本文關(guān)鍵詞：微納尺度接觸和摩擦過程力學(xué)行為分子動(dòng)力學(xué)及多尺度模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著微納米技術(shù)的迅速發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)及其微／納器件在航空航天、精密制造、軍事、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于微納器件尺度減小到微米甚至納米量級(jí)時(shí)、表面積與體積之比增大而使得表面力和表面效應(yīng)成為導(dǎo)致微納米器件工作性能和失效的主要因素。然而,利用傳統(tǒng)的宏觀接觸及摩擦理論來研究微納尺度接觸和滑動(dòng)摩擦問題已經(jīng)不太適合。而分子動(dòng)力學(xué)和多尺度數(shù)值模擬方法成為當(dāng)今研究微納尺度的接觸和摩擦問題的有效方法。因此深入研究微納尺度下的接觸和摩擦機(jī)制對(duì)于提高微納器件的工作性能及使用壽命具有重要的意義。本課題選題來源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“微機(jī)械摩擦副接觸力學(xué)行為多尺度耦合分析方法研究”的部分內(nèi)容。本文通過對(duì)球面—球面、球面—平面等不同形式微納摩擦副的接觸與滑動(dòng)過程的模擬,研究其接觸和摩擦磨損機(jī)理。 本文首先運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了球面—球面、球面—平面之間的接觸過程力學(xué)行為及接觸區(qū)域單晶硅材料的變形機(jī)理。并且分別采用JKR黏著接觸理論模型和原子力顯微鏡(AFM)試驗(yàn)對(duì)其作相關(guān)驗(yàn)證。 為揭示微納尺度滑動(dòng)摩擦磨損機(jī)理,利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了半球面和基體平面的滑動(dòng)摩擦過程,討論了不同接觸深度滑動(dòng)過程中摩擦區(qū)表層狀態(tài)變化和摩擦力,分析了滑動(dòng)速度對(duì)摩擦力的影響。結(jié)果表明,在滑動(dòng)摩擦過程中,接觸的基體表面形成犁溝滑痕,同時(shí)半球體硅原子發(fā)生了明顯的原子遷移,黏附在基體表面。 針對(duì)不同磨損情況的原子力顯微鏡探針,運(yùn)用三維分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了不同曲率半徑探針接觸壓入及滑動(dòng)過程中單晶銅基體表面材料的變形及摩擦磨損機(jī)制。通過中心對(duì)稱參數(shù)(CSP)和共近鄰域分析法(CNA)分析了不同曲率半徑探針及不同接觸深度滑動(dòng)過程中單晶銅基體材料的位錯(cuò)缺陷及位錯(cuò)發(fā)射方向。根據(jù)宏觀經(jīng)典摩擦理論與分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的摩擦力進(jìn)行對(duì)比,討論了摩擦力的犁溝分量和黏著分量。結(jié)果表明同等接觸深度,曲率半徑越大,法向力和摩擦力也越大,而摩擦系數(shù)隨之變小。接觸深度增加,摩擦系數(shù)也隨之增加。 為了避免分子動(dòng)力學(xué)模擬在空間尺度和時(shí)間尺度的局限性,擴(kuò)大研究模型的尺寸以及提高計(jì)算效率。運(yùn)用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)(QC)多尺度方法,模擬研究了方形壓頭壓入單晶鋁基體接觸過程,分析了接觸作用力和位錯(cuò)形核及發(fā)射過程。 最后運(yùn)用納米壓痕儀和原子力顯微鏡對(duì)單晶硅和單晶銅進(jìn)行了納米接觸和滑動(dòng)試驗(yàn),其獲得的接觸作用力和摩擦力曲線與模擬結(jié)果趨勢(shì)—致。
【關(guān)鍵詞】：分子動(dòng)力學(xué) 多尺度模擬 接觸 摩擦磨損 原子力顯微鏡
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH-39;TH117.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 研究背景及研究意義9-10
• 1.2 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為研究方法及現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究10-11
• 1.2.2 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為數(shù)值模擬研究11-13
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容13-15
• 第二章 接觸力學(xué)及摩擦力學(xué)理論15-21
• 2.1 接觸力學(xué)理論及模型15-17
• 2.2 摩擦力學(xué)理論17-20
• 2.2.1 宏觀摩擦理論17-19
• 2.2.2 微觀摩擦理論19-20
• 2.3 本章小結(jié)20-21
• 第三章 微納尺度接觸及滑動(dòng)摩擦的分子動(dòng)力學(xué)研究21-59
• 3.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬方法理論21-29
• 3.1.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的基本思想和基礎(chǔ)理論21-22
• 3.1.2 勢(shì)函數(shù)及邊界條件22-25
• 3.1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬控溫方法25-26
• 3.1.4 截?cái)喟霃椒椒班徲蛄斜矸?/span>26-27
• 3.1.5 求解運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值算法27-29
• 3.2 微納尺度球面-球面接觸的分子動(dòng)力學(xué)模擬29-35
• 3.2.1 模型建立及模擬參數(shù)29-30
• 3.2.2 模擬結(jié)果及分析30-35
• 3.2.3 基于JKR黏著接觸模型的驗(yàn)證35
• 3.3 微納尺度球面-平面接觸過程分子動(dòng)力學(xué)模擬35-41
• 3.3.1 模型建立及模擬參數(shù)35-37
• 3.3.2 模擬結(jié)果與分析37-39
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析39-41
• 3.4 微納尺度球面-平面滑動(dòng)摩擦過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬41-46
• 3.4.1 模型建立41-42
• 3.4.2 仿真結(jié)果和分析42-46
• 3.5 不同曲率半徑針尖接觸滑動(dòng)過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬46-56
• 3.5.1 仿真模型及模擬參數(shù)47-49
• 3.5.2 結(jié)果與討論49-56
• 3.6 本章小結(jié)56-59
• 第四章 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為的多尺度模擬59-69
• 4.1 多尺度耦合方法及微納尺度接觸和摩擦問題應(yīng)用59-64
• 4.1.1 MAAD方法59-61
• 4.1.2 Luan方法61-62
• 4.1.3 QC方法62-64
• 4.2 微納尺度接觸多尺度建模與仿真64-68
• 4.2.1 仿真模型的建立64
• 4.2.2 仿真結(jié)果分析64-68
• 4.3 本章小結(jié)68-69
• 第五章 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究69-75
• 5.1 單晶硅的納米壓痕實(shí)驗(yàn)69-72
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)方法69-70
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果70-72
• 5.2 單晶銅的納米劃痕實(shí)驗(yàn)72-73
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法72
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果72-73
• 5.3 本章小結(jié)73-75
• 第六章 結(jié)論與展望75-78
• 6.1 本文主要工作和結(jié)論75-76
• 6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)76-77
• 6.3 工作展望77-78
• 致謝78-79
• 參考文獻(xiàn)79-83
• 附錄A：攻讀碩士學(xué)位期間研究成果83

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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  本文關(guān)鍵詞：微納尺度接觸和摩擦過程力學(xué)行為分子動(dòng)力學(xué)及多尺度模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：353480