数百年来，润滑脂一直是人类生活中不可或缺的一部分，对机械和设备的平稳运行起着重要作用。这种由基础油和稠化剂组成的半固体材料具有独特性能，因而成为从滚动轴承到汽车零部件等众多应用中不可缺少的润滑材料。
（基于《用于润滑脂模拟的粗粒化分子动力学模型》一文）
润滑脂的历史
润滑脂的历史可追溯到 3,000 多年前，当时古代文明使用羊脂和牛脂等材料作为原始轴脂。现代润滑脂的发展始于美国石油的发现，并在 20 世纪 30 和 40 年代催生了多用途润滑脂。如今，1942 年发明的羟基硬脂酸锂稠化润滑脂占据了 50% 以上的市场，滚动轴承是其要求最严苛的应用之一。图 1 显示了典型锂基润滑脂的放大图像。
润滑脂研究
润滑脂的卓越性能在很大程度上源于其流变特性，这些特性决定了润滑脂在不同条件下的流动和工作方式。润滑脂兼具独特的固体和液体特性，既能防止泄漏，又能在受到剪切时保持较高的流动性。
设想一个填充润滑脂并处于静止状态的滚动轴承。此时润滑脂表现得像固体，不易从轴承中泄漏。这是相对于单独使用润滑油的重要优势，因为即使在轴承挡肩、密封件和轴承座等没有剪切作用的区域，润滑剂也能保持在原位。
然而，当轴承开始旋转时，润滑脂会发生显著变化。在剪切作用下，润滑脂的表观黏度降低，从而更容易流动。这种剪切变稀行为源于润滑脂的微观结构，其中包含由稠化剂分子形成的纤维网络。
在轴承运行初期的搅动阶段，润滑脂承受大量剪切能量，使纤维排列并暂时破坏其网络。这会显著降低润滑脂的黏度，使其具有较高流动性，并能够流入轴承的关键区域。
随着轴承继续运行，润滑脂进入析油阶段，此时仅发生缓慢流动和蠕动。在该阶段，轴承非滚动区域形成的半静态润滑脂储层会缓慢释放基础油，补充滚道中的薄润滑膜。这种补充对于延长轴承寿命至关重要，因为它可以持续供应润滑油。
为了理解润滑脂的复杂行为，我们开发了多种模型和模拟方法。其中一种方法采用粗粒化分子动力学，可在介观尺度研究润滑脂各组分之间的相互作用。图 2 展示了我们所模拟系统的一个示例。需要注意的是，虽然图中仅显示二维图像，但模拟本身为三维。
在本研究中，我们建立了一个计算模型，用于模拟代表润滑脂稠化剂的相互作用半柔性纤维悬浮体系。这些纤维浸没在代表基础油的隐式溶剂中。通过调整纤维长度、刚度和浓度，我们可以研究这些参数如何影响润滑脂的流变特性。图 3 显示了建模框架中所用纤维相互作用的示意图。
模拟揭示了若干有意义的结果。较长、较硬的纤维以及较高的纤维浓度，更倾向于沿施加的剪切方向排列。这种取向源于纤维抵抗变形的能力，因为较硬、较长的纤维在剪切作用下不易塌陷或改变方向。
模拟还表明，润滑脂黏度会随纤维长度、刚度和浓度的增加而升高。这与现有理论模型一致：润滑脂纤维等非球形颗粒会增加流动阻力，从而提高黏度（图 4）。
该模型还使我们能够深入研究单根纤维的行为。我们发现，作用于润滑脂的剪切变形会拉伸纤维并增加其内部拉应力。虽然平衡状态下每个键的能量保持不变，但该能量会随受剪纤维长度增加而升高，使较长纤维更容易因较高应力而断裂。
我们还研究了润滑脂在振荡剪切下的行为，以模拟许多应用中遇到的动态载荷条件。模拟显示，储能模量（代表弹性分量）和损耗模量（代表黏性分量）都会随纤维长度、刚度和浓度增加而升高，如图 5 所示。这与实验观察结果一致，并为理解润滑脂的黏弹特性提供了有价值的信息。
本研究开发的综合建模框架为探索实验难以触及的时间和长度尺度上的润滑脂行为提供了有力工具。虽然目前的发现主要是定性的，但我们预计该方法将为开发更先进的润滑脂配方并优化其在不同应用中的性能提供宝贵基础。
结论
总而言之，润滑脂是经过数百年发展而来的非凡材料，其复杂行为仍不断吸引研究人员和工程师。通过先进计算模型揭示润滑脂流变学的奥秘，我们可以更深入地理解这些多用途润滑剂，并为众多行业开发更高效、更可靠的解决方案铺平道路。
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