东南大学硕士学位论文纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟姓名：张玥申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：陈云飞20090507纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟研究生：张碉指导教师：陈云飞东南大学机械工程学院摘要随着微电子机械系统以及纳米机械的迅速发展，对于纳米尺度下机械零件的摩擦、润滑和磨损等特性的研究提出了迫切的要求。
本文对超薄膜润滑以及边界滑移问题的研究现状进行了概括。
讨论了分子动力学模拟方法的基本原理和详细步骤。
在此基础上，对两种模型的纳米轴承进行模拟，研究了薄膜的动压润滑效应以及液体的输运特性。
首先，模拟了传统纳米轴承模型，该模型是建立在动压效应的产生原理上，并从几何结构上实现其楔形收敛间隙。
模拟结果表明，纳米量级的薄膜流体会在靠近固体壁面的位置产生类固化。
轴承在较低滑动速度时，动压随着滑动速度线性增加，符合经典的雷诺方程。
纳米轴承中滑动速度存在一个临界值，当滑动速度超过该临界值时，经典雷诺方程就不再适用了。
在验证模型的基础上，模拟了新型纳米轴承的动压润滑。
与传统轴承的物理模型相区别的是，新型轴承实际上是两平行平板。
通过对模型采取特殊的结构设计，新模型可以通过直接控制表面材料的润湿性，达到控制液体流动速度的目的，从而实现动压润滑的效果。
模拟结果显示，新模型依靠其特殊的结构设计，成功实现了两平行平板之间的动压效应。
由于在固体壁面构建了亲水表面，引起局部的滑移长度不同，从而使液体流动速度曲线与传统轴承中趋势相同，最终轴承产生承载力。
在剪切速度较低时，动压随着转动速度线性增加，符合经典雷诺方程。
当剪切速度达到临界值时，滑移长度迅速增大并趋向于无穷大，从而最终导致轴承失效。
关键词：纳米轴承，分子动力学，滑移长度，动压润滑，粘度膜片联轴器/东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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研究生签名：缢霉导师签名：日期：油，·ｊ－，ｔＩ膜片联轴器/东南大学硕士学位文在纳米范围以内，因而，这些高精密表面间也会常处于纳米量级的薄膜润滑状态中。
（三）测试技术的突破为纳米摩擦学的研究提供了可靠的手段。
隧道显微镜，原子力显微镜，表面力测量仪，垫层光干涉法，相对光强法等一系列纳米量级测量仪器在摩擦方面的应用，才使纳米摩擦学的研究真正得以发展。
（四）现代润滑理论和分子动力学模拟计算的迅速发展，为深入开展纳米摩擦学的研究提供了有效的途径。
（五）其它纳米技术相关学科的迅速发展对纳米摩擦学的产生和发展起到了互促互进的作用。
例如：纳米材料学、纳米生物学、纳米机械等新技术的发展为纳米摩擦学的研究提供了广阔的基地。
而纳米摩擦学的发展也将进一步推动这些学科的进步。
总之，纳米摩擦学是摩擦学研究的一个重大拓展和深入。
它的出现不但为现代超精密机械与微型机械的设计、制造与运行提供技术基础，也对宏观摩擦学理论的深化有很大的促进作用，进而对机械工业水平的提高将产生重大影响。
所以纳米摩擦学的研究既有重要的理论意义，也有广泛的应用前景。
１．１．２纳米摩擦学的研究内容纳米摩擦学的主要研究内容包括为摩擦磨损机制及其控制，特别是纳米润滑薄膜等薄膜的制备、组织结构与应用等幢１。
