微納尺度動態(tài)摩擦力模型及分子動力學(xué)仿真.pdf

1、在微/納米尺度下，納米器件具有非常大的表面積/體積比的特征，表面效應(yīng)增強，宏觀的摩擦規(guī)律并不能完全解釋納米尺度下的摩擦行為。因此，有必要對微/納米尺度下的摩擦行為進行深入研究，以便更好地控制或利用它。
　　本文運用分子動力學(xué)的方法建立了納米尺度的微凸體接觸模型，研究了硅-硅接觸的摩擦規(guī)律。并且，應(yīng)用原子力顯微鏡研究了載荷、針尖材料及速度對類金剛石薄膜摩擦性能的影響及“動態(tài)超滑”現(xiàn)象。
　　考慮到納米器件性能穩(wěn)定性容易受到環(huán)境

2、因素的影響，本文采用分子動力學(xué)模擬的方法分別討論了法向載荷、溫度、探針大小對摩擦力的影響。結(jié)果表明，在低載荷下平均摩擦力隨載荷的增加而近似成指數(shù)增加，在高載荷下摩擦力隨載荷的增加而近似成線性減小。在同樣溫度下，小針尖比大針尖所受的摩擦力要小。溫度比較低時，大、小針尖所受摩擦力都是隨著溫度的升高而快速的降低，當(dāng)溫度較高時，大、小針尖所受摩擦力隨溫度的升高而基本不變，即系統(tǒng)進入了熱平衡狀態(tài)。小針尖比大針尖更早的進入熱平衡狀態(tài)。因此我們可以預(yù)

3、測當(dāng)溫度升高到一定值時，針尖所受摩擦力與針尖的大小無關(guān)。
　　考慮到結(jié)構(gòu)潤滑可以減小摩擦力，本文進一步研究了硅針尖與硅基底之間的各向異性。研究表明，旋轉(zhuǎn)角度在0°到45°之間，滑動摩擦力隨針尖旋轉(zhuǎn)角度的增加而減小，在45°到90°之間，摩擦力隨著針尖旋轉(zhuǎn)角度的增加而增加，摩擦力曲線基本上是關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度45°時的摩擦力為對稱的圖形。而溫度為3K，100K和500K時，對兩物體接觸界面不相稱時摩擦力的影響表明:在同種旋轉(zhuǎn)角度下，滑動摩

4、擦力隨著溫度的升高而減小，當(dāng)針尖旋轉(zhuǎn)角度是45°時，這三種溫度下的摩擦力大小基本相同，此時，兩接觸物體表面之間的摩擦力的大小主要取決于兩接觸界面的相稱度，溫度對摩擦力的影響可以忽略。
　　“動態(tài)超滑”被認(rèn)為是微納尺度下最具可行性的潤滑方法。通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn):在法向固有頻率下施加法向激振可大幅減小摩擦力，摩擦力隨施加振幅的增加而減小。在非共振頻率下施加激振對摩擦力的影響不大。在懸臂梁的法向共振頻率下，研究了在不同溫度、速度、載

5、荷等條件下摩擦力與施加振幅之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)振幅大于等于8nN之后，摩擦力的大小基本不受溫度、速度、法向載荷的影響。
　　最后，本文應(yīng)用原子力學(xué)顯微鏡研究了載荷、針尖材料及速度對類金剛石薄膜摩擦性能的影響。研究結(jié)果表明，在低載荷范圍內(nèi)，針尖和薄膜之間的摩擦力與載荷呈線性關(guān)系，但針尖材料對類金剛石薄膜的摩擦系數(shù)無影響;在高載荷范圍內(nèi)由于產(chǎn)生了“犁溝現(xiàn)象”而造成了薄膜的摩擦系數(shù)增大，探針的掃描速度對薄膜的摩擦力也有很大的影響，隨著掃描