張素梅， 劉軒羽， 溫小萍， 郭培紅， 李 平

(1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南焦作 454003；2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003)

引言

液壓液廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，多以礦物油(即從石油中提煉出來的副產(chǎn)品)為基油，其生物降解性弱，不恰當(dāng)?shù)氖褂脮Νh(huán)境造成極大的破壞[1-3]。近年來，我國大力推進(jìn)節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，因此在工業(yè)領(lǐng)域，提升液壓液抗磨減摩性能[4]，尋找新型綠色液壓傳動介質(zhì)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[5]。

水是一種綠色工質(zhì)，具有阻燃安全、節(jié)能環(huán)保、成本低廉等特點(diǎn)[6-8]。20世紀(jì)80年代，日本、英國、美國、德國等國家對純水液壓技術(shù)展開研究，取得重大成果[9]，水作為新型液壓液被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。德國HUAINAN為了減輕設(shè)備的磨損，研制出了以陶瓷作為閥芯材料的水壓滑閥[10]。1988年ISTI Delaware公司成功開發(fā)了一種新型海水柱塞泵，其斜盤和主軸的材料采用奧氏體不銹鋼，軸承和柱塞的材料采用工程塑料。美國R.Howard Strasbaugh公司成功利用水壓系統(tǒng)代替原伺服電機(jī)與機(jī)械傳動系統(tǒng)來制作半導(dǎo)體集成電路。日本東北大學(xué)研究指出，通過改變純水潤滑陶瓷滑動軸承表面的微觀結(jié)構(gòu)可以大幅度提高其承載能力。BOSCHKOVA K等[11]在水溶液中加入陽離子表面活性劑和兩性表面活性劑，表面活性劑吸附在鋼表面，形成了潤滑薄膜，提升了純水的成膜能力和抗磨減磨性能。從已有的研究中可以看出，通過改變表面結(jié)構(gòu)[12-15]、加入表面活性劑、電鍍[16]、使用不同的材料，可以在一定程度上提升純水液壓液的抗磨減摩性能與承載能力。但是，水作為液壓液，在極端壓力條件下仍存在成膜能力差、抗磨減摩性能弱、極限剪應(yīng)力低等缺點(diǎn)[17-18]。

為解決上述問題，將納米顆粒加入傳統(tǒng)的液壓液中，可以改變液壓液的性質(zhì)，極大的提升液壓液的抗磨減摩性能、承載能力、傳熱能力等[19-22]。LEE等[23]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在潤滑油中加入富勒烯納米顆?？梢栽鰪?qiáng)其抗磨減摩性能和承載能力。以上研究是基于傳統(tǒng)液壓液開展的，沒有從根本上解決傳統(tǒng)液壓液對環(huán)境的影響。本研究基于水壓傳動和納米潤滑技術(shù)，探究納米顆粒對水基納米液壓液特性的影響，研究成果可為尋找新型綠色環(huán)保液壓液提供理論參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水基納米液壓液模型

圖1所示為模擬所建立的剪切流動模型，X軸方向?yàn)?2 nm，Y軸方向?yàn)?5 nm，Z軸方向?yàn)? nm。其中上、下金屬壁面均為厚度1 nm的銅壁面，流體區(qū)域?yàn)楹屑{米顆粒的水基納米液壓液，其中納米顆粒采用直徑為3 nm的Ni納米顆粒。在模擬過程中，通過改變該剪切流動模型中的納米顆粒數(shù)(0，1，2，4顆)來分析不同的納米顆粒濃度對于水基納米液壓液抗磨減摩性能與承載能力的影響。

圖1 水基納米液壓液分子動力學(xué)計(jì)算模型

由于研究的是2個金屬板之間剪切流動模型的運(yùn)動狀態(tài)，因此將Y軸方向上的Cu壁面設(shè)置成S型非周期性邊界條件，不允許粒子在模擬過程中從Y軸方向的金屬板穿過，模擬過程中流體區(qū)域會被上下壁面壓縮，模擬極端壓力狀態(tài)下的剪切流動；模型在X軸和Z軸方向上允許粒子自由穿過，壁面均采用周期性邊界條件。

1.2 勢函數(shù)及其參數(shù)

