自组装分子膜摩擦学特性的分子动力学模拟

论文摘要

本文采用分子动力学模拟的方法,利用MaterialsStudio5.0模拟计算自组装分子膜与氮化硅间的相互作用,并研究温度及压强对其影响,通过分析界面结合能评价自组装分子膜的摩擦学特性。采用多功能摩擦磨损试验机测试两种自组装分子膜的摩擦系数,研究载荷及滑动速度对摩擦系数影响,将分子动力学模拟结果与实验相结合,得出的主要结论如下：1.模拟分析常温常压下3-巯基丙基三甲氧基硅烷（简称：MPS）、3-胺基丙基三甲氧基硅烷（简称：APS）与Si3N4（001）体系间的相互作用,对比界面间的结合能关系为：MPS>APS,进而得出自组装分子膜APS摩擦学特性优于MPS。这与实验测试两种分子膜在相同载荷和滑动速度下摩擦系数大小关系相一致。2.温度及压强的改变影响MPS、APS与Si3N4（001）体系界面间的结合能,MPS摩擦系数随温度增加呈现减小趋势,APS摩擦系数随温度的增加呈现增大趋势；两种自组装分子膜摩擦系数随压强增加先增大后减小,而MPS变化幅度较大。3.界面结合能受温度及压强影响,主要是界面间的范德华作用和静电作用受其影响变化,但由于静电作用相对范德华作用较小,因此界面间范德华力起主导作用。4.测试在不同载荷和滑动速度下自组装分子膜MPS、APS的摩擦系数得出：两种自组装分子膜的摩擦系数均随载荷和滑动速度的增加而增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自组装分子膜技术研究进展
• 1.2.1 自组装分子膜概念及形成原理
• 1.2.2 自组装分子膜结构及特点
• 1.2.3 自组装分子膜的研究状况
• 1.3 分子模拟技术
• 1.3.1 分子模拟的发展及研究
• 1.3.2 分子模拟的分类
• 1.4 Materials Studio（MS）软件介绍
• 1.4.1 基本环境Visualizer
• 1.4.2 Forcite模块
• 1.4.3 Amorphous Cell模块
• 1.5 研究内容及意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第2章 分子动力学模拟
• 2.1 概述
• 2.2 分子动力学计算基本原理
• 2.3 模拟力场
• 2.4 能量最小化算法
• 2.4.1 最速下降法
• 2.4.2 共轭梯度法
• 2.4.3 牛顿-拉森法
• 2.5 模拟系综
• 2.5.1 正则系综（NVT）
• 2.5.2 微正则系综（NVE）
• 2.5.3 等温等压系综（NPT）
• 第3章 自组装分子膜与氮化硅相互作用研究
• 3.1 分子体系模型的建立
• 3.2 动力学模拟
• 3.2.1 分子动力学模拟参数设定
• 3.2.2 模拟体系平衡判定
• 3.3 模拟结果与讨论
• 3.3.1 界面结合能的表达
• 3.3.2 体系的能量分析
• 3.3.3 自组装分子膜能量及结构分析
• 3.4 界面结合能对摩擦特性的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 不同条件对自组装分子膜与氮化硅相互作用影响
• 4.1 概述
• 4.2 温度对相互作用的影响
• 4.2.1 模拟参数设定
• 4.2.2 界面结合能分析
• 4.2.3 体系能量组成分析
• 4.3 压强对相互作用影响
• 4.3.1 模拟参数设定
• 4.3.2 界面结合能分析
• 4.3.3 体系能量组成分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 自组装分子膜的摩擦系数测试
• 5.1 SAMs制备工艺
• 5.1.1 Si基底的制备
• 5.1.2 自组装溶液MPS、APS的制备
• 5.1.3 自组装分子膜MPS、APS的制备
• 5.2 SAMs摩擦特性测试
• 5.2.1 实验设备及原理
• 5.2.2 SAMs的摩擦系数测试
• 5.3 测试结果分析
• 5.3.1 载荷对MPS、APS摩擦系数的影响
• 5.3.2 滑动速度对MPS、APS摩擦系数的影响
• 5.3.3 MPS、APS摩擦学特性比较
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