当前，重点研究工作可以归纳为以下几个方面：（一）摩擦磨损特性与机理研究滑动磨损中界面分子层的粘着损伤与材料转移行为；微摩擦过程中的粘滑性质及其抑制研究；材料摩擦的各向异性行为与零摩擦目标的实现研究。
（二）纳米量级薄膜润滑状态研究．这种纳米量级的润滑薄膜性质不同于通常的粘性流体膜和吸附边界膜，它是一种特殊的润滑状态。
主要的研究内容包括分子自组装、可控的有序分子膜的成膜、结构以及润滑性能研究；纳米量级润滑膜的流变特性与表面效应、时间效应研究；薄膜润滑状态转化与失效关系等。
（三）薄膜材料摩擦学与表面分子工程研究表面薄膜材料的为摩擦磨损性能与应用研究，其中包括软膜材料和硬膜材料；表面分子工程即通过优化表面分子层结构以便控制摩擦磨损性能的研究。
（四）微机电系统中摩擦磨损的控制通常，摩擦学中的材料分为摩阻材料和摩擦副材料两类。
相对于要求具有高而稳定的摩擦系数的摩阻材料，摩擦副材料必须具有减磨和耐磨的性质，或者至少具备其中之一的性能。
特别是在微机械系统的设计中，对摩擦学研究提出了许多更为特殊的要求。
这些特殊要求主要有：（１）为机械设计对于摩擦特性的要求各不相同。
如果摩擦是运动的阻力，由于微机械的能源通常很小，因而应尽可能的降低摩擦力，减少摩擦耗能，甚至追求实现零摩擦或摩擦最小的目标。
另一方面，如果微机械是利用摩擦力作为牵引或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值，并且可以适时控制。
（２）最大限度的减低磨损是保证机械功能和寿命的关键。
比如，计算机中大容量高密度磁盘与磁头间隙小于５０ｈｍ，要求软磁盘每滑动ｌＯ，－－ｌＯＯｋｍ的磨损量小于一个原子层的厚度，同时希望硬磁盘的磨损率近乎为零。
２膜片联轴器/东南大学硕士学位文ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）。
此外还有专门研制的实验仪器，例如，表面力仪（ｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｃｅａｐｐａｒａｔｕｓ，ＳＦＡ），光干涉纳米薄膜测试仪，石英晶体微天平（ｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＱＣＭ），点接触显微镜（ｐｏｉｎｔｃｏｎｔａｃｔｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＰＣＭ）。
图１．１为原子力显微镜及其原理图示意图。
这些仪器使得我们能够观察表面形貌，测定表面原子结构；观测表面电子态和电荷密度波；以及研究表面物理化学变化的动态过程，借以揭示摩擦磨损、催化、腐蚀等表面现象的微观机理等。
实验技术对于摩擦学发展起着巨大的作用。
到了８０年代后期和９０年代初，实验技术有了突破性进展。
主要有以下几种：（一）表面力测萤仪该仪器所采用的测试方法是Ｉｓｒａｅｌａｃｈｖｉｌｉｔ４１于１９７３年提出来的，即将白光光源经一系列技术处理，让其穿过两个十字交叉的半薄壁筒形的云母片（它们之间有吸附膜），可得到等序色干涉条纹，即ＦＥＣＯ条纹。
该方法理论上分辩率可达到ｌ埃。
１９８８年，经进一步改进，使其测量精度和控制精度得到提高（可控制到以１埃为变步长的程度）。
从而可研究一些包括小分子在内的单分子吸附层的摩擦行为。
它的主要缺陷是采用云母作为摩擦副，滑动速度很低，这些与真实工况差异太大。
（二）垫层光干涉法该方法首先是采用一个垫层代替膜厚，使最小可测量膜厚得以降低。
１９８８年，Ｓｐｉｋｅｓ和Ｇａｏ［５】采用斜垫层的办法，使润滑膜的厚度可以测晕到１０ｎｍ以下。
但是，由于该方法分辨率比较低且斜垫层制作困难，故误差较大。
