超滑现象及超薄膜润滑机理的分子动力学研究

论文题目: 超滑现象及超薄膜润滑机理的分子动力学研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 蒋开

导师: 陈云飞

关键词: 纳米摩擦学,分子动力学,超滑,超薄膜润滑,边界滑移,纳米轴承

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 微电子机械系统以及纳米机械的迅速发展对于分子尺度下器件摩擦、润滑和磨损特性的研究提出了迫切的要求。因此从分子层面上研究摩擦的起源对于掌握摩擦的本质以及实现超滑零摩擦有着重要的意义。同时,模拟分析超薄膜流体的性质,寻找其与宏观连续体模型的联系与区别,对于未来微流管设计,建立微观流体的基础理论有一定的指导意义。本文首先介绍纳米摩擦、润滑研究的计算机模拟工具-分子动力学,并对于本文固体、流体滑动过程的模拟给出了特别的说明。在此基础上,对干摩擦进行了模拟,根据模拟结果并结合Tomlinson模型,分析了在微观情况下,超滑现象的产生条件以及在低速时动摩擦力随滑动速度增加而增加的机理。然后,构建Couette流模型,用分子动力学模拟超薄膜润滑的边界条件,着重模拟了温度对于滑移长度的影响,结果显示:在固液作用势较强的情况下,滑移长度随着温度的增加而增加;在其较弱的情况下,随着温度的增加,滑移长度反而下降。对于这种现象,提出了滑移界面上下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因。最后模拟了纳米轴承的流体动压润滑现象,结果表明:在低速滑移情况下,经过边界条件修正的雷诺方程仍然可以使用,润滑膜的承载量随着滑移速率的增加而增加;然而在高速下,雷诺方程失效。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章绪论

1.1 课题背景

1.1.1 超滑现象以及在 MEMS、纳米机械中的应用背景

1.1.2 微流体技术以及在芯片散热方面的应用

1.2 纳米摩擦学的研究方式

1.2.1 实验手段

1.2.2 计算机模拟

1.3 研究现状

1.3.1 晶体表面干摩擦以及超滑机理的研究现状

1.3.2 超薄膜润滑机理的研究现状

1.4 课题来源与主要研究内容

第二章分子动力学模拟方法

2.1 分子动力学方法简介

2.2 分子动力学模拟的基本步骤

2.2.1 确定研究对象

2.2.2 分子的初始位置和速度

2.2.3 无量纲化过程

2.2.4 势能模型——分子间作用力

2.2.5 分子运动方程的建立

2.2.6 周期性边界条件

2.2.7 位能截断

2.2.8 温度的调节

2.2.9 实施模拟

2.2.10 宏观统计量的特性统计

2.3 模拟非均匀非平衡态过程的注意点

2.3.1 邻居列表的处理

2.3.2 温度的处理

2.3.3 周期性边界条件的特殊处理

2.4 分子动力学程序流程

第三章干摩擦的分子动力学模拟

3.1 前言

3.2 干摩擦的微观理论模型

3.3 分子动力学模拟模型

3.3.1 模型的构成

3.3.2 势能函数和受力关系

3.3.3 静摩擦力的模拟方式

3.3.4 动摩擦力的模拟方式

3.4 模拟结果和分析

3.4.1 滑动界面旋转角度对于摩擦力的影响

3.4.2 基底滑块晶格常数比对于摩擦力的影响

3.5 结论

第四章边界滑移的分子动力学研究

4.1 前言

4.2 分子动力学模型

4.3 仿真结果

4.3.1 固液作用势的影响

4.3.2 固液密度差异的影响

4.3.3 温度对于滑移长度的影响

4.4 结论

第五章纳米轴承润滑的分子动力学模拟

5.1 前言

5.2 修正雷诺方程的数值解推导

5.2.1 微元体平衡

5.2.2 质量流量

5.2.3 流量连续条件

5.2.4 有滑移边界条件

5.3 分子动力学模型

5.3.1 对称模型的几何构成

5.3.2 对温度的调节

5.3.3 润滑膜的流变特性统计量

5.3.4 其他模型及其优缺点比较

5.4 分子动力学模拟结果

5.5 结论

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

发布时间: 2007-06-11

超滑现象及超薄膜润滑机理的分子动力学研究

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