纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究

《纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)234601纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究冰司丽娜十王晓力{(北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)(2014年6月l1日收到；2014年6月19日收到修改稿)采用大规模分子动力学方法研究了刚性球型探头与具有不同纳米沟槽基体表面的黏着接触过程，探讨了表面沟槽结构对载荷一位移曲线、接触引力和拉离力以及材料转移的影响规律．研究结果表明：在相同的压入深度下与原子级光滑表面的黏着接触过程相比，刚性探头与具有纳米沟槽结构基体表面的接触压力较小，接触加载过程中的引力作用范围较大，并伴随载荷的多次跳跃，且接

2、触引力和拉离力均有减小；当沟槽深度相同时，随着沟槽宽度的增大，接触引力和拉离力逐渐减小，当沟槽宽度逐渐接近探头与光滑表面的接触直径时，接触引力和拉离力又逐渐增大，趋于接近探头与光滑表面的接触过程；当沟槽宽度相同时，随着沟槽深度的增大，接触引力相对减小，拉离力变化不大．关键词：黏着接触，分子动力学模拟，纳米沟槽结构，拉离力PALOS：46．55．+d，62．20．Qp，31．15．XVDOI：l0．7498／aps．63．234601著减小．具有纳米结构表面的黏着接触问题已成为1引言当前纳米摩擦学领域最重要的研究课题之一[1O,l1]．研究具有纳米结构表面的黏着接触行为，揭示纳米微／纳

3、器件关键零部件的特征尺度通常在纳米结构的减黏机理以及对材料机械力学性能的影响量级．由于尺寸的减小，器件系统中表面力作用显规律，不仅可对现有连续力学接触模型完善补充，著增强，由此引起的表／界面问题成为微／纳器件可而且可为特定工程应用表面形貌的设计提供理论靠运行、实现微／纳器件实用化的重要障碍【，．黏依据．附是微／纳器件中最突出的表面问题之一[3-8]．表本文利用大规模分子动力学方法研究了刚性面几何结构对微观表面黏附性能具有重要的影响，球型探头与具有纳米沟槽结构基体表面的黏着接许多学者研究了材料表面加工的微结构对表面黏触过程，并与探头和原子级光滑表面的接触过程进附性能的影响[7-9]．例

4、如，Zou等[]研究了具有镍行了对比，探讨了表面沟槽结构对载荷一位移曲线、纳米点图案的硅基体黏附和摩擦学性能，结果表接触引力、拉离力和材料转移等的影响规律．明，与光滑硅基体表面相比，具有镍纳米点图案的表面黏附力减小为原来的92％．Spencer等[0，0J通过在硅表面静电吸附和烧结氧化硅颗粒制得具有2仿真系统的分子动力学建模不同密度的凸起表面，并利用原子力显微镜研究粗糙表面与聚乙烯颗粒之间的黏附作用．结果表明，本文研究了球型探头与原子级光滑表面和六烧结了颗粒的凸起表面的黏附作用比光滑表面显种具有不同尺寸沟槽结构的硅基体表面的接触过国家自然科学基金(批准号：51275046，51305

5、029)和中国博士后基金(批准号2012M520005，2013T60066)资助的课题t通讯作者．Email：silinathu@163．corn$通讯作者．E-mail：xiaoliwang@bit．edu．CYI_@2014中国物理学会ChinesePhyrsicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．cn234601—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)234601离力”[21,22】，它们都是衡量表面问黏附性能的重要3结果与讨论指标．3．1接触过程中的载荷．位移曲线图2给出了探头与原子级光滑表面(表面A)接触过程中的载

6、荷一位移曲线．载荷即探头受到的基体作用力(所有探头原子受到的基体原子作用力总和)的法向力(F2)．如果探头与基体之间的作用力为吸引力，则为负；如果相互作用力为排斥力，则F2为正．接触过程各个时刻的位移d可用公式d=dt+d一D求解，其中D为接触过程各个时4—3—2—1O12345d／A刻探头顶端到基体底部的距离，d为探头的高度，ds为硅基体的高度，如图1(a)所示．图2(网刊彩色)探头与光滑表面(表面A)接触过程的载从图2可以看出，加载和卸载过程的力曲线荷一位移曲线并不完全相同，即存在“黏着滞后”现象．这主要是由于两接触表面在分离过程中耗散了更多的能3．2沟槽宽度对纳米接触过程的影响

7、量[17,18]．有学者认为此现象主要是由于探头和基体在接触过程中形成的化学键，在卸载过程中需要图3给出了探头与表面B，C，F和G黏着接触更大的力拉断分离，进而导致卸载过程中力的增过程的载荷一位移曲线．表面B，C，F和G具有相同看∞加[19】．6也5有4研3究2指出1，黏1一着2一滞3后一现象是由于在加的沟槽深度(5A)，宽度分别为5，10，20和30A．从00O0O000OO000OOOO00载过程中压力超过材料的屈服点导致材料发生塑图2和图3可以看出，