納觀表面粘著接觸的分子動力學模擬.pdf

1、微/納機電系統(tǒng)(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems，MEMS/NEMS)是人們在微/納觀領(lǐng)域認識與改造世界的一項高新技術(shù)。當構(gòu)件尺寸減小時，與面積成比例的表面粘著力等的作用成為主要作用力。在多數(shù)情況下表面粘著力是阻力，而在另一些情況下是驅(qū)動力。微/納觀表面粘著接觸行為以及表面形貌對粘著接觸特性影響的研究對微/納機械設(shè)計與運用具有重要意義。 本文通過分子動力學(Molecular Dyna

2、mics)方法，采用Lennard-Jones勢研究了不同半徑的剛性光滑表面圓柱體壓頭與彈性基體的接觸過程，探討了Hertz理論解的局限性，分析了粘著接觸特性隨壓頭尺寸的變化關(guān)系。 模擬表明，若不考慮表面粘著，當壓頭尺寸增大時，其接觸半帶寬及接觸壓力分布與Hertz解有更好的吻合。但模擬結(jié)果與Hertz解有一定出入，這說明在納米尺度下，Hertz解的局限性：若考慮表面粘著，隨著壓頭尺寸的增大，粘著滯后現(xiàn)象越明顯。載荷-半帶寬關(guān)

3、系曲線與Barquins給出的理論解很相似。高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在接觸區(qū)域兩邊，且當壓頭半徑減小時，von Mises應(yīng)力隨著壓入深度的增大而迅速增大，說明粘著力對小尺寸壓頭的接觸過程影響較大。 采用鑲嵌原子法(Embedded-Atom Method，EAM)研究了剛性圓柱體壓頭及平面壓頭在不同表面形貌影響下的納觀粘著接觸過程，初步探討了表面形貌對粘著特性的作用與影響。 對不同表面形貌圓柱體壓頭與彈性基體粘著接觸模擬表明，

4、光滑表面壓頭與基體接觸產(chǎn)生了很大的接觸載荷；粗糙表面壓頭有著使基體表面原子發(fā)生遷移的表面能與間隙，使其位移．載荷曲線有明顯變化，表現(xiàn)出較大的載荷突變，且壓力值很小，而卸載時的最大粘著力與光滑表面壓頭基本一致。 在帶有“齒”型表面平面壓頭與彈性平面粘著接觸模擬中，壓頭Ⅰ比壓頭Ⅱ的“齒”小。模擬表明，壓頭Ⅰ比壓頭Ⅱ?qū)w原子有著更強烈的撕裂作用，使得接觸分離時的最大粘著力前者為后者的兩倍，且壓頭Ⅱ、Ⅱ吸附原子個數(shù)分別為19，4。這說