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随着微电子技术渗透到机械工程的各个领域和机电一体化的发展,微电子机械系统(MEMS)已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术。但是,当尺寸缩小到一定范围时,由于尺寸效应的影响,人们一直沿用的宏观经典摩擦理论不再适用。所以研究在纳尺度下的摩擦特性具有重要的意义。
本文运用分子动力学模拟方法模拟硅针尖在金刚石基体上滑动的粘滑现象。建立悬臂-针尖-基体的分子动力学模型,讨论了原子尺度下滑动速度、温度、载荷等因素对粘滑摩擦的影响。模拟结果表明,在纳米尺度下,原子排列规则的两固体间的滑动摩擦力呈现出周期性的锯齿型变化。摩擦力曲线的波动周期取决于滑动过程中基体沿滑动方向的品格常数,同时受接触面原子排列结构变化影响;在一定速度范围内,滑动摩擦力主要受粘着力作用,大小随速度的增大而线性增大,与独立振子模型理论一致;温度升高,热效应增强,规则粘滑现象变得不明显。
同时以悬臂-针尖-基体的模型为基础,研究了悬臂在不同激励作用下,滑动摩擦力的变化规律。模拟结果表明,滑动摩擦力与悬臂振动频率、相位和针尖所受载荷均有关,相同相位下,滑动摩擦力随法向载荷的增大而减少;相位为0度时滑动摩擦力受频率和法向载荷的控制效果比较明显,而在相同载荷下,滑动摩擦力在相位为180度时较小。对激励频率、载荷进行调整,可实现系统的摩擦力比传统的Tomlinson模型的摩擦力小,为原子尺度下减少摩擦力提供了一种新的思路。