纳米尺度接触的分子动力学模拟

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在微/纳机电系统(M/NEMS)发展的二十多年的时间里,表面粘着、磨损一直是阻碍M/NEMS产品进入市场的关键问题。随着M/NEMS的日益微型化,接触表面之间的间隙通常处于纳米量级,使得表面形貌以及表面粘着作用对接触行为起着决定性作用。分子动力学模拟作为一种计算实验方法,可以对理论分析和实验观察都难以了解的现象做出一定的解释,是研究M/NEMS接触行为中粘附作用与表面形貌对接触行为的影响一种有效方法。  本文应用大规模分子动力学方法,模拟了两种具有不同原子级粗糙形貌的刚性球形探头(原子级粗糙探头和原子级光滑探头)与弹性平面基体的接触行为。研究了具有不同原子级粗糙形貌的探头,以及探头与基体之间不同程度的粘附作用。在研究中关注的是载荷与真实接触面积的关系、接触界面排斥力与真实接触面积、以及粘附力与真实接触面积之间的关系。计算了界面拉离力、粘着功以及接触界面的原子应力分布等。  研究结果表明,分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系,与连续力学接触理论预测很好的定性一致。根据表面粗糙度和表面间粘附作用的不同,对应的连续理论分别为Hertz模型、G-W模型和M-D模型。两种探头在粘附接触下的排斥力与真实接触面积的关系都与无粘附接触时的规律相一致。粘附力对接触行为的影响作用,可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷。在无粘附接触时,表面形貌对接触行为的影响占有主导地位;在有粘附作用接触时,相对于表面形貌,材料的体相性质对接触行为的影响显得更为重要。  两种探头的外载荷与表面粘附力之间具有不同的规律,光滑接触的粘着力与载荷之间呈现出很好的线性增长关系,而粗糙接触的粘着力-载荷曲线分为以不同斜率增长的两个阶段。相比于原子级光滑探头,原子级粗糙探头与基体之间具有较小的拉离力和粘着功,却在接触过程中形成了较大的粘着力。因此,拉离力和粘着功不能表征出在纳米接触过程中表面形貌导致的粘着特性差异。
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