（机械设计及理论专业论文）水及其溶液摩擦的分子动力学模拟.pdf

撬要 水及其溶液摩擦的分子动力学模拟 摘要 姓名王家竣 指导老师林晓辉副教授陈云飞教授 随着微纳米电子机械系统( n a n o m i c r o - e l e c t r oa n d m e c h a n i c a ls y s t e m s ，n i v i e m s ) 的发展及其在l ：业 上的j “泛麻川，研究物质在纳米尺度f 的特性显得日益迫切和重要。近十年来，国内外学者针对m e m s 系统的序撩学问题，开展了相对广泛的研究乖探索，研究工作主要集中在m e m s 系统微接触表面间摩擦、 磨损及韦占着行为，纳米尺度上表面改性和分子超薄膜润滑等方面。物质在纳米尺度下的物理性质及其对 环境变化的响应会有很人的变化。在纳米尺度一f ，尺寸效应。表面效应对力学行为产生本质的影响，导致 纳米力学性能与宏观结构有着根本的著别，因此微型机械构件的力学特性、摩擦行为会在更人程度上受 剑物质所处的环境、表面力等各种因素的影响，其中物质的摩擦及润滑行为是非常重要的一个方面。 本文阐述了纳米电子机械系统和微纳米摩擦学研究的进程后，介绍了分子动力学( m o l e c u l a r d y n a m i c s ，m d ) 模拟的基本原理并讨论了分子动力学模拟方法的详细步骤，对各种分子动力学方法的分 类和运州场合进行了说明。 在此基础上对体态水进行了模拟，通过径向分布函数、密度等参数的模拟值与实验值的比较，证明 了我们模拟程序的正确性，为后面进行双电层怼纳米流体润滑与摩擦影响的模拟奠定了基础。 采h 分子动力学方法对带电和不带电两硅板之间的水分子润滑薄膜进行模拟研究，通过加烈电层的 水分子薄膜润滑与朱加烈电层薄膜润滑脖擦属性的对比，发现摩擦系数在存在双电层的情况f 比朱加域 电层时要小两板相对滑动速度对摩擦系数的影响与术加叔电层时相似。相对滑动速度越人，摩擦系数 在一定的速度范嗣内平稳增人。当速度人丁某个数值时，摩擦系数增人变快。两板之间水分子以及离子 密度或数日分布在靠近擘面的地方较人，中间密度相对较小。 最后介绍了纳米轴承润滑的分子动力学模拟，并给出了一些模拟结果。 关键词： 纳米尺度：分子动力学：润滑薄膜；脖撩系数；烈电层 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no ff r i c t i o na n dl u b r i c a t i o no fw a t e r a n d p o l y m e r w a n g j i a j u ns u p e r v i s e db yl i n x i a o h u ia n dc h e ny u n f e i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r oa n dm e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) a n dt h ee n l e 唱e n c yo f n a n o - e l e c t r oa n dm e c h a n i c a ls y s t e m s ( n e m s ) ，i ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta n du r g e n tt oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l si nt h en a n o s g a l e i nt h er e c e n tt e ny e a r s ，s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dh a v ed o n ea r e l a t i v e l yb r o a dr e s e a r c ho nt h ep r o b l e mo f f r i c t i o ni nm e m s ，w h i c hm a i n l yf o c u so n t h eb e h a v i o r so f f r i c t i o n ， w e a ra n ds t i c k - s l i p0 1 1t h ec o n t a c ts u r f a c eo fm e m s m o l e c u l a ru l t r a - t h i nf i l ml u b r i c a t i o na n ds u r f a c e i m p r o v e m e n ti nn a n o c a l e t h e r ew i l lb eg r e a td i f f e r e n c e sb e t w e e nn o r m a ls c a l ei np h y s i c a lc h a r a c t e r sa n d r e s p o n s et ot h ee v i r o m e n t i nn a n o s c a l e d i m e n s i o nf a c t o r , s u r f a c ef a c t o ra n d $ o m e o t h e r sw i nd oag r e a te f f e c t t ot h ec h a r a c t e r so ft h em a t e r i a l s w h i c hc a u s eag r e a td i f i e r e n e eb e t w e e nm a c r oa n dm i c r oc h a r a c t e r s t h e r e f o r e ，t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r sa n db e h a v i o r so ff r i c t i o nm a i n l yd e p e n do i lt h ef a c t o r so ft h ee n v i r o n m e n t a n ds u r f a c ef o r c ea c t e do nt h em a t t e r , i nw h i c ht h ec h a r a c t e r so f f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o na r ev e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e re l u c i d a t e st h ep r o c e s so f r e s e a r c h e so i lt h em a t e r i a lm i c r o m a t i o na n dn a n o t r i b o l o g y , t h et h e o r y o fm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ( m d ) ；d i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r y , d e t a i l e ds t e p so fm o l e c u l a rd y n a m i c s s i n m k 匝o n a n dt h ec l a s