靳盛博PolymComposite：基于分子动力学模拟的官能化石墨烯纳米片改性全氟弹性体纳米复合材料的温度依赖摩擦学与界面性能

文献速读

采用分子动力学模拟研究了298K-573K宽温域与羟基，羧基，氨基官能团对全氟弹性体（FFKM）的载荷摩擦学与界面性能。FFKM复合材料的摩擦系数随度升高呈非线性关系下降，官能团极性大小和氢键数量使得分子间相互作用力变大。COOH-GN/FFKM复合材料高达1.0352的表面粗糙度使得转移膜质量变差，极小的接触面积和更多的微观凸起点更易发生机械咬合。改性官能团的粗糙度使复合材料自由体积增大，同时与拔出力呈正相关。粗糙度在FFKM复合材料的摩擦学和界面性能中占主导地位。

正文导读

FFKM作为一种具有卓越耐化学性和高温稳定性的弹性体，几乎能耐受所有化学品，包括强酸、强碱、有机溶剂、燃料和氧化剂。对气体和液体的渗透率极低，使其在密封应用中非常高效，广泛应用于极端环境下的密封。同时具有优异的耐氧化和耐老化性能，即使在长期暴露于高温和化学环境中，性能也不会显著下降。在高温和恶劣环境下仍能保持弹性，是少数能够在苛刻条件下使用的橡胶材料之一。FFKM可在-15°C至+300°C温度范围内使用，某些特殊配方甚至可以在更低或更高的温度下使用。为了应对更加复杂，苛刻的工况环境，研究人员进行了大量研究。

本文通过分子动力学模拟，探讨了不同官能团改性石墨烯（GN）对FFKM纳米复合材料的摩擦学性能随温度而变化的规律。对三种（羟基，羧基，氨基）改性的石墨烯纳米片FFKM复合材料在298K-573K宽温域范围内进行摩擦和拔出模拟。计算了复合材料的摩擦力，摩擦系数，磨损量，和表面粗糙度。最后通过对相互作用能，键取向参数，原子位移，均方位移（MSD），转移膜，偶极矩，氢键和表面粗糙度等分析，从微观层面解释了改性石墨烯对FFKM复合材料的宽温域载荷摩擦学性能变化规律和高温界面性能的机理。

GN和改性GN/FFKM纳米复合材料在固定载荷及不同温度条件下的摩擦学性能评价结果如图1所示。四组复合材料的摩擦系数虽然随着温度的升高呈现一定的下降趋势，但并没有直接的线性关系。聚合物与金属的摩擦系数与温度之间的关系取决于聚合物的类型。

复合材料在573K高温固定载荷下的相互作用能、均方位移、键取向参数和表面粗糙度如图2所示。官能化的GN提高了相互作用能与分子链平行程度，降低了位移。转移膜是摩擦过程中的重要产物，它能够改变接触界面的性质，转移膜的质量直接影响摩擦学性能。COOH-GN/FFKM复合材料的粗糙度最高，粗糙度趋势与摩擦系数显示出高度的一致性。不同官能团改性的GN对复合材料摩擦学性能的影响是多种因素协同作用的结果，其中转移膜的质量高低对摩擦学性能的影响更为直接。

为了深入探究不同官能团改性的GN与基体材料之间的界面性能与改善作用机制，采用拔出模拟的方式进一步研究。拔出力与摩擦力趋势相同，界面相互作用是影响复合材料摩擦学性能的关键因素。如图3所示，由于在GN纳米片表面引入了极性基团，官能化后的复合材料相互作用更强，显著增强了偶极矩。官能团中的氧原子和氮原子直接与氢原子共价连接形成氢键。偶极矩与氢键对界面相互作用和摩擦学性能的影响具有重要的意义。

拔出过程中粗糙度对拔出力的影响和摩擦过程中粗糙度对摩擦力的影响是一致的，改性官能化石墨烯的表面粗糙度对于界面性能及摩擦学性能的影响同样具有极大的贡献。偶极矩，氢键和表面粗糙度的协同作用增强了复合材料的界面性能，其中结合复合材料的自由体积分析验证了表面粗糙度在复合材料摩擦学性能中占主导地位。

阅读原文：

基于分子动力学模拟的官能化石墨烯纳米片改性全氟弹性体纳米复合材料的温度依赖摩擦学与界面性能

Temperature-dependent tribological and interfacial properties of perfluoroelastomer nanocomposites modified with graphene nanosheets functionalized through molecular dynamics simulations

https://doi.org/10.1002/pc.29883

作者简介

第一作者：靳盛博，沈阳工业大学，博士研究生，研究方向：纳米高分子复合工程材料摩擦学与机器学习。

通讯作者：赵晶，沈阳工业大学，教授。研究方向：密封技术及密封材料，机械结构强度、机械动力学、流体力学，多物体动力学数值理论研究。