微重力环境下硅基纳米器件碰撞滑动接触问题研究

随着纳米技术的发展,微机电系统被广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器. 单晶硅广泛应用于微机电系统,考虑微重力环境空间机构无规则碰撞的运动特性,建立刚性金刚石压头与弹性硅基体之间碰撞滑动接触的分子动力学模型,对比研究压头不同振动频率和振幅对平均摩擦力的影响. 结果表明:压头振动频率低于基体固有频率时,平均摩擦力无明显变化,而高于固有频率时,平均摩擦力随振动频率增大呈现先减小后不变的趋势;振幅的增大导致压头和基体的碰撞更加剧烈,剧烈的碰撞导致基体表面更多原子晶格结构破坏,失效原子数增多,降低了平均摩擦力;在基体表面引入纹理,发现纹理表面能够有效降低平均摩擦力.      

基于分子动力学的石墨烯涂层铜基体摩擦性能研究

石墨烯作为一种新型润滑添加物,在降低金属的摩擦损耗方面有广泛的应用前景。本文利用分子动力学方法建立单晶铜(Cu)和石墨烯/铜(Gr/Cu)模型,用以研究石墨烯(Gr)涂层对于Cu摩擦性能的影响,揭示其润滑机理。结果表明:由于Gr的加入,Cu的摩擦系数在不同压深下降低了64.4%～72.9%。研究发现,摩擦力的大小与压头压入基体的深度密切相关,而与是否具有Gr涂层关系较小。Gr涂层对于Cu摩擦性能提升的根本原因在于增强了基体表面对于法向力的耐受性而非直接降低摩擦力,这使Gr/Cu形成了较小的摩擦系数,表现出优异的摩擦性能。此外,Gr涂层可以有效改善Cu摩擦后的表面形态,与Cu表面受摩擦后大量的原子堆积和明显的刻划痕迹相比,Gr/Cu基体表面更加平滑。但是在相同的压深下,由于Gr/Cu压头下方聚集的应变能无法像Cu晶体一样通过位错向表面运动而释放,导致其内部出现了较大的原子缺陷区域。     

颤振环境MoS2/Ag薄膜碰撞滑动接触摩擦性能研究

基于空间机构的运动特性,考虑空间颤振环境的影响,采用粗粒化分子动力学研究MoS₂/Ag薄膜的碰撞滑动接触摩擦性能,建立颤振环境碰撞滑动接触摩擦的粗粒化分子动力学模型,对比了纯Ag和MoS₂/Ag薄膜的摩擦性能,研究了初始碰撞速度、滑动速度以及空间温度对碰撞滑动接触摩擦过程的影响. 结果表明:与纯Ag相比,MoS₂/Ag薄膜表现出更优异的摩擦性能;压头碰撞速度对动能有一定的贡献,初始碰撞速度的增加会增大压头压入基体的深度,使得平均摩擦力增大;滑动速度的增加会加剧原子间的相互剪切摩擦,使平均摩擦力增加;MoS₂/Ag薄膜在100~500 K温度范围内表现出良好的摩擦性能,当空间温度为600 K时,其摩擦性能降低,并伴随着MoS₂膜的破裂.      

试样倾斜和正压力对球形压头微米划痕测试紫铜的影响

采用球形压头对紫铜进行微米划痕试验,研究了不同恒定正压力下试样倾斜对划痕测试紫铜的影响. 结果表明:试验测得的名义摩擦系数与试样倾斜角度线性相关,且斜率不受正压力的影响. 建立了球形压头与试样倾斜状态的位置关系模型,发现试样倾斜对名义摩擦系数中的黏着组分无影响,而犁耕组分随倾斜角度线性变化. 试样倾斜时的摩擦系数可通过球-面接触力学模型进行校正,获得试样无倾斜时的摩擦系数. 摩擦系数与正压力之间呈非线性关系,其中犁耕组分线性增大,黏着组分非线性增大并趋于稳定. 通过划痕形貌测量的残余划痕宽度几乎不受试样倾斜的影响,但与正压力的0.5次方存在线性关系. 分析了划痕硬度随正压力的变化,发现由残余划痕宽度计算得到的划痕硬度几乎为恒定值,不受正压力影响,而由接触投影面积计算得到的划痕硬度随正压力增大而增大,随后趋于稳定.      

恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析

采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.      

