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《清华大学》 2010年
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纳米尺度接触和摩擦的分子动力学及多尺度模拟研究

朱朋哲  
【摘要】:随着纳米技术的不断发展,纳米器件的应用日趋广泛。由于器件的尺度减小、比表面积增大使得表面力和表面效应成为影响纳米器件工作性能和使用寿命的主导因素。因此,深入研究纳米尺度的接触特性和摩擦规律对于提高纳米器件的工作性能、延长纳米器件的使用寿命具有极其重要的意义。本文通过模拟原子力显微镜实验中的探针-基体系统研究了纳米尺度单个粗糙峰的接触和摩擦磨损规律。 本文首先采用分子动力学方法研究了空洞缺陷对镍薄膜纳米压痕过程的影响。 为揭示纳米尺度的摩擦磨损机制,本文采用分子动力学方法研究了金刚石探针在单晶铜表面的纳米刻划过程,讨论了各种参数如探针几何形状、刻划深度、刻划速度和温度对纳米刻划过程的影响。本文还用分子动力学方法定量区分出了纳米刻划过程中摩擦的犁沟分量和粘着分量,并分析了切屑对摩擦的贡献。 为揭示纳米尺度粘滑现象的发生机制,本文采用分子动力学模拟研究了探针和基体不公度接触时的无磨损滑动过程。结果表明,金刚石探针在银基体表面无磨损滑动时出现的明显的粘滑现象是由于接触区域发生了不公度构型向公度构型的转变。同时粘滑过程是一个弹性变形能累积和释放的过程。 最后,本文采用耦合分子动力学和有限元的二维多尺度模型研究了纳米压痕过程。将二维多尺度方法扩展到三维情形,实现了三维纳米压痕和刻划过程的多尺度模拟,说明多尺度方法可有效的扩展所能研究的系统尺寸。使用纳米硬度测量仪进行了铜薄膜的纳米压痕实验,用原子力显微镜观察到压痕周围有明显的凸起现象,这与我们多尺度模拟的结果一致。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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