納尺度下摩擦力的控制研究.pdf

1、微/納機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展對微/納米器件摩擦、潤滑和磨損特性的研究提出了迫切的要求。本文從納米尺度上摩擦的機(jī)理以及摩擦的本質(zhì)出發(fā)重現(xiàn)了出現(xiàn)超固體潤滑狀態(tài)的條件。同時(shí)，還研究了納尺度下固體界面的摩擦與宏觀連續(xù)體模型的區(qū)別與聯(lián)系，這對于提高M(jìn)EMS性能和增加其使用壽命具有重要的指導(dǎo)意義。 本文應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法，結(jié)合理論分析，研究了金剛石結(jié)構(gòu)的單晶硅懸臂在同樣結(jié)構(gòu)的碳基底上運(yùn)動(dòng)以及施加法向振動(dòng)過程中針尖摩擦力的變化規(guī)律。重點(diǎn)研

2、究了懸臂在不同參數(shù)下的振動(dòng)，針尖所受摩擦力的變化特點(diǎn)，從而為納米尺度下摩擦力的控制提供一種新的思路和途徑。 本文先介紹了納米摩擦、潤滑研究的計(jì)算機(jī)模擬工具——分子動(dòng)力學(xué)。給出了固體滑動(dòng)過程的詳細(xì)說明，并與一維Tomlinson理論模型進(jìn)行了對比驗(yàn)證，最終得到粘滑發(fā)生的條件和基底與懸臂對于針尖的作用強(qiáng)度之比η的關(guān)系，即η≥1時(shí)針尖發(fā)生粘滑。 基于分子動(dòng)力學(xué)建立了懸臂——針尖——基底模型并研究了懸臂在不同激勵(lì)作用下摩擦力的變

3、化規(guī)律。懸臂振動(dòng)頻率在系統(tǒng)固有周期附近的模擬結(jié)果表明，摩擦力與懸臂振動(dòng)振幅、頻率、相位和針尖所受法向載荷均有關(guān)，相同相位下，摩擦力隨法向載荷的增大而減少；相位為0度時(shí)摩擦力受頻率和法向載荷的控制效果比較明顯，而在相同載荷下，摩擦力在相位為180度時(shí)較小。同一載荷、同一相位當(dāng)懇臂在固有頻率下振動(dòng)時(shí)針尖摩擦力隨振幅的增大而減少，其中振幅為0時(shí)對應(yīng)Tomlinson模型，對激勵(lì)頻率、載荷進(jìn)行調(diào)整，也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的摩擦力比傳統(tǒng)的Tomlinson