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【摘要】 随着微纳米技术的迅速发展,微机电系统及其微／纳器件在航空航天、精密制造、军事、生物、农业等领域得到广泛的应用。由于微纳器件尺度减小到微米甚至纳米量级时、表面积与体积之比增大而使得表面力和表面效应成为导致微纳米器件工作性能和失效的主要因素。然而,利用传统的宏观接触及摩擦理论来研究微纳尺度接触和滑动摩擦问题已经不太适合。而分子动力学和多尺度数值模拟方法成为当今研究微纳尺度的接触和摩擦问题的有效方法。因此深入研究微纳尺度下的接触和摩擦机制对于提高微纳器件的工作性能及使用寿命具有重要的意义。本课题选题来源于国家自然科学基金项目：“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”的部分内容。本文通过对球面—球面、球面—平面等不同形式微纳摩擦副的接触与滑动过程的模拟,研究其接触和摩擦磨损机理。本文首先运用分子动力学方法模拟研究了球面—球面、球面—平面之间的接触过程力学行为及接触区域单晶硅材料的变形机理。并且分别采用JKR黏着接触理论模型和原子力显微镜(AFM)试验对其作相关验证。为揭示微纳尺度滑动摩擦磨损机理,利用分子动力学方法模拟研究了半球面和基体平面的滑动摩擦过程,讨论了不同接触深度滑动过程中摩擦区表层状态变化和摩擦力,分析了滑动速度对摩擦力的影响。结果表明,在滑动摩擦过程中,接触的基体表面形成犁沟滑痕,同时半球体硅原子发生了明显的原子迁移,黏附在基体表面。针对不同磨损情况的原子力显微镜探针,运用三维分子动力学模拟方法研究了不同曲率半径探针接触压入及滑动过程中单晶铜基体表面材料的变形及摩擦磨损机制。通过中心对称参数(CSP)和共近邻域分析法(CNA)分析了不同曲率半径探针及不同接触深度滑动过程中单晶铜基体材料的位错缺陷及位错发射方向。根据宏观经典摩擦理论与分子动力学模拟获得的摩擦力进行对比,讨论了摩擦力的犁沟分量和黏着分量。结果表明同等接触深度,曲率半径越大,法向力和摩擦力也越大,而摩擦系数随之变小。接触深度增加,摩擦系数也随之增加。为了避免分子动力学模拟在空间尺度和时间尺度的局限性,扩大研究模型的尺寸以及提高计算效率。运用准连续介质(QC)多尺度方法,模拟研究了方形压头压入单晶铝基体接触过程,分析了接触作用力和位错形核及发射过程。最后运用纳米压痕仪和原子力显微镜对单晶硅和单晶铜进行了纳米接触和滑动试验,其获得的接触作用力和摩擦力曲线与模拟结果趋势—致。
【关键词】 分子动力学； 多尺度模拟； 接触； 摩擦磨损； 原子力显微镜；
摘要 4-5
Abstract 5-6
第一章 绪论 9-15
1.1 研究背景及研究意义 9-10
1.2 微纳尺度接触和摩擦力学行为研究方法及现状 10-13
1.2.1 微纳尺度接触和摩擦力学行为实验研究 10-11
1.2.2 微纳尺度接触和摩擦力学行为数值模拟研究 11-13
1.3 本文主要研究内容 13-15
第二章 接触力学及摩擦力学理论 15-21
2.1 接触力学理论及模型 15-17
2.2 摩擦力学理论 17-20
2.2.1 宏观摩擦理论 17-19
2.2.2 微观摩擦理论 19-20
2.3 本章小结 20-21
第三章 微纳尺度接触及滑动摩擦的分子动力学研究 21-59
3.1 分子动力学模拟方法理论 21-29
3.1.1 分子动力学模拟方法的基本思想和基础理论 21-22
3.1.2 势函数及边界条件 22-25
3.1.3 分子动力学模拟控温方法 25-26
3.1.4 截断半径方法及邻域列表法 26-27
3.1.5 求解运动方程数值算法 27-29
3.2 微纳尺度球面-球面接触的分子动力学模拟 29-35
3.2.1 模型建立及模拟参数 29-30
3.2.2 模拟结果及分析 30-35
3.2.3 基于JKR黏着接触模型的验证 35
3.3 微纳尺度球面-平面接触过程分子动力学模拟 35-41
3.3.1 模型建立及模拟参数 35-37
3.3.2 模拟结果与分析 37-39
3.3.3 实验对比分析 39-41
3.4 微纳尺度球面-平面滑动摩擦过程的分子动力学模拟 41-46
3.4.1 模型建立 41-42
3.4.2 仿真结果和分析 42-46
3.5 不同曲率半径针尖接触滑动过程的分子动力学模拟 46-56
3.5.1 仿真模型及模拟参数 47-49
3.5.2 结果与讨论 49-56
3.6 本章小结 56-59
第四章 微纳尺度接触和摩擦力学行为的多尺度模拟 59-69
4.1 多尺度耦合方法及微纳尺度接触和摩擦问题应用 59-64
4.1.1 MAAD方法 59-61
4.1.2 Luan方法 61-62
4.1.3 QC方法 62-64
4.2 微纳尺度接触多尺度建模与仿真 64-68
4.2.1 仿真模型的建立 64
4.2.2 仿真结果分析 64-68
4.3 本章小结 68-69
第五章 微纳尺度接触和摩擦力学行为的实验研究 69-75
5.1 单晶硅的纳米压痕实验 69-72
5.1.1 实验方法 69-70
5.1.2 实验结果 70-72
5.2 单晶铜的纳米划痕实验 72-73
5.2.1 实验方法 72
5.2.2 实验结果 72-73
5.3 本章小结 73-75
第六章 结论与展望 75-78
6.1 本文主要工作和结论 75-76
6.2 本文创新点 76-77
6.3 工作展望 77-78
致谢 78-79
参考文献 79-83
附录A：攻读硕士学位期间研究成果 83
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