界面摩擦过程非连续能量耗散机理研究

结合无磨损界面摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型,运用量子理论建立了微观能量耗散的量子力学模型.分析表明：在滑动过程中,当界面原子从一种平衡态跳跃至另一种平衡态时,摩擦功以离散形式耗散为界面原子热振子,且界面吸收能量的能力是离散的;高能态界面较低能态界面吸收能量的能力强,表现为易于吸收界面势能.界面原子吸收和释放能量的离散性在宏观上表现为摩擦功耗散的非连续性,为从微观角度解释无磨损界面摩擦状态周期性变化提供了理论基础. 关键词： 摩擦 非连续能量耗散 复合振子模型     

基于非连续能量耗散的滑动摩擦系数计算模型

分析了界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化条件下晶体材料界面摩擦滑动摩擦系数计算模型.结果表明:在弹性接触状态下,滑动摩擦系数与载荷及实际接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷增加而减小.在缓慢滑动时,滑动摩擦系数随滑动速度的增高而缓慢增大,相对滑动速度愈高,滑动摩擦系数增大趋势愈显著.滑动摩擦系数随晶格常数的增加而降低,而当晶格常数较大时,其变化对滑动摩擦系数影响较小.同时,滑动摩擦系数随原子的可能温升增加而增大.研究结论对工程应用及相关的理论研究具有一定的参考意义. 关键词： 滑动摩擦系数 非连续能量耗散 界面摩擦     

热激发效应对界面摩擦的影响

论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.     

摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型研究

提出无磨损界面摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型，指出滑动摩擦过程同时存在整体做低频弹性振动的宏观振子和界面原子受激励产生热振动的微观振子，并在此基础上分析了宏观振子和微观振子对摩擦能量耗散的不同影响. 通过对界面原子的动力学分析，指出摩擦过程界面激励力的频率是能量转换的关键:在平衡力作用阶段，界面作用力的频率趋于零，因而可以直接作用到每个原子，力的作用效果是整体和均匀的；在失稳跳跃阶段,由于界面激励力的频率极高，造成摩擦界面原子获得的能量分布很不均匀，从而产生不可逆的能量耗散过程. 与目前通用的独立振子模型比较，复合振子模型能够更准确描述摩擦能量耗散过程，可为摩擦控制提供理论指导. 关键词： 摩擦 能量耗散机理 复合振子模型 独立振子模型     

声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程

根据爱因斯坦的狭义相对论中质能的等效关系，把固体(本文指非导体)晶格(原子)的质量分为晶格(原子)的静质量和晶格热振动能量的等效质量两个部分，后者就是固体中声子气的等效质量.晶格(原子)热振动的能量则分为晶格(原子)静质量具有的热能以及声子气质量具有的热能.基于固体的状态方程，导得了晶格静质量热振动的状态方程和声子气的状态方程.声子气在固体介质中的宏观运动就是热量在固体中的传递过程.建立了声子气运动的守恒方程组，分析表明，忽略惯性力时声子气的动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律，阐明了傅里叶导热定律的物理本质是声子气驱动力与阻力的平衡方程.当热流密度很大惯性力不能忽略时，傅里叶导热定律不再适用. 关键词： 非傅里叶导热 声子气 声子气质量 状态方程 守恒方程     

