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微/纳机电系统的迅速发展对微/纳米器件摩擦、润滑和磨损特性的研究提出了迫切的要求。本文从纳米尺度上摩擦的机理以及摩擦的本质出发重现了出现超固体润滑状态的条件。同时,还研究了纳尺度下固体界面的摩擦与宏观连续体模型的区别与联系,这对于提高MEMS性能和增加其使用寿命具有重要的指导意义。
本文应用分子动力学(MD)方法,结合理论分析,研究了金刚石结构的单晶硅悬臂在同样结构的碳基底上运动以及施加法向振动过程中针尖摩擦力的变化规律。重点研究了悬臂在不同参数下的振动,针尖所受摩擦力的变化特点,从而为纳米尺度下摩擦力的控制提供一种新的思路和途径。
本文先介绍了纳米摩擦、润滑研究的计算机模拟工具——分子动力学。给出了固体滑动过程的详细说明,并与一维Tomlinson理论模型进行了对比验证,最终得到粘滑发生的条件和基底与悬臂对于针尖的作用强度之比η的关系,即η≥1时针尖发生粘滑。
基于分子动力学建立了悬臂——针尖——基底模型并研究了悬臂在不同激励作用下摩擦力的变化规律。悬臂振动频率在系统固有周期附近的模拟结果表明,摩擦力与悬臂振动振幅、频率、相位和针尖所受法向载荷均有关,相同相位下,摩擦力随法向载荷的增大而减少;相位为0度时摩擦力受频率和法向载荷的控制效果比较明显,而在相同载荷下,摩擦力在相位为180度时较小。同一载荷、同一相位当恳臂在固有频率下振动时针尖摩擦力随振幅的增大而减少,其中振幅为0时对应Tomlinson模型,对激励频率、载荷进行调整,也可实现系统的摩擦力比传统的Tomlinson模型的摩擦力小。这些较小摩擦力的出现为原子尺度下减少摩擦力提供了一种新的途径。
在较大频率范围内进一步讨论了摩擦力随频率的变化关系。据此,选取了合适的频率,在Tomlinson模型的基础上建立新的模型研究了悬臂振动时针尖摩擦力的变化趋势。同时修正Tomlinson模型发生粘滑的条件,当η(1-α)>1时发生粘滑,由η和α的关系图得到纳米尺度下摩擦处于粘滑和超润滑状态的分布图。