纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究

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1、第25卷第3期摩擦学学报Vol25，No32005年5月TRIBOLOGYMay。2005纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究蒋开，陈云飞h，庄苹，杨决宽，唐明兵(1．东南大学机械系，江苏南京210096；2．东南大学MEMS教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：利用分子动力学模拟方法研究了纳米尺度超薄膜润滑的边界滑移现象，分别模拟考察了固液作用势、固液密度差异和温度对滑移长度的影响．结果表明：在固液作用势较强的情况下，滑移长度随着温度的增加而增大；当固液作用势较弱时，滑移长度随着温度的增加反而下降；滑移界面上、下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因；应用所建立的方法可以较好地

2、解释不同物理参数条件下的壁面滑移问题．关键词：超薄膜润滑；边界条件；滑移；分子动力学模拟中图分类号：THll7．2文献标识码：A文章编号：10040595(2005)03—0238—05利用流体动力学和弹性流体动力学理论能够方向相对移动．中间液体微粒被限制在上、下壁面之间，便有效地描述微米级厚度的薄膜润滑n]，但应用上同时分别在X和y方向受到周期性边界条件的约述连续体理论无法正确地描述纳米级厚度薄膜的结束．上、下壁面之间Z方向的距离以及液体微粒数量构．在经典流体动力学中，薄膜润滑流体运动方程的建立基于无滑移边界假设，但无滑移边界条件对纳米级厚度的薄膜不再适用[3~14]．近年来，Robin

3、son等[go]针对滑移边界条件进行了大量研究，发现影响滑移长度的因素主要包括薄膜润滑层的压强、固液作用势[1]或固液界面的润湿度[1、固液结构不匹配Is,7]、壁面的粗糙程度[8]以及滑移速率等[6。。．但Thompson等[在解释固液密度差异对滑移长度的Fig1Projectionofparticlepositionsontothe一plane影响时得到了反常结果，而Heinbuch等[7]在研究温图1Couette模型平面投影示意图度对滑移长度的影响时未涉及正滑移情况．为此，本文作者首先验证了基于Couette流模型可以自由调节，以此获取不同的模拟状态．由于本文的固液作用势和固液密度

4、差异对滑移长度的影响，然的目的是探讨温度对于边界滑移影响的普遍规律，而后重点模拟了温度对边界滑移的影响，发现在正滑移不是针对某种特定的润滑流体，所以选用结构简单的情况下所得到的结果与Robinson的理论分析结果不氩作为模拟材料．氩分子间作用力可用Lennard—一致；进而指出滑移界面上、下两层之间的结构差异Jones(LJ)势函数来描述[1：程度f_1是影响壁面滑移的主要因素．Vu(rii)=4e[(a／r)一(air)]．(1)式中：是平衡常数；e是势阱常数；rf产l一，l，rf，≤1分子动力学模型rc，其中为第个微粒的空间位置矢量，rc为势能截基于Couette模型(如图1所示)，系

5、统由上、下断半径．当rij=2．8a时，Vhy~O．013，此时原子间作固体壁面和中间的自由液体微粒组成．每个壁面包含用力几乎可以忽略；为了节省计算时间，因此取rc=Fcc结构的2层共256个微粒．为了保证模拟的稳定2．8L1．在本文中，，、EⅥ，和分别表示固液之间的性和减少模拟时间，固定壁面微粒的自由运动，同时平衡常数、势能常数和固体壁面密度．以氩微粒的各强制上、下壁面微粒分别以速率+【，和一【，在X方个参数作为无量纲化的基准，氩原子的势阱常数e一基金项目：国家自然科学基金资助项目(50276011，50275026)．收稿日期l2004—07—07}惨回日期：2004—10—20／联系

6、人陈云飞mail：yunfeichen@$eu．edu．cn．作者简介t陈云飞，男，1967年生，教授，博导，目前主要从事纳米摩擦微及制冷器材方面研究．第3期蒋开等：纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究1．67×1OJ，平衡常数口一3．4X10。m．为了探讨的关系，发现在较大润湿角的情况下会产生边界滑纳米级厚度超薄膜流体的性质，通过改变固液间作用移，并且边界滑移随着润湿角的增大而增强．而润湿势的平衡常数和势阱常数e来表示不同特性的角的变化取决于固液之间的作用势，故可以认为作用壁面微粒；通过调节壁面间沿Z轴方向的距离和初始势对边界滑移具有决定性的影响．鉴于此，我们首先晶格常数来调节固液密度比

7、．模拟分析用固液密度比验证固液作用势对边界滑移的影响．图3示出了壁面P,．／P分别为1．23和2．52，固液作用势比／e分别为1O．O、4．0、1．0、0．4和0．I，温度为0．67--~6．67l0(即80--．800K)．05模拟分析中采用Velocity—Verlet算法[15]计算分00子运动的数值积分，时间步长为At=5fs；为了得到某。一稳定状态，首先在上、下壁静止状态下运行200ps，05使系统达到稳定状态