基于第一性原理分子动力学的填充方钴矿热输运性质及微观过程的研究

对于重要热电材料之一的填充方钴矿材料,其低热导率的成因存在两种观点:1)填充原子的局域振动引起共振散射降低热导率;2)填充原子的引入加强了三声子倒逆过程来降低热导率.本文采用含有限温度效应的第一性原理分子动力学方法模拟了YbFe_4Sb_(12)的动力学过程,并通过温度相关有效势场方法得到了充分包含非线性作用的等效非谐力常数,研究了微扰近似下的声子输运性质.结果显示,在填充原子振动全部参与三声子倒逆散射过程的近似下,相比于纯方钴矿体系,声子寿命大幅地降低,填充原子的振动是热阻的重要来源.但即便如此,理论计算结果与实验的晶格热导率之间仍存在明显偏离.不同填充原子振动之间的较弱关联性质也揭示其明显偏离经典的声子图像,表现为一种强烈的局域特征振动模式,并以此散射其他晶格声子,因而对热阻的贡献也超出了传统三声子的理论框架.通过将填充原子Yb振动模式的寿命进行共振散射形式的修正,可以使晶格热导率与实验结果符合较好.以上结果表明,YbFe_4Sb_(12)的低晶格热导率是由声子间相互作用以及具有局域振动特征的共振散射两方面因素导致.     

界面羟基对碳纳米管摩擦行为和能量耗散的影响

本文采用分子动力学模拟研究了羟基对碳纳米管摩擦和能量耗散方式的影响.研究结果表明:由于界面间氢键的形成,碳纳米管所受的平均摩擦力明显增大;随着羟基比例的改变,界面间氢键的数量与摩擦力的变化趋势一致;碳纳米管的手性角对摩擦力有一定的影响,扶手椅型碳纳米管所受的摩擦力比其他类型的碳纳米管的大;直径对摩擦力的影响较大,直径越大界面间的摩擦力越大,其原因是大直径的碳纳米管底部变平导致界面接触面积增大;界面接枝羟基后,体系的声子态密度中出现羟基的振动峰;随羟基比例的增加,羟基的振动在能量耗散中起到更为重要的作用,当碳纳米管和硅基底的羟基比例为10%/20%时,体系能量耗散的主要途径由碳纳米管和硅基底的振动转变为羟基的振动.     

基于耦合振子模型的摩擦力计算研究

以界面摩擦为研究对象,探讨了基于耦合振子模型(coupled-oscillator model)的滑动摩擦微观机理,分析了滑动过程中的能量耗散问题. 采用Maugis-Dugdal接触模型替代界面摩擦中的Lennard-Jones势能,并将该模型融入耦合振子模型之中,通过计算振子在一个周期内的能量增加值,推导出了界面摩擦力的理论计算公式. 理论分析表明,对于探针-试样接触系统,滑动摩擦力近似随着法向载荷的2/3次方增加,这与纳米摩擦学经典理论是相符的.理论计算结果与超高真空原子力显微镜镀铜探针在Cu(111)晶面扫描实验结果符合良好,表明本文提出的理论和方法可行. 关键词： 耦合振子模型 界面摩擦 摩擦力 法向载荷     

基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

非晶态的声子谱

声子是与固体中原子的热振动相联系的一种量子,也称声量子.非晶固态材料(例如各种非品半导体、金属玻璃合金和无序合金)以及含有杂质、空位和缺陷的晶体的许多特性都与声子有密切联系. 一、热振动与声子谱 固体中的原子在它平衡位置附近一刻不停地振动,这就是原子的热振动.原子     

计入固液界面作用的润滑热力学模型与分析

摩擦与润滑过程是典型的能量耗散过程, 在机理上与非平衡热力学中的熵增、耗散结构等理论颇有相似之处. 通过热力学分析可以对一些典型的摩擦磨损过程做出合理的机理揭示与推测. 本文利用热力学理论对典型的润滑过程进行了建模分析. 采用分离压模型表征和计入了微尺度下的固液界面作用, 揭示分析了润滑热力学模型与润滑状态Stribeck曲线的联系. 从分析计算结果来看, 润滑Stribeck曲线的摩擦系数最低点与系统热力学上的熵增率最低点具有相当好的对应关系, 而润滑状态从弹流润滑向薄膜润滑的转变过程, 可以用耗散结构理论加以机理解释. 文中的热力学模型和方法能够有效地体现出润滑过程中多物理要素跨尺度非线性耦合的作用, 对实际工程与实验有着重要的指导作用.     

