能变化也可以证明该温度下薄膜发生的是熔化而非分解。当温度达到MoS2的熔点时,薄膜的熔化速度加快,且摩擦路径上的MoS2更容易熔化。计算摩擦系数可以更直观地反映温度对润滑性能的影响,结果如图10图11所示。

图10  高温薄膜摩擦系数柱状图

Fig. 10  Friction coefficient of high-temperature thin film

图11  2 645.15 K环境温度下薄膜势能变化曲线

Fig. 11  Potential energy curve of the thin film at 2 645.15 K

通过图10可以看出环境温度为1 773.15 K时,薄膜的摩擦系数有细微的上升,但薄膜还具有润滑作用。在环境温度为2 645.15 K时,摩擦系数提高了一倍,图11说明此状态下的MoS2势能不断减少,物质由固相开始向其他相态转变。随着MoS2熔化,摩擦系数迅速提高,与400 nN载荷下摩擦力和摩擦系数变化情况相同,说明此刻的薄膜已经失去了润滑能力。

Ky[

15]通过化学气相沉积法和机械剥离法制备单层MoS2薄膜,探究制备工艺对MoS2摩擦特性的影响。不同方式制备的MoS2薄膜在10 nN载荷下的摩擦力结果如图12[15]所示,图中ME表示机械剥离法,CVD-800、CVD-850、CVD-900分别表示在800、860、900 ℃的化学气相沉积法。在相同载荷工况下进行分子动力学模拟验证,模拟结果如图13所示。对比图12图13可以看出,模拟结果和实验结果的摩擦都因为黏滑运动而发生了促进和阻碍。并且在相同的摩擦路径上,摩擦力的变化也是相似的。通过相同载荷工况下的实验结果与模拟结果对比,证明通过分子动力学进行MoS2薄膜的摩擦模拟具有可行性并且所得结果可以在宏观实验中进行观测。

图12  不同制备条件下MoS2层状薄膜 10 nN载荷下摩擦实验结[

15]

Fig. 12  Friction experimental results of MoS2 layered films prepared in different conditions under 10 nN load[

15]

图13  单层MoS2薄膜 10 nN载荷下摩擦模拟结果

Fig. 13  Friction simulation results of monolayer MoS2 film under 10 nN load

3 结 论

在摩擦过程有许多因素影响润滑效果,如接触载荷、接触面积和环境温度等。在复杂因素作用的摩擦过程中摩擦系数可以直观地反映薄膜的润滑性能是否失效。通过模拟不同载荷和环境温度下MoS2薄膜的往复摩擦,观察薄膜的磨损变化情况,再通过摩擦系数判断薄膜润滑状态,实现了对往复摩擦过程中MoS2薄膜的润滑状态的了解,得到以下结论。

1)对于单层MoS2,探针在薄膜表面的运动为黏滑运动,这种运动现象对摩擦过程有一定的促进作用。运动期间摩擦力以晶格常数为间隔不断波动,在20~100 nN的范围内这个趋势非常明显。但随着载荷增加黏滑运动有所减弱,载荷到达200 nN时摩擦会在薄膜上留下路径,破坏原子结构,使摩擦力波动间隔变得不规律。400 nN是单层MoS2薄膜的润滑极限,往复运动过程中的摩擦系数明显增大,且随着往复次数增加,摩擦路径上的薄膜会被消磨殆尽,失去润滑作用,使得探针与基底直接接触。

2)环境温度在1 773.15 K以内不会对薄膜的润滑效果和磨损程度造成过大的影响,但环境温度超出这个阈值时,薄膜从边界处开始缓慢地熔化。当环境温度达到MoS2的熔点时,薄膜迅速熔化,薄膜摩擦系数成倍增加,失去润滑作用。

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