【摘 要】
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随着纳米科技的发展及社会需求的不断提高,器械微型化已成为科学发展的必然趋势,微器械及新型智能材料的出现为微纳尺度力学提出了很多迫切需要解决的学科前沿问题,如微/纳机电
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随着纳米科技的发展及社会需求的不断提高,器械微型化已成为科学发展的必然趋势,微器械及新型智能材料的出现为微纳尺度力学提出了很多迫切需要解决的学科前沿问题,如微/纳机电系统的表/界面黏附失效、智能材料仿生设计问题等。当尺寸达到纳米量级,由于结构比表面积的增加,表面力已成为影响器件性能和寿命的决定因素。因此,微尺度下界面黏附性能的研究引起了科技工作者的广泛关注,该研究不仅对解决微/纳机电系统黏附失效问题具有重要意义,亦能促进表/界面黏附力学的发展。分子动力学(MD)模拟作为研究表/界面黏附性能的有效手段得到了广泛应用。
晶体硅材料在自然界中大量存在,并且具有类金刚石结构,广泛应用于微机电系统及微器械中。为了揭示界面黏附性能的微观机理,本文以单晶硅为研究对象,建立了表面光滑块体硅黏附接触模型,运用MD通用软件LAMMPS,开展块体硅界面法向黏附及剪切黏附的微观机理研究。主要研究内容及成果如下:
首先,建立了块体硅干黏附接触模型,开展了硅界面切向黏附(纳米摩擦力)和法向黏附性能主要影响因素的研究。结果表明:界面间的摩擦力随着相对滑动速度、法向压力的增加而增加。主要由于滑动速度越大,原子振动越剧烈,接触几率增大,单位时间内克服的界面势能变大,摩擦力增大;当界面分离距离达某一临界值时,法向黏附力达到最大值。
其次,研究了水膜厚度对硅界面黏附性能的影响。结果显示:当界面处存在水膜时,界面间的切向摩擦力较干黏附模型有所增加;而最大法向黏附力较干黏附模型有所减小。当相对滑动速度不变时,界面间的摩擦力随着水膜厚度的增加呈现先增加后减小的趋势;法向最大拉脱力随着水膜厚度的增加呈现先增加再减小最后趋于稳定值的趋势。当水膜厚度较薄(4~12(A))时,摩擦力随相对速度的增加而增加;当水膜厚度较厚(16~24(A))时,摩擦力随相对速度的增加有小幅减小的趋势,并且水膜厚度越大,摩擦力减小的趋势越明显。
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