纳观表面粘着接触的分子动力学模拟

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微/纳机电系统(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems,MEMS/NEMS)是人们在微/纳观领域认识与改造世界的一项高新技术。当构件尺寸减小时,与面积成比例的表面粘着力等的作用成为主要作用力。在多数情况下表面粘着力是阻力,而在另一些情况下是驱动力。微/纳观表面粘着接触行为以及表面形貌对粘着接触特性影响的研究对微/纳机械设计与运用具有重要意义。 本文通过分子动力学(Molecular Dynamics)方法,采用Lennard-Jones势研究了不同半径的刚性光滑表面圆柱体压头与弹性基体的接触过程,探讨了Hertz理论解的局限性,分析了粘着接触特性随压头尺寸的变化关系。 模拟表明,若不考虑表面粘着,当压头尺寸增大时,其接触半带宽及接触压力分布与Hertz解有更好的吻合。但模拟结果与Hertz解有一定出入,这说明在纳米尺度下,Hertz解的局限性;若考虑表面粘着,随着压头尺寸的增大,粘着滞后现象越明显。载荷-半带宽关系曲线与Barquins给出的理论解很相似。高应力区出现在接触区域两边,且当压头半径减小时,von Mises应力随着压入深度的增大而迅速增大,说明粘着力对小尺寸压头的接触过程影响较大。 采用镶嵌原子法(Embedded-Atom Method,EAM)研究了刚性圆柱体压头及平面压头在不同表面形貌影响下的纳观粘着接触过程,初步探讨了表面形貌对粘着特性的作用与影响。 对不同表面形貌圆柱体压头与弹性基体粘着接触模拟表明,光滑表面压头与基体接触产生了很大的接触载荷;粗糙表面压头有着使基体表面原子发生迁移的表面能与间隙,使其位移-载荷曲线有明显变化,表现出较大的载荷突变,且压力值很小,而卸载时的最大粘着力与光滑表面压头基本一致。 在带有“齿”型表面平面压头与弹性平面粘着接触模拟中,压头Ⅰ比压头Ⅱ的“齿”小。模拟表明,压头Ⅰ比压头Ⅱ对基体原子有着更强烈的撕裂作用,使得接触分离时的最大粘着力前者为后者的两倍,且压头Ⅰ、Ⅱ吸附原子个数分别为19,4。这说明不同大小“齿”型表面形貌对粘着接触有很大影响。 最后,总结了全文,指出未来微/纳接触力学研究发展方向。
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