在剪切流動模型中，要分別討論各種原子間的相互作用勢，從而模擬流體在實(shí)際情況下的受力狀況，粒子之間的相互作用主要分為3類：非金屬原子之間的相互作用力、金屬原子之間的相互作用力、金屬原子和非金屬原子之間的相互作用力。對于非金屬原子之間的相互作用勢、金屬原子和非金屬原子之間的相互作用勢采用Lennard-Jones Potential表示。對于上下銅壁面、鎳納米顆粒的相互作用勢采用嵌入原子勢(EAM)表示，來更加準(zhǔn)確的表達(dá)金屬粒子之間的相互作用勢。表1為非鍵合原子間的相互作用勢能參數(shù)[24-25]。

表1 L-J非鍵合原子相互作用參數(shù)

除此之外，氫原子-銅原子、氧原子-銅原子、氫原子-鎳原子、氧原子-鎳原子之間的Lennard-Jones Potential相互作用勢參數(shù)摩擦間距δ及力強(qiáng)度ε，通過Lorentz-Berthelot混合規(guī)則獲得。Lorentz-Berthelot混合規(guī)則如下式所示[26]，即:

(1)

(2)

式中，i和j表示為系統(tǒng)中的非鍵合原子。

2 模擬細(xì)節(jié)

2.1 系統(tǒng)弛豫

建模完成后系統(tǒng)內(nèi)部粒子的位置關(guān)系并非合理，通過弛豫對模擬體系進(jìn)行能量均勻化，保持系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，有助于后期的模擬計(jì)算。弛豫過程中系統(tǒng)采用NVE系綜[27]，NVE系綜是指積分更新體系中所有粒子的位置和速度，弛豫過程中保持體系粒子數(shù)目、體積、總能量不變。該命令最終產(chǎn)生與微正則系綜一致的系統(tǒng)軌跡。采用速度標(biāo)定法，將體系溫度控制在25 ℃，速度標(biāo)定法是指通過改變原子或分子的運(yùn)動速度從而維持系統(tǒng)的溫度。時間步長設(shè)定為0.001 ps，運(yùn)行100000步，即弛豫時間為100 ps，模擬過程中保持上下銅壁面位置不變，待系統(tǒng)弛豫完成后輸出含有各原子位置信息的data文件。體系中各粒子處于均勻分布狀態(tài)，納米顆粒的分布也趨于均勻。

2.2 模擬過程

當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過弛豫后，將輸出的data文件再次讀入LAMMPS中；在金屬壁面上施加一個垂直力，使得模型中流體的壓力達(dá)到設(shè)定值，壓力分別設(shè)定為0，5，10，20，40 GPa；上壁面施加一個沿X軸正方向的速度，由于黏滯力的作用，流體將會沿X軸正方向做剪切流動，上壁面速度分別設(shè)定為20，40，60 m/s；時間步長設(shè)定為0.001 ps，運(yùn)行500000步，即500 ps，將輸出的結(jié)果導(dǎo)入可視化軟件，觀察剪切流動模型中納米流體的流動狀態(tài)和納米顆粒的運(yùn)動情況。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 水基納米液壓液的流動特性

1) 納米顆粒的運(yùn)動特性

圖2為納米顆粒繞X，Y，Z軸的角速度，為體現(xiàn)出納米顆粒繞3個坐標(biāo)軸角速度的差別，設(shè)置最上層金屬薄壁沿X軸正方向的剪切速度ντ為100 m/s，壓力p設(shè)置為2.5 GPa，溫度T設(shè)置為25 ℃。可以看出，納米顆粒繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度最大，繞X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)的角速度在0的虛線上下均勻分布，由此推斷出水基納米液壓液抗磨減摩的基理為納米顆粒在2個金屬薄壁之間，隨著上層金屬薄壁的剪切運(yùn)動，納米顆粒做“滾珠運(yùn)動”，起到了軸承中滾珠的作用，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，有效的降低了2個金屬薄壁之間的摩擦力，達(dá)到了抗磨減摩的效果[28-29]。

圖2 納米顆粒繞坐標(biāo)軸角速度隨時間的變化

2) 極端壓力條件下液壓液的固化現(xiàn)象

隨著壓力的升高，流體區(qū)域原本稀疏的分子間距被壓縮，形成較為致密的分子排列。上金屬壁面剪切速度為60 m/s，體系溫度為25 ℃，納米顆粒數(shù)量為0(純水液壓液)和2顆(水基納米液壓液)時,納米流體的原子空間分布變化分別如圖3、圖4所示。

從圖3a及圖4a可以看出，壓力為2.5 GPa時，納米顆粒數(shù)量分別為0和2顆時，流體區(qū)域都有較好的流動特性，水分子有較好的擴(kuò)散能力。

圖3 基礎(chǔ)流體的原子空間分布變化(N=0)

