納尺度摩擦潤滑機理的研究.pdf

1、微納機電系統(tǒng)(M/NEMS)技術(shù)的快速發(fā)展促進了對原子級摩擦力的研究。作為M/NEMS基礎(chǔ)的摩擦學問題使人們渴望對摩擦機理有更加深入的了解并嘗試去控制這些設(shè)備的摩擦特性。本文在開放的環(huán)境條件下應(yīng)用理論和實驗方法且在超高真空(UHV)條件下進行分子動力學模擬(MD)來共同研究原子級摩擦性能。
　　首先，運用原子力顯微鏡(AFM)在正常環(huán)境中研究了不同的相對濕度(RH)下由機械振動所引起的流體潤滑，熱潤滑和動態(tài)潤滑。實驗結(jié)果顯示:低溫

2、狀況下高濕度會增強流體潤滑效果而高溫狀況下濕度高則會由于形成流體橋接來降低熱潤滑效果。無論高溫還是低溫，動態(tài)潤滑對于摩擦力的影響保持一致，即無論在任何RH值下增加針尖振動的振幅都會使摩擦力減小。有趣的是對于動態(tài)潤滑作用來講，在高溫狀況下，濕度越高摩擦力越大而低溫狀況下濕度越低摩擦力越大。本文還提出了考慮濕度的二維動態(tài)模型以進一步說明自然環(huán)境下的摩擦機理。
　　其次，應(yīng)用分子動力學模型本文還模擬了硅探針在金剛石基底上滑動來研究摩擦時

3、效。模擬實驗表明:真空中接觸加強主要是由表面二聚作用引起的。隨著溫度升高，由于晶體序列由(1×1)轉(zhuǎn)換到(2×1)，針尖和基底之間的接觸也由非公度轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。接觸增強和熱潤滑效果的結(jié)合導(dǎo)致平均摩擦力隨著溫度的升高呈非單調(diào)性變化。然而，由表面二聚作用引起的摩擦力增強趨勢可能會在很大程度上受到結(jié)構(gòu)潤滑作用抑制.
　　第三點，本文在超真空環(huán)境下，通過向MD模擬的探針施加正弦變化的法向作用力來仿真原子力顯微鏡中的動態(tài)潤滑作用并對其進行研究

4、。為了找出隨著振蕩增加使摩擦力明顯減小的頻率，作者還計算了聲子態(tài)密度(DOS)。最先發(fā)現(xiàn)該頻率可能位于探針和樣品態(tài)密度曲線的狹小交匯處，但是THz的高頻會略微地減小摩擦力，因為作用力相互排斥的情況下這種高頻在應(yīng)用的幅值范圍內(nèi)會促使針尖快速振動。因此，作者暫時得出以下結(jié)論:此現(xiàn)象是之前提到的高頻下摩擦力增強的原因。此外，將頻率降低到GHz接近掃描頻率，即使在很低的振蕩幅值下由于針尖脫離接觸面依然會造成摩擦力急劇下降。在大的振幅下，探針在排