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UHMWPE摩擦特性的分子动力学模拟研究

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因具有优异的自润滑、耐磨损和耐冲击等性能而广泛应用于滑动轴承、人工关节等关键元件中。本研究以UHMWPE的摩擦学特性为研究对象，借助经典分子动力学模拟方法，构建了铜-UHMWPE干摩擦和水润滑的分子模型，分析了正压力和剪切速度对UHWMPE剪切特性的作用规律和分子机理。在剪切过程中，随正压力增加（0~70MPa），UHMWPE分子间相互作用距离减小。受此影响，UHMWPE与恒速移动铜板之间的相互作用能增加，剪切力显著增加（1.78~5.48nN）。此外，伴随着分子间距离减小，UHMWPE分子链发生的剪切程度减弱。此外，随铜板滑动速度增加（1~40m/s），剪切过程中UHMWPE弛豫时间减少，导致铜板与其近表层UHMWPE间的相对滑动速度增加，剪切力随之增加。在水润滑条件下，若摩擦副间存在连续水分子膜，在表面铜原子的vdW吸附作用下，水膜能在剪切过程中保持完整，且稳定存在的水膜可显著减小铜板与UHMWPE间的剪切力（<0.11nN）。此时，若增加水膜厚度，水分子可在剪切作用下逐渐渗透到UHMWPE体相中。若模拟初期摩擦副处于边界润滑条件下，则剪切力随UHMWPE与铜板之间接触点数目增多而显著增加（0.76~5.60nN），且边界接触点处聚乙烯分子链的剪切变形现象较为明显。