圖4 納米流體的原子空間分布變化(N=2)

對比圖3b與圖4b可以看出，當(dāng)模擬區(qū)域中納米顆粒量為0，流體區(qū)域壓力增大至4.2 GPa時，流體區(qū)域的流動特性已不存在，分子之間呈現(xiàn)致密的分子排列，水分子基本上沒有擴(kuò)散至周邊流體區(qū)域，此時流體區(qū)域呈現(xiàn)“類固態(tài)”[30]，純水液壓液出現(xiàn)明顯的固化現(xiàn)象，水基納米液壓液流體區(qū)域的壓力增大至4.4 GPa時，才有明顯的固化現(xiàn)象，說明納米顆粒的存在使得流體區(qū)域固化現(xiàn)象滯后。相比純水液壓液，水基納米液壓液可以在更高的壓力下保持流體區(qū)域的流動性，因此，納米顆粒的存在可以提升水基納米液壓液的抗磨減摩性能和承載能力。

3.2 水基納米液壓液的承載能力

1) 剪切速度對于承載能力的影響

體系溫度為25 ℃，在不同納米顆粒數(shù)量下，剪切速度對摩擦間距δ的影響如圖5所示。在某一剪切速度作用下，摩擦間距會隨著壓力的增大而降低。在相同壓力作用下,3個剪切速度所對應(yīng)的摩擦間距較為接近，由此可得剪切速度的大小對水基納米液壓液的摩擦間距影響較小，進(jìn)而推斷出剪切速度對于液壓液的承載能力影響較小。

2) 納米顆粒對于承載能力的影響

圖6為不同剪切速度時水基納米液壓液與純水液壓液摩擦間距的變化，純水液壓液和水基納米液壓液摩擦間距隨壓力變化的趨勢基本一致。在不同的剪切速度作用下，含有納米顆粒的水基納米液壓液摩擦間距均比相同壓力條件下純水液壓液的摩擦間距要大，因此在純水液壓液中加入納米顆?？梢杂行г黾右簤阂旱某休d能力，提升液壓缸的極限承載壓力。

圖5 不同剪切速度下的摩擦間距隨壓力的變化

表2 摩擦間距隨壓力變化的比例

進(jìn)一步地，剪切速度為60 m/s，溫度為25 ℃時，不同顆粒數(shù)量的摩擦間距隨壓力變化曲線如圖7所示。含有不同納米顆粒數(shù)量的流體區(qū)域所對應(yīng)的摩擦間距均隨壓力的增大而減小，同時摩擦間距隨著納米顆粒數(shù)量的增加而增加，由此可得，納米顆粒的增加可以提升水基納米液壓液的承載能力。

圖6 不同剪切速度時水基納米液壓液與純水液壓液摩擦間距的區(qū)別

圖7 不同顆粒數(shù)量的摩擦間距隨壓力的變化

3) 壓力對摩擦間距的影響

圖8所示為納米顆粒數(shù)量為2顆、剪切速度為20 m/s時，不同壓力作用下摩擦間距隨時間的變化曲線。當(dāng)壓力作用于上壁時，上壁下移壓縮流體，摩擦間距明顯減??；隨著時間的推移，摩擦間距逐漸趨于穩(wěn)定，說明含有納米顆粒的水基納米液壓液具有很好的承載能力；壓力越大，摩擦間距穩(wěn)定值越小，其穩(wěn)定值減小的幅度下降；同時，隨著壓力增大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時間增長。在5，10，20，40 GPa壓力作用下，對應(yīng)的穩(wěn)定時間分別為50000，60000，100000，200000 fs，對應(yīng)的摩擦間距分別為72.5 ，68.0，64.6，63.5 ?。

圖8 不同壓力作用下的摩擦間距隨時間的變化

3.3 水基納米液壓液抗磨減摩能力

1) 剪切流動模型中摩擦力的定義

摩擦力是用來衡量液壓液或潤滑油在相對運(yùn)動部件之間潤滑情況的重要指標(biāo)，通常根據(jù)相對運(yùn)動部件在某一工況條件下所產(chǎn)生的摩擦力來衡量液壓液或潤滑油的潤滑性能。摩擦力的定義為：當(dāng)2個相互接觸并擠壓的物體發(fā)生相對運(yùn)動或具有相對運(yùn)動趨勢時，就會在接觸面上產(chǎn)生阻礙相對運(yùn)動或相對運(yùn)動趨勢的力，這種力叫做摩擦力。固體表面摩擦力的來源主要為原子或分子之間的相互吸引力，或者是由于接觸表面較為粗糙，突起的表面對2個壁面發(fā)生相對運(yùn)動產(chǎn)生了阻礙作用，從而導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生。由于在納米級尺度下，對于摩擦力的定義不太明確，因此通過查閱相關(guān)研究者的研究成果來對摩擦力進(jìn)行定義[31]。參照李國杰等[32]對于納米流體抗磨減摩和承載特性的研究，本研究定義剪切流動模型所受到的摩擦力為靠近沿X方向做剪切運(yùn)動壁面的水分子薄層所受到的合力。

