纳米接触过程中黏着规律的变化-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．4(2012)046801纳米接触过程中黏着规律的变化％段芳莉十王光建仇和兵(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)(2011年4月28日收到；2011年6月23日收到修改稿)本文应用大规模分子动力学方法，模拟了两种具有不同粗糙形貌的、刚性球形探头与弹性平面基体之间的纳米尺度接触，计算了探头与基体之间的拉离力和黏着功，研究了接触过程中界面黏着力随载荷的变化规律，分析了接触界面原子的法向应力分布．研究发现，原子级光滑接触的黏着力随着载荷的增大而线性增大，而原子级粗糙接触的黏着力一载荷曲线分为以不同斜率增长

2、的两个阶段．相比于原子级光滑探头，原子级粗糙探头与基体之间具有较小的拉离力和黏着功，却在接触过程中形成了较大的黏着力．因此，拉离力和黏着功不能表征出纳米接触过程中原子吸引作用对界面法向力的贡献大小．关键词：纳米接触，黏着力，拉离力，原子级粗糙形貌PACS：68．35．Np．46．55．+d1引言的情形．当表面之间的距离小于D时，例如在施加一系列正载荷的接触过程中，这时接触体将发生变形，范德华计算公式将不再适于描述其表面吸引力由于微／纳器件的日益微型化，导致比表面积的的变化规律．增大，表面间吸引作用已成为决定微／纳器件性能和关于球体与平面之间的弹性黏着接触行为研寿命的重

3、要因素．若仅限于考虑范德华力导致的吸究，已经有JKR，DMT,Maugis—Dugdale(M—D)l6_

4、8J引作用。已经发展出宏观物体之间范德华能量和力等基于连续力学的接触模型，它们都是通过黏着功随距离变化的计算公式【1】．其中，球体与平面之间来描述表面吸引作用的影响．其中，JKR推导出了的范德华能量和力计算公式分别为W(D)=一0上，显式的接触半径与载荷的计算公式．在代数形式上，d和F(D)=一兰，这里A为Hamaker常数，为球这个计算公式是在Hertz模型的基础上，添加了一体半径，D为两者之间的距离．基于这些针对光滑表个黏着修正项，即37rWR+4／67rR

5、JF)+(37rWR)，面的能量和力表达式，人们研究了粗糙表面之间的这里P是载荷，为黏着功，R为球体半径．但是，范德华吸引作用．例如，Delrio等[2]采用了试验和没有研究讨论过它们与接触界面黏着力的关系．实理论计算相结合的方法对真实形貌粗糙表面进行际上，在这些连续力学接触模型的研究中，并没有了研究．关心接触过程中黏着力随载荷的变化规律．另外，拉离力和黏着功常用于表征接触表面的黏着在分子动力学模拟研究方面，尽管已经有了大量的特性【3，41．对于仅由范德华作用导致表面黏着的情关于纳米接触行为与摩擦机理的文献[9-12]，但尚形，拉离力和黏着功即是上述范德华计算公式在某

6、没有看到针对接触过程中黏着特性的研究．这里的个距离D0下的函数值，D0是刚好发生接触时两个一个技术难点是，需要将原子势函数表示为相互独表面之间的距离[5】．范德华计算公式只适用于接触立的两项：排斥力项和吸引力项[12，1引．体没有发生变形的情形，也就是表面间距离大于D0本文应用大规模分子动力学方法，模拟了刚性国家自然科学基金(批准号：50875271)，重庆市自然科学基金(批准号：CSTC2009BB4200)和中央高校基本科研业务费(批准号：CDJZR112800O1)资助的课题．十E—mail：flduan@cqu．edu．cn⑥2012中国物理学会Chinese

7、PhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼046801．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．4(2012)046801球形探头与弹性平面基体之间的纳米尺度接触，研然后，给探头施加一个很小的载荷，并保持探头在究了接触过程中界面黏着力随载荷的变化规律；水平方向的位置不变．逐次增加施加在探头上的载通过比较两种不同粗糙形貌探头与基体的接触行荷，使系统在每个载荷下充分弛豫，在达到平衡态为，揭示了原子级粗糙形貌对黏着力变化规律的影之后，提取出各个载荷下的压入深度、接触面积和响．研究结果表明，通常用于表征黏着特性的拉离表面作用力

8、，从而模拟得到探头与基体之间的接触力和黏着功，不能表征出纳米接触过程中原子吸引过程．采用了Langevin方法进行控温，使控温层温作用对界面法向力的贡献．度保持在0．O001e／kB附近，其中是波尔兹曼常数．模拟使用的是由美国Sandia国家实验室开发的2模拟方法大规模分子动力学开源代码软件LAMMPS[14，15]．为了模拟出探头与基体表面之间不同程度3结果与讨论的黏着作用，我们采用了截断Lennard．Jones(L—J)势函数3．1拉离力与黏着功E：4E一。，r