納尺度下摩擦力的控制研究.pdf

1、微/納機電系統(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，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MEMS性能和增加其使用壽命具有重要的指導意義。 本文應用分子動力學（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)的碳基底上運動以及施加法向振動過程中針尖摩擦力的變化規(guī)律。重點研

2、究了懸臂在不同參數(shù)下的振動，針尖所受摩擦力的變化特點，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、潤滑研究的計算機模擬工具——分子動力學。給出了固體滑動過程的詳細說明，并與一維Tomlinson理論模型進行了對比驗證，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度之比η的關系，即η≥1時針尖發(fā)生粘滑。 基于分子動力學建立了懸臂——針尖——基底模型并研究了懸臂在不同激勵作用下摩擦力的變

3、化規(guī)律。懸臂振動頻率在系統(tǒng)固有周期附近的模擬結(jié)果表明，摩擦力與懸臂振動振幅、頻率、相位和針尖所受法向載荷均有關，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度時較小。同一載荷、同一相位當懇臂在固有頻率下振動時針尖摩擦力隨振幅的增大而減少，其中振幅為0時對應Tomlinson模型，對激勵頻率、載荷進行調(diào)整，也可實現(xiàn)系統(tǒng)的摩擦力比傳統(tǒng)的Tomlinson