選取靠近上壁面厚度為3 ?的流體區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)分子所受合力區(qū)域，每10000步計(jì)算1次平均力，取平均的方法為每隔10個時間步取1次該區(qū)域分子所受合力，共取10次，即時間步為9910，9920，9930，9940，9950，9960，9970，9980，9990，10000時各取1次做平均，作為剪切流動模型運(yùn)行10000步時所受的摩擦力。模擬完成后會有50個(完成運(yùn)行需要500 ps，共500000步)平均摩擦力，將這些摩擦力相加，再做平均，最終獲得該工況下剪切流動模型所產(chǎn)生的摩擦力。

2) 剪切速度對于摩擦力的影響

圖9為納米顆粒數(shù)量為2顆，溫度為25 ℃，不同剪切速度作用下摩擦力f隨壓力的變化關(guān)系，在不同剪切速度作用下，摩擦力隨壓力的增大而增大。當(dāng)剪切速度為20 m/s和40 m/s時，隨著剪切速度增大，摩擦力的變化沒有明顯的規(guī)律性；當(dāng)剪切速度達(dá)到60 m/s時，此時的摩擦力遠(yuǎn)小于剪切速度為20 m/s和40 m/s時的摩擦力，由此推斷，60 m/s的剪切速度對于流體區(qū)域納米顆粒的擾動強(qiáng)度更大，使得“滾珠效應(yīng)”更加明顯，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化成滾動摩擦，使得摩擦力大大降低[33-36]。

圖9 不同剪切速度作用下摩擦力隨壓力的變化

3.4 納米顆粒對液壓液抗磨減摩性能影響

通過改變剪切流動模型中的納米顆粒數(shù)量，探究在不同壓力下剪切流動模型摩擦力的變化，從而找到最適合的納米顆粒濃度。

1)納米顆粒濃度對摩擦力的影響

圖10所示為溫度25 ℃、剪切速度60 m/s時，不同納米顆粒數(shù)量在不同壓力下流體區(qū)域所受到的摩擦力。含有不同納米顆粒數(shù)的流體區(qū)域摩擦力均隨壓力的增大而增大。在相同壓力作用下，納米顆粒數(shù)量為0～2顆時，其摩擦力會隨著剪切流動模型中納米顆粒數(shù)量的增加而減小，當(dāng)壓力為10 GPa時，1顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力20.2%，2顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力48.0%；當(dāng)壓力為20 GPa時，1顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力22.9%，2顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力39.5%；當(dāng)壓力為40 GPa時，1顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力19%，2顆納米顆粒降低流體區(qū)域摩擦力24.2%。由此可知，隨著壓力的增大摩擦力減小幅度也呈現(xiàn)下降趨勢，因此在純水液壓液中添加納米顆粒可以有效降低摩擦力，但是納米顆粒數(shù)量對于摩擦力的影響隨著壓力的增大而被削弱。

圖10 不同納米顆粒數(shù)量情況下摩擦力隨壓力的變化

由圖10可知，當(dāng)流體區(qū)域納米顆粒數(shù)為4顆，壓力小于10 GPa時，其摩擦力小于流體區(qū)域納米顆粒數(shù)為0時的摩擦力，大于流體區(qū)域納米顆粒數(shù)為2顆時的摩擦力；當(dāng)壓力大于10 GPa，流體區(qū)域的摩擦力驟然增大，摩擦力數(shù)值大于流體區(qū)域納米顆粒數(shù)為0的摩擦力，發(fā)生摩擦加劇現(xiàn)象；當(dāng)壓力達(dá)到40 GPa時，摩擦力達(dá)到0.01752 eV/?，是0納米顆粒的純水液壓液的1.752倍。

