类型a：学术研究报告

1. 研究作者与发表信息
本文由Xiaobin Yi、Haiyu Xu、Ge Jin、Yang Lu、Biqiang Chen、Shaofeng Xu（通讯作者）、Junqin Shi（通讯作者）及Xiaoli Fan合作完成，作者单位包括西北工业大学凝固技术国家重点实验室、西安热工研究院有限公司及宁波诺丁汉大学。研究发表于期刊《Friction》2024年第12卷第7期（页码1483–1498），DOI编号10.1007/s40544-023-0820-0。

2. 学术背景与研究目标
本研究属于摩擦学与润滑材料领域，聚焦于有机摩擦改进剂（Organic Friction Modifier, OFM）在潮湿环境下的边界润滑行为。背景核心问题在于：实际润滑系统中，表面水分（surface moisture）普遍存在，但其对OFM吸附膜形成及润滑机制的影响尚不明确。此前研究多关注温度、压力等因素，而湿度对界面滑移（boundary slip）和摩擦化学（tribochemistry）的作用机制缺乏系统性探究。
研究目标包括：
- 通过分子动力学（MD）模拟与实验结合，揭示水分对OFM吸附行为的影响规律；
- 阐明界面滑移平面（slip plane）的转移机制及其与摩擦系数的关联；
- 评估水分在润滑系统中的双重作用（降低摩擦 vs. 加剧磨损）。

3. 研究流程与方法

3.1 分子动力学模拟
- 模型构建：采用Packmol软件构建三层夹心模型（图1），包含羟基化α-石英（SiO₂）基底、水膜、OFM（硬脂酸）吸附层及PAO4基础油。水膜厚度设为0/170/340/510分子层，模拟不同湿度条件。
- 模拟条件：
- 静态吸附：在298 K、大气压下平衡5 ns，分析水膜与OFM的竞争吸附。
- 动态剪切：先以500 MPa压力压缩2 ns，再以100–500 m/s速度剪切10 ns，模拟高载荷与剪切速率下的界面行为。
- 力场与算法：
- OFM和PAO4采用OPLS-AA力场，水分子采用SPC/E模型，SiO₂基底用CVFF力场描述。
- 使用LAMMPS软件进行模拟，数据分析工具包括OVITO（构型可视化）和VMD（氢键计算）。

3.2 摩擦学实验
- 润滑剂制备：将0.5 wt%硬脂酸溶解于PAO4基础油，60℃搅拌5小时。
- 测试设备：采用KHT-1400M摩擦磨损试验机，以Si₃N₄陶瓷球-盘为摩擦副。
- 湿度控制：通过湿度发生器调节环境湿度（0%、30%、50%、70%），测试条件为150 N载荷、6 Hz频率、1 mm行程，持续30分钟。
- 表征手段：
- 磨损形貌：Bruker 3D表面轮廓仪；
- 化学分析：X射线光电子能谱（XPS）检测磨损区氧键类型。

4. 主要研究结果

4.1 水分对OFM吸附的影响
- 竞争吸附：水分优先占据SiO₂表面羟基位点（表1），当水膜厚度超过2层（nwater=340）时，OFM完全脱离表面并混入基础油（图2d）。氢键数量分析（表1）显示，水-基底相互作用能（表2）显著高于OFM-基底。
- 剪切效应：高剪切速率（>0.6×10¹¹/s）加速OFM解吸，导致吸附膜变薄（图4），但水膜吸附稳定性更强（图5）。

4.2 摩擦系数与滑移行为
- 摩擦系数变化：模拟与实验均显示，摩擦系数先升后降（图8b）。在30%湿度下与干燥条件相近（~0.076），50%湿度时升高9%（0.083），70%湿度时降低11.8%（0.067）。
- 滑移长度：随水膜增厚，滑移平面从OFM-油界面转为水膜-水膜界面（图7），导致滑移长度增加而摩擦系数降低（图8a）。

4.3 磨损与摩擦化学
- 磨损量：湿度>30%时磨损加剧（图9b），XPS显示O-Si键峰强度先增后减（图10），表明水膜促进SiO₂网络生成与水解（形成Si(OH)₄溶解）。

5. 结论与价值
- 科学价值：揭示了水分通过改变滑移平面位置调控摩擦的机制，提出“临界水膜厚度”（约2分子层）概念，为湿润环境下润滑设计提供理论依据。
- 应用意义：指出水分并非总是有害——合理湿度可通过界面滑移降低摩擦，但需权衡磨损风险。

6. 研究亮点
- 方法创新：首次结合MD模拟与可控湿度实验，定量解析OFM-水膜竞争吸附动力学。
- 发现新颖性：发现摩擦系数非单调依赖湿度，且水膜厚度决定滑移平面转移路径（图11）。
- 跨学科意义：关联了界面物理吸附（分子尺度）与宏观摩擦化学（磨损机制）。

7. 其他价值
- 数据公开性：文中补充材料（ESM）提供了氢键与相互作用能详细数据，支持可重复性验证。
- 技术细节：开发了基于PPPM算法的长程静电作用计算方法，适用于高压润滑界面模拟。