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

不同尖锐度纹理形状的摩擦触觉感知与表征研究

通过开展触觉感知不同尖锐度纹理形状的接触摩擦特性、主观认知行为和功能核磁共振试验,从皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”全面系统地对不同纹理形状的摩擦触觉感知进行了量化表征研究. 研究表明:接触摩擦力、主观评价、激活脑区面积和强度是表征摩擦触觉感知的有效参数. 触摸不同纹理表面的摩擦力中黏着摩擦力比形变摩擦力占比大,触摸平角纹理的摩擦力最大,尖角纹理的摩擦力最小. 黏着感主要受接触面积和黏着摩擦力的影响;尖锐感主要受触觉感受体所受应力和形变摩擦的影响;而舒适感受到表面摩擦机制和触觉感受体所受应力综合影响. 触觉感知纹理形状激发的大脑功能区以躯体感觉皮层为主,激活脑区主要位于中央前回和后回. 触摸过程的舒适感与激活脑区大小和强度成反比,舒适感差的纹理激发的脑区范围和强度大,且存在负激活现象.      

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压入深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.     

刚性圆形压头作用下热电材料半平面的无摩擦接触问题

热电材料可以将热能转化为电能,反之亦然,这一优良的性质将有助于研发更具成本效益的设备和器件。本文研究了刚性圆形压头作用在热电材料半平面的无摩擦接触问题。假定压头为电导体、热导体,且压头压入深度及与材料的接触区域宽度未知。首先求解电场和温度场,利用傅里叶变换得到了电势函数、温度、电流密度和能量通量的解析表达式。然后求解弹性场,利用积分变换和边界条件,将该热弹性接触问题转化为第一类奇异积分方程并数值求解。数值结果讨论了压头半径和热电载荷对法向接触应力、电流强度因子和能量通量强度因子的影响。结果表明,对于圆压头,热电材料的法向电流密度、法向能量通量在接触边缘表现出奇异性,而表面法向接触应力在接触边缘为零。本文建立的研究模型有助于更深层次的了解热电材料的接触行为。     

基于分子动力学方法的多层石墨烯超滑失效机理分析

本文作者采用混合势函数(Lennard-Jones势和REBO势),基于Verlet算法动态模拟了金刚石探针(100)与多层石墨烯间的压入和滑动摩擦过程,分析了不同压深下多层石墨烯的摩擦力及平均摩擦系数变化的特点,统计了不同压深下的层间键合作用、层内断键数量以及实际原子接触面积,阐述了多层石墨烯超滑失效的机理.结果表明:压深对多层石墨烯间的超滑失效有着重要影响,探针压深增加导致的摩擦力振幅上升与悬空石墨烯压缩应变增加产生的影响非常相似;6.1(A)是石墨烯超滑失效的临界压入深度值,压深小于6.1(A)时,石墨烯有着明显的超滑特性,且摩擦力变化周期不受压深的影响,并等于石墨烯晶格常数;压深大于6.1(A)后,摩擦力变化完全失去周期性,探针在滑动中需要克服的势垒急剧上升,摩擦力显著增大,超滑明显失效.当压深为6.1(A)时,石墨烯层间开始出现键合作用,层内也出现断键现象,且随压深的增加越加剧烈,层内的断键和层间键的形成是引起石墨烯超滑失效和摩擦力突变的主要原因,而实际原子接触面积与此突变的相关性很小.     

The capillary force in micro- and nano-indentation with different indenter shapes

The influence of the indenter shapes and various parameters on the magnitude of the capillary force is studied on the basis of models describing the wet adhesion of indenters and substrates joined by liquid bridges. In the former, we consider several shapes, such as conical, spherical and truncated conical one with a spherical end. In the latter, the effects of the contact angle, the radius of the wetting circle, the volume of the liquid bridge, the environmental humidity, the gap between the indenter and the substrate, the conical angle, the radius of the spherical indenter, the opening angle of the spherical end in the truncated conical indenter are included. The meniscus of the bridge is described using a circular approximation, which is reasonable under some conditions. Different dependences of the capillary force on the indenter shapes and the geometric parameters are observed. The results can be applicable to the micro- and nano-indentation experiments. It shows that the measured hardness is underestimated due to the effect of the capillary force.     

Mechanics of adhesive contact at the nanoscale: The effect of surface stress

At small length scales, the adhesion and surface effect are of great significance, both of which play important roles in the contact between two elastic solids. In this study, the classical Johnson–Kendall–Roberts (JKR) adhesive contact theory is generalized to the nanoscale at which the surface effect is considered. The influence of the surface stress on the JKR adhesive contact is investigated by employing the non-classical Boussinesq fundamental solutions. It is found that, compared with the classical theory, the pull-off force increases while the critical contact radius decreases as a result of the surface effect. Numerical results show that a relative error of 10% can be introduced in the pull-off force when the indenter radius is less than 20 nm. A detailed theoretical analysis of this interesting phenomenon is presented based on dimensional analysis, and two scaling laws for the adhesive contact at the nanoscale are constructed. These two new scaling laws reveal that the pull-off force is relevant to the elastic properties of the bulk materials, which is different from the classical adhesive contact theory. The present work is promising for the engineering applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS) and nano-intelligent devices.     