從上述結(jié)論可得，在純水液壓液中加入納米顆?？梢杂行嵘簤阂旱目鼓p摩性能，但摩擦力的減小并非與納米顆粒數(shù)呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，當(dāng)納米顆粒達(dá)到一定濃度時，會使得摩擦加劇，導(dǎo)致流體區(qū)域摩擦力遠(yuǎn)大于純水液壓液的摩擦力，使得液壓缸體磨損加劇，縮短機(jī)器設(shè)備的使用壽命；同時由于摩擦加劇，而導(dǎo)致液壓缸體發(fā)熱量增大，導(dǎo)致活塞受熱膨脹，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。因此只有選擇適當(dāng)?shù)募{米顆粒濃度，才可以有效的降低摩擦力，延長設(shè)備的使用壽命，并非納米顆粒的濃度越大越好。

2) 納米顆粒的運(yùn)動特性對摩擦力的影響

由圖2可得，在剪切流動模型中，隨著上金屬壁面的剪切運(yùn)動，納米顆粒繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度最大，說明納米顆粒會受剪切力的作用從而產(chǎn)生力偶，進(jìn)而發(fā)生“滾珠效應(yīng)”，將壁面間的滑動摩擦轉(zhuǎn)化成為滾動摩擦。但是由圖10可知，當(dāng)剪切流動模型中納米顆粒達(dá)到一定濃度后會發(fā)生摩擦加劇現(xiàn)象，進(jìn)行VMD可視化處理，如圖11所示，當(dāng)納米顆粒數(shù)量過多時，顆粒之間會發(fā)生碰撞和擠壓，導(dǎo)致顆粒在剪切流的作用下無法正常的滾動，對金屬壁面造成磨損，導(dǎo)致摩擦力急劇上升。因此只有選擇合適的納米顆粒濃度，保證納米顆粒之間的滾動間隙才能更好的發(fā)揮納米顆粒的作用，從而最大限度的降低壁面之間的摩擦力。

圖11 不同納米顆粒數(shù)量的剪切流動模型納米顆粒的運(yùn)動情況

3.5 溫度對液壓液承載能力及分子擴(kuò)散能力影響

在其他條件相同的情況下，通過對體系設(shè)置不同的溫度進(jìn)行模擬，判斷溫度對于液壓液承載能力以及分子擴(kuò)散能力的影響。

1) 溫度對于粒子擴(kuò)散能力的影響

如圖12所示，壓力為5 GPa，溫度為25 ℃，納米顆粒數(shù)為2顆，剪切速度為60 m/s時，經(jīng)過500 ps后，所標(biāo)記的水分子層基本上沒有擴(kuò)散，水分子的擴(kuò)散能力很弱，呈現(xiàn)類固態(tài)；當(dāng)溫度升至55 ℃時，此時可以看出所標(biāo)記的水分子層中的水分子向四周擴(kuò)散，水分子層發(fā)生偏移，總體依舊呈現(xiàn)類固態(tài)；溫度升至85 ℃時，此時水分子擴(kuò)散能力較強(qiáng)，水分子向四周擴(kuò)散，此時標(biāo)記水分子層已經(jīng)不明顯，類固態(tài)現(xiàn)象消失。

隨著溫度的升高，在相同條件下會使得水分子的熱運(yùn)動加劇，分子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得類固態(tài)現(xiàn)象延后發(fā)生，雖然分子的擴(kuò)散能力強(qiáng)，有利于提升水基納米液壓液的承載能力，但是溫度的升高會使得摩擦力急劇升高，導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此不能以增加摩擦力為代價提升水基納米液壓液的承載能力。

2) 溫度對于液壓液承載能力的影響

由圖13可得，在不同的溫度條件下，摩擦間距的變化趨勢基本一致，均隨壓力的增大摩擦間距越來越小，變化的幅度也在減小。當(dāng)溫度升高時，可以看出摩擦間距隨溫度的升高而升高，因此溫度的升高會導(dǎo)致其摩擦間距的增大，但是增大的幅度不斷減小。提升溫度可以在一定程度上提升液壓液的承載能力，但是對于液壓缸來說過高的溫度弊大于利，當(dāng)液壓缸散熱情況不好時，會導(dǎo)致液壓缸體受熱膨脹，從而導(dǎo)致缸體工作時發(fā)生壁面碰撞等問題，最終會導(dǎo)致設(shè)備使用壽命減短，嚴(yán)重時將會損毀設(shè)備。

