本文關(guān)鍵詞：原子尺度摩擦能量耗散研究

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【摘要】：自上世紀(jì)八十年代以來,摩擦學(xué)研究進(jìn)入到一個(gè)嶄新階段。在實(shí)驗(yàn)方面,由于納米技術(shù)的發(fā)展,掃描探針顯微鏡等儀器的出現(xiàn),人們對于摩擦現(xiàn)象的研究已經(jīng)深入到原子尺度;在理論方面,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,大規(guī)模原子模擬成為可能,推動了微觀摩擦機(jī)理的研究。本文采用理論計(jì)算與分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方法研究了原子尺度摩擦的動力學(xué)行為、能量耗散機(jī)理、晶格振動與聲子耗散機(jī)制等內(nèi)容,從而闡釋了原子尺度摩擦的能量耗散過程。原子尺度摩擦從運(yùn)動方式上來說可分為連續(xù)滑動和粘滑兩種狀態(tài)。動力學(xué)數(shù)學(xué)模型和分子動力學(xué)模擬的結(jié)果一致表明:多穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)產(chǎn)生粘滑的直接原因。因此,影響多穩(wěn)態(tài)的因素通常決定著原子尺度的摩擦行為�；赑randtl-Tomlinson模型計(jì)算發(fā)現(xiàn):滑動能壘、橫向剛度是決定多穩(wěn)態(tài)條件的重要因素。另外,阻尼系數(shù)對運(yùn)動學(xué)行為也具有較大影響,具體表現(xiàn)為:高阻尼可以減少滑移后震蕩時(shí)間,使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。摩擦運(yùn)動過程常常伴隨著能量耗散,能量耗散是摩擦的本質(zhì)和起源。關(guān)于原子尺度的能量耗散的量化研究可以更深刻地揭示摩擦機(jī)制。本文基于上述模型研究了原子尺度摩擦過程中的能量轉(zhuǎn)化與耗散。結(jié)果表明:內(nèi)外系統(tǒng)存在能量的可逆交換,這意味著在粘著階段系統(tǒng)積累的能量并沒有被完全消耗。據(jù)此定義了能量耗散率(EDR)來描述滑移中被永久消耗的能量占粘著階段積累的總能量的比例。能量耗散率從0到100%的連續(xù)變化,覆蓋平滑移動、中間過渡態(tài)、粘滑三個(gè)區(qū)域;此外,研究表明:實(shí)現(xiàn)超滑的兩條可能途徑,即平滑移動和熱超滑——在能量耗散的角度下是統(tǒng)一的——即能量可逆性超滑。能量耗散通常有兩種最基本的能量耗散途徑:電子耗散和聲子耗散,其中聲子耗散由于與晶格振動密切相關(guān),因此是更普遍的能量耗散形式,也是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。通過速度自相關(guān)函數(shù)方法來描述晶格的集體運(yùn)動,我們研究了界面氫化金剛石結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)分布特點(diǎn),系統(tǒng)描述了一個(gè)完整的粘滑周期中振動模態(tài)分布的變化過程。結(jié)果表明:在滑移瞬間體系會釋放不同頻率的聲子,這些不同頻率的聲子與能量耗散密切相關(guān),從而揭示了原子尺度摩擦的能量耗散機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：原子尺度摩擦 能量耗散率 分子動力學(xué) 晶格振動 聲子耗散
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O313.5
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-19
• 1.1 課題背景和意義8-10
• 1.2 原子尺度摩擦機(jī)理的研究10-13
• 1.2.1 IO模型10-11
• 1.2.2 FK模型11-13
• 1.3 能量耗散研究進(jìn)展13-17
• 1.3.1 能量耗散機(jī)制綜述13-14
• 1.3.2 聲子耗散的研究進(jìn)展14-17
• 1.4 論文的主要工作17-19
• 第2章 原子尺度摩擦的動力學(xué)特征19-41
• 2.1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法簡介19-23
• 2.1.1 Prandtl-Tomlinson模型19
• 2.1.2 Langevin方程19-21
• 2.1.3 Runge-Kutta迭代法21-22
• 2.1.4 物理背景及體系參數(shù)22-23
• 2.2 分子動力學(xué)模擬簡介23-28
• 2.2.1 模擬過程及運(yùn)動方程求解算法24-25
• 2.2.2 勢函數(shù)介紹25
• 2.2.3 系綜介紹25-26
• 2.2.4 周期性邊界條件26-27
• 2.2.5 模擬體系27-28
• 2.3 原子尺度摩擦數(shù)值計(jì)算結(jié)果28-36
• 2.3.1 滑動能壘U的影響29-31
• 2.3.2 彈簧剛度k的影響31-32
• 2.3.3 阻尼系數(shù) ? 的影響32-34
• 2.3.4 表面勢能分布形狀的影響34-36
• 2.4 原子尺度摩擦分子動力學(xué)模擬結(jié)果36-40
• 2.4.1 溫度37
• 2.4.2 橫向力37-39
• 2.4.3 體系能量39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 第3章 原子尺度摩擦的能量耗散41-56
• 3.1 體系能量計(jì)算方法簡介41-42
• 3.2 能量轉(zhuǎn)化和能量可逆性42-45
• 3.3 能量耗散率的影響因素45-53
• 3.3.1 相對勢壘?45-49
• 3.3.2 阻尼系數(shù) ?49-50
• 3.3.3 溫度50-53
• 3.4 能量耗散率的理論推導(dǎo)53-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第4章 摩擦引發(fā)聲子耗散的初步研究56-70
• 4.1 聲子概念介紹56-57
• 4.2 振動模態(tài)分布計(jì)算方法57-58
• 4.3 摩擦過程中振動模態(tài)分布隨時(shí)間的演變58-65
• 4.3.1 弛豫階段的振動模態(tài)分布特征59-60
• 4.3.2 粘著階段的振動模態(tài)分布特征60-61
• 4.3.3 滑移瞬間的振動模態(tài)分布特征61-63
• 4.3.4 震蕩階段的振動模態(tài)分布特征63-65
• 4.3.5 各階段能量耗散65
• 4.4 振動模態(tài)分布逐層變化規(guī)律65-69
• 4.4.1 滑移瞬間的振動模態(tài)分布分層變化66-67
• 4.4.2 滑移后震蕩期的振動模態(tài)分布分層變化67-69
• 4.5 本章小結(jié)69-70
• 第5章 結(jié)論與建議70-72
• 參考文獻(xiàn)72-77
• 致謝77-79
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果79

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