ADHESIVE CONTACT PROBLEM OF AXISYMMETRIC MINIATURE CIRCULAR PLATES WITH CENTRAL RIGID BUMP

Considering the adhesive effect and geometric nonlinearity, the adhesive contactbetween an elastic substrate and a clamped miniature circular plate with two different centralrigid bumps under the action of uniform transverse pressure and in-plane tensile force in theradial direction was analyzed. And an analytical solution is presented by using the perturbationmethod. The relation of surface adhesive energies with critical load to detach the contacted surfacesis obtained. In the numerical results, the effects of adhesive energy, in-plane tensile force, rigidbump size and contact radius on the critical load are discussed, and the relation of critical contactradius with the gap between the central rigid bump and the substrate for different adhesive energiesis investigated.     

不同法向载荷下TiN涂层磨损寿命与失效机理研究

采用阴极弧等离子沉积技术在高速钢(HSS)和硬质合金钢(WC-Co)基体上制备TiN涂层,利用往复摩擦磨损试验机、轮廓仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析了不同法向载荷下TiN涂层的摩擦磨损特性和失效过程,建立了涂层磨损寿命图. 研究结果表明:TiN涂层/HSS试样摩擦系数随循环次数增加呈上升趋势;TiN涂层/WC-Co试样在30 N法向载荷下的摩擦系数随循环次数呈上升趋势,在60~120 N法向载荷下摩擦系数波动较大. 涂层试样的磨损深度随法向载荷与循环次数的增加而增加. TiN涂层/HSS试样在30 N法向载荷的主要失效形式是磨粒磨损、轻微黏着磨损和氧化磨损,在60~120 N法向载荷的主要失效形式是涂层断裂、磨粒磨损和剥层磨损. TiN涂层/WC-Co试样在30~50 N法向载荷下的主要失效形式是磨粒磨损,在60~120 N法向载荷下的主要失效形式是严重剥层. TiN涂层的磨损寿命图可以分为两部分:涂层工作区和涂层失效区. 接触应力越大,涂层磨损寿命越短. 基体材料抵抗变形的能力越强,涂层磨损寿命越长. TiN涂层/HSS基体具有良好的抵抗法向载荷的能力和较长的磨损寿命.      

Mechanics of indentation for piezoelectric thin films on elastic substrate

Frictionless normal indentation problem of rigid flat-ended cylindrical, conical and spherical indenters on piezoelectric film, which is either in frictionless contact with or perfectly bonded to an elastic half-space (substrate), is investigated. Both conducting and insulating indenters are considered. With Hankel transform, the general solutions of the homogeneous governing equations for the piezoelectric layer and the elastic half-space are presented. Using the boundary conditions for a vertical point force or a point electric charge, and the boundary conditions on the film/substrate interface, the Green’s functions can be obtained by solving sets of simultaneous linear algebraic equations. The solution of the indentation problem is obtained by integrating these Green’s functions over the contact area with unknown surface tractions or electric charge distribution, which will be determined from the boundary conditions on the contact surface between the indenter and the film. The solution is expressed in terms of dual integral equations that are converted to a Fredholm integral equation of the second kind and solved numerically. Numerical examples are also presented. The comparison between two film/substrate bonding conditions is made. It shows that the indentation rigidity of the film/substrate system is lower when the film is in frictionless contact with the substrate. The effects of the Young’s modulus and Poisson’s ratio of the elastic substrate, indenter electrical condition and indenter prescribed electric potential on the indentation responses are presented.     

仿生柔性表面的结构设计及吸附力试验分析

模仿昆虫脚上光滑型吸附垫表面的结构设计,选用具有黏弹性的硅胶板,分别测试了光滑、带凹槽、带凹坑试样在干的和湿的玻璃表面上的水平摩擦力和垂直吸附力.结构表明在干玻璃表面非光滑结构的接触面积比光滑的要小,具有减粘降阻的作用;而在有一层厚液体膜作媒介时,摩擦力比光滑的要大.有液体时,水平摩擦力是凹槽型的最大,垂直吸附力是凹坑型的最大.有一薄层液体时的湿吸附能力比干吸附大,且液体粘性越大吸附能力越强.这些研究为仿生爬壁机器人的足掌设计提供了有价值的参考.