１９９１年，Ｊｏｈｎｓｔｏｎ等人【６１，采用斜垫层和光谱分析结合的办法，将最小可测厚度降到５ｒｉｍ以下。
该方法比ＦＥＣＯ条纹法有了较大的提高，它更加接近于实际工况，也具有较宽的速度范围。
但仍存在以下缺陷：（１）水平方向分辨率较低，无法用于Ｈｅｒｔｚ区内各点膜厚差异的测量。
（２）由于金属膜或钢球表面的光反射率、透射率以及折射系数等都随波长而变化。
所以，不对波形加以修正必然会产生较大误差。
（３）无法考虑钢球表面粗糙度引起的膜厚变化。
（三）光干涉相对光强原理清华大学摩擦学国家重点实验室提出了采用光干涉相对光强比拟的方法来测量点接触中心区润滑膜的厚度并于１９９２年研制出纳米级润滑膜厚度测仪‘７，８１。
它克服了垫层法的缺陷，水平和垂直方向较垫层法均有更高的分辨率。
使纳米级润滑膜测量达到了可应用于实际工况模拟的程度。
并用此仪器研究了纳米级薄膜润滑的构性关系和变化规律【９】。
（四）受抑全反射法受抑全反射法测量膜厚法在清华大学摩擦学实验室首次用于测量薄膜厚度，已达到了纳米级的分辨率，但其缺点是基准的选择困难，并且膜厚小于１５ｎｍ时，检测误差较大【１０１。
（五）隧道扫描电镜以及原子力显微镜隧道扫描电镜ＳＴＭ和原子力显微镜ＡＦＭ应用于纳米科学研究，它们不仅是原子分子世界的观测手段，而且可作为排布原子的手段。
它也作为计算机磁盘表匝涂层的研究仪器［１１，１２］。
１．２．２计算机模拟方法计算机模拟在研究摩擦、润滑、磨损过程起着重要作用，尤其在几何形态，滑移条件和原子间作用力４膜片联轴器/东南大学硕士学位文（二）纳米颗粒的特异性能能否得到充分发挥，取决于高活性纳米颗粒混入介质的技术及颗粒／介质问的界面性质。
决定这些性质的因素包括了纳米颗粒的润湿性、表面活性、分散性、电磁吸收、抗烧结程度、晶型控制手段等。
在同一本体上要实现如此众多的功能，必须针对不同的使用环境对纳米颗粒进行不同的表面处理。
（三）表面改性技术还有利于改善成核和生长过程及随后的热处理过程。
纳米颗粒的粒径大小及其分布范围对材料的性能有着重大的影响。
通过控制其成核、生长方式和速率就可有效地控制尺寸及其分散度，从而对不同的应用对象具有不同的应用性能。
１．３．２纳米颗粒表面改性的实现方法随着纳米颗粒材料制备技术的发展，新的纳米颗粒材料体系不断被开发出来，纳米颗粒材料在工业各领域的应用不断扩大，为此，纳米颗粒表面改性技术也随之获得发展。
目前，纳米颗粒表面改性技术方法很岁１４１。
按照改性原理笼统的划分，纳米颗粒表面改性方法可以分为两大类：（一）表面物理改性顾名思义，表面物理改性就是改性物质与纳米颗粒表面不发生化学反应，而是通过物理的相互作用（如范德华力、沉积包覆等）达到改变或改善纳米颗粒表面特性的目的。
目前，常用的纳米颗粒表面物理改性方法主要有以下两种方法：．（１）表面活性剂法：在范德华力作用下，将改性剂吸附在纳米颗粒的表面，达到纳米颗粒分散和稳定悬浮等目的。
（２）表面沉积包覆法：将一种物质（改性剂）沉积在纳米微颗粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包覆壳层来实现纳米颗粒表面改性的目的。
（－－）表面化学改性表面化学改性是通过改性剂与纳米颗粒表面之间发生化学反应而改变纳米颗粒表面的结构、化学成分及电化学特性等，达到表面改性的目的。
该修饰法是纳米粉体获得有效应用的重要措施，是纳米粉体材料研究与开发中的基础性课题。
由于纳米颗粒比表面积很大，表面键态，电子态不同于颗粒内部，表面原子配位不全导致悬挂键大量存在，使这些表面原子具有很高的反应活性，极不稳定，很容易与其它原子结合，这就为人们利用化学反应方法对纳米颗粒表面改性提供了有利条件。
