纳米级粗糙表面粘着接触行为的分子动力学模拟

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在宏观世界中,两个或两个以上的物体通过局部边界相互接触而实现力或运动传递的问题称为接触问题,它是摩擦学研究的重要分支之一,是分析摩擦磨损和润滑问题的基础。接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,微/纳接触问题已经成为严重制约MEMS技术发展的关键性问题。MEMS接触面通常都比较光滑,当微表面静止接触或两表面间隙处于纳米量级时,由于表面粘附力使其两表面接触在一起,产生了高摩擦、高磨损,这不仅使微器件的性能受到严重影响,还会导致动作失效,而且在微构件的制造中,是造成废品的重要因素之一,直接导致MEMS的一次成功率降低,成本增大。为了搞清楚纳米接触的实质,并建立正确的理论体系尤其是更接近真实表面的粗糙表面接触的理论,对MEMS器件的设计与制造的过程中涉及的一些现象如粘附失效、摩擦、磨损等做出合理的解释,并用之来指导MEMS器件的设计与制造,提高产品的性能,合格率,制造新产品,本论文通过分子动力学(Molecular Dynamics)方法,以金刚石为例,采用Tersoff势研究了刚性光滑表面球体探头与弹性基体的粘着接触过程,论证了宏观接触模型是否适用于预测纳米尺度接触行为。结果表明小载荷范围内,粘附力影响接触行为,载荷—接触面积关系与COS一致,大载荷范围内,接触行为由材料的体相性质决定,与Hertz理论相一致。同时,我们通过W-M函数有效的表征分形粗糙表面,采用Tersoff势研究了具有不同分形维数的分形粗糙表面的刚性球体探头与弹性基体的粘着接触过程,初步探讨了表面形貌对粘着特性的作用与影响,分析了不同分形维数下载荷与接触位移、接触面积的关系。结果表明,粗糙形貌对载荷、位移曲线的影响,与光滑时的粘附作用类似,分形形貌仅在小载荷范围内产生影响,而在大载荷范围内,载荷、位移曲线由材料的体相性质决定。真实接触面积与载荷存在线性关系,与G-W模型定性地一致。
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