圖12 溫度對體系粒子空間分布的影響

圖13 不同溫度下摩擦間距隨壓力的變化

3) 溫度對于摩擦力的影響

圖14為不同壓力條件下，不同溫度對于水基納米液壓液摩擦力的影響，在相同的壓力條件下，摩擦力會隨著溫度的升高而升高。隨著壓力的升高，溫度對摩擦力的影響越顯著。因此對于液壓設(shè)備來說，要做好液壓缸體的散熱，否則會導(dǎo)致摩擦加劇，損毀設(shè)備。雖然較高的溫度可以提升液壓設(shè)備的摩擦間距，但是由于溫度的升高而導(dǎo)致的摩擦加劇現(xiàn)象對于設(shè)備產(chǎn)生的損害更為嚴(yán)重，因此通過提升液壓缸體溫度來提升其承載能力是弊大于利的。

圖14 不同溫度下摩擦力隨壓力的變化

3.6 固化現(xiàn)象

由圖15a可知，當(dāng)壓力為0時，水基納米液壓液和純水液壓液均為液體，密度較為均勻。金屬壁面附近的原子濃度較大，說明金屬壁面對水分子有較強(qiáng)的吸引作用，形成吸附層。隨著壓力的增大，固化現(xiàn)象越來越明顯。其中純水液壓液出現(xiàn)了明顯的分層固化現(xiàn)象。

圖15 納米流體和基礎(chǔ)流體沿Y方向的原子數(shù)密度分布(vτ=20 m/s)

由圖15b～圖15e可知，含有納米顆粒的水基納米液壓液在高度為35 ?附近的原子密度較低，是由于此處除了水分子外還有多數(shù)原子為金屬鎳原子，因此此處的原子密度驟降。金屬鎳的原子密度小于水的原因在于，常壓下鎳的密度為8.88 g/cm3，其相對原子質(zhì)量為58.69 g/mol，常壓下1 cm3的鎳的原子數(shù)為0.151 mol；常壓下水的密度為1 g/cm3，其相對分子質(zhì)量為18 g/mol，常壓下1 cm3的水的分子數(shù)為0.056 mol，且一個水分子中含有3個原子，因此1 cm3的水的原子數(shù)為0.168 mol，并且水被壓縮，原子密度升高，因此水的原子密度要大于鎳的原子密度。

結(jié)合圖3、圖4分析可得，當(dāng)壓力不小于5 GPa時，純水液壓液與水基納米液壓液已經(jīng)發(fā)生了固化現(xiàn)象，水基納米液壓液近壁側(cè)流體的原子密度與純水液壓液的密度相似，表明了兩者在高壓狀態(tài)下已經(jīng)呈現(xiàn)出了類固態(tài)現(xiàn)象，此現(xiàn)象在前人研究壓力流的流動特性時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[50]。同時高壓狀態(tài)下靠近金屬壁面?zhèn)鹊脑訚舛扰c壓力為0時貼近壁面的原子濃度相似，其余部位的原子濃度隨著壓力的增大不斷的增大，由此可得，流體區(qū)域中部已發(fā)生固化現(xiàn)象，然而貼近壁面?zhèn)鹊脑右琅f保持流動狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過分子動力學(xué)模擬的方法，探究在不同剪切速度、納米顆粒濃度、壓力、溫度條件下，水基納米液壓液的承載能力、抗磨減摩特性，并分析在液壓液中加入納米顆粒以提升其抗磨減摩性能的機(jī)理，通過研究分析得到以下結(jié)論：

(1) 相比于純水液壓液，合適納米顆粒濃度的水基納米液壓液有優(yōu)于純水液壓液的抗磨減摩性能、承載能力、強(qiáng)化換熱效果，同時液壓缸體內(nèi)部的溫度也會對水基納米液壓液的承載能力、抗磨減摩性能產(chǎn)生一些影響；

(2) 水基納米液壓液抗磨減摩基理為納米顆粒在水基納米液壓液中主要起到類似于滾珠軸承中滾珠的作用，由于“滾珠效應(yīng)”可以使得壁面之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而降低摩擦力，達(dá)到抗磨減磨的效果；

(3) 當(dāng)液壓缸體溫度較高時，可能會提升水基納米液壓液的承載能力，相反會使得壁面之間的摩擦加劇，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致設(shè)備損毀；

(4) 當(dāng)設(shè)備中的壓力不斷升高時，對于純水液壓液和水基納米液壓液都有一個臨界壓力使流體發(fā)生“固化現(xiàn)象”，有著類似固體的性質(zhì)，純水液壓液的臨界壓力要小于水基納米液壓液的臨界壓力，因此水基納米液壓液在更高的壓力下有著更好的流動特性，有助于壁面之間的潤滑。