准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析

颗粒体系是典型的多体相互作用体系, 具有多重的能量亚稳态. 对于准静态颗粒体系, 引入构型颗粒温度T_c描述弹性势能涨落. 本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度T_a, 其量值反映了其结构特征. 当外界扰动激发的构型颗粒温度超出T_a时, 产生不可逆过程. 通过对应力松弛过程的分析, 发现(T_c-T_a)激发了弹性弛豫, 且(T_c-T_a)越大则松弛过程中应力变化越大, 最终构型颗粒温度T_c→T_a时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.     

Molecular origin of friction

The wearless friction originating from molecular interactions has been discussed in this paper. We find that the frictional properties are closely related to the structural match of two surfaces in relative motion. For the surfaces with incommensurate structure and week inter-surface interaction, zero static and kinetic friction can be achieved. In a sliding considered as in a quasi-static state, the energy dissipation initiates when interfacial particles move in a discontinuous fashion, which gives rise to a finite kinetic friction. The state of superlubricity is a result of computer simulations, but the prediction will encourage people to look for a technical approach to realizing the state of super low friction.     

Molecular origin of friction

The wearless friction originating from molecular interactions has been discussed in this paper. We find that the frictional properties are closely related to the structural match of two surfaces in relative motion. For the surfaces with incommensurate structure and week inter-surface interaction, zero static and kinetic friction can be achieved. In a sliding considered as in a quasi-static state, the energy dissipation initiates when interfacial particles move in a discontinuous fashion, which gives rise to a finite kinetic friction. The state of superlubricity is a result of computer simulations, but the prediction will encourage people to look for a technical approach to realizing the state of super low friction.

     

Contact mechanics analysis of oscillatory sliding of a rigid fractal surface against an elastic–plastic half-space

Oscillatory sliding contact between a rigid rough surface and an elastic–plastic half-space is examined in the context of numerical simulations. Stick-slip at asperity contacts is included in the analysis in the form of a modified Mindlin theory. Two friction force components are considered – adhesion (depending on the real area of contact, shear strength and interfacial adhesive strength) and plowing (accounting for the deformation resistance of the plastically deformed half-space). Multi-scale surface roughness is described by fractal geometry, whereas the interfacial adhesive strength is represented by a floating parameter that varies between zero (adhesionless surfaces) and one (perfectly adhered surfaces). The effects of surface roughness, apparent contact pressure, oscillation amplitude, elastic–plastic properties of the half-space and interfacial adhesion on contact deformation are interpreted in the light of numerical results of the energy dissipation, maximum tangential (friction) force and slip index. A non-monotonic trend of the energy dissipation and maximum tangential force is observed with increasing surface roughness, which is explained in terms of the evolution of the elastic and plastic fractions of truncated asperity contact areas. The decrease of energy dissipation with increasing apparent contact pressure is attributed to the increase of the elastic contact area fraction and the decrease of the slip index. For a half-space with fixed yield strength, a lower elastic modulus produces a higher tangential force, whereas a higher elastic modulus yields a higher slip index. These two competing effects lead to a non-monotonic dependence of the energy dissipation on the elastic modulus-to-yield strength ratio of the half-space. The effect of interfacial adhesion on the oscillatory contact behaviour is more pronounced for smoother surfaces because the majority of asperity contacts deform elastically and adhesion is the dominant friction mechanism. For rough surfaces, higher interfacial adhesion yields less energy dissipation because more asperity contacts exhibit partial slip.     

Stick-slip friction and energy dissipation in boundary lubrication

Shearing of a simple nonpolar film, right after the liquid-to-solid phase transition under nanometer confinement, is studied by using a liquid-vapor molecular dynamics simulation method. We find that, in contrast with the shear melting and recrystallization behavior of the solidlike phase during the stick-slip motion, interlayer slips within the film and wall slips at the wall-film interface are often observed. The ordered solidified film is well maintained during the slip. Through the time variations of the frictional force and potential energy change within the film, we find that both the friction dissipation during the slip and the potential energy decay after the slip in the solidified film take a fairly large portion of the total energy dissipation.