s i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s b a s e do nt h a t , b u l kw a t e ri ss i m u l a t e da n db yc o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u l t so fr a d i c a ld i s t r i b u t i o n f u n c t i o na n dd e n s i t yo fw a t e rw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ev a l i d i t yo fo u rp r o g r a mh a sb e e np r o v e d n l i s l a y s a f o u n d a t i o n f o r t h es i m u l a t i o n o f l a t e x w o r k m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e dt od ot h et e s to ft h en a n o s c a l ef r i c t i o np r o p e r t i e s f o rs o l u t i o nc o n f i n e di nc h a r g e da n du n c h a r g e dw a l l s b yc o n t a a s t i n gt h ef r i c t i o np r o p e r t i e so ft h ew a t e r l u b r i c a t i o nf i l mc o n f i n e di nt w os iw a l l sw i t ht h a ti nt h ew a l lh a v i n ge l e c t r i cd o u b l el a y e r ，i ti se a s i l yg o tt h a t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sg e n e r a l l yl a r g e rt h a nt h a tw i t he l e c t r i cd o u b l el a y e r , a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft h er e l a t i v em o t i o nv e l o e i t yb e t w e e nt w ow a l l sh a v i n ge l e c t r i cd o u b l el a y e ri ss i m i l a r , t h el a r g e r t h ev e l o c i t yi s ，t h el a r g e rt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sw h e nt h ev e l o e i t yi si nr e a s o n a b l es c o p e b u tt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ti n c r e a s el a r g e l yw h e nt h ev e l o c i t yi sb e y o n ds o m ev a l u e t h ed e n s i t yo rt h en u m b e ro ft h ew a t e r m o l e c u l e sa n di o n si sl a r g en e a rt h ew a l ia n ds m a l li nt h em i d d l ea r e ao f t h en a n o s c a l ef i l mo f w a t e r a tl a s t , t h em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fn a n o s c a l eb e a r i n gl u b r i c a t i o na n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t s a r eg i v e n k e yw o r d s ：n a n o s c a l e ，m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，l u b r i c a t i o nf i l m ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，e l e c t r i cd o u b l e l a y e r i i 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耿得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：l 錾生奘导师签麟日期夕肚 第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 纳米科学技术( n a n o s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , n a n o s t ) 是面向2 1 世纪的新科技。它是从o 1 1 0 0 n m 尺度上研究原子、分子现象。揭示多学科交叉技术。目前纳米科学技术主要研究领域有：纳米机械学、 纳米生物学、纳米电子学、纳米化学，纳米材料学、纳米摩擦学。纳米摩擦学( n o 订i b o l o g y ) 是纳米 机械学的一个重要分支，它是在原子、分子尺度上研究摩擦、磨损和润滑的行为年机理 1 1 1 微型化迸程和趋势 目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车，石油、钢铁为代表的传统j 二业成为第一人 产业，成为改造和拉动传统掺业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1 9 9 9 年全球集成电路的销售额为 1 2 5 0 亿美元而以集成电路为核心的电子信息产业的t h = 界贸易总额约占世界g n p 的3 ，现代经济发展的 数据表明，每l 2 元的集成电路产值，带动了l o 元左右电子i ：业产值的形成，进而带动了1 0 0 元g d p 的增 k 。目前。发达国家国比经济总产值增k 部分的6 5 与集成电路相关；美国国防预算中的电子含磺已i 叶 据了n 鼙江山( 2 0 0 1 年为4 3 6 1 。预计未来l o 年内，世界集成电路销售额将以年平均1 5 的速度增 跃2 0 1 0 年将选剑6 0 0 0 一8 0 0 0 亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路已日益成 为经济发展的命脉、科= 会进步的基础，国际竞争的筹码和国家安全的保障。 过去的相当一段时间内，硅芯片技术可谓日新月异，突飞猛进。它已从集成几十个元竹，仅具有简 单逻辑功能的小规模集成电路发展成为现在的集成数百万甚至上亿个元件，可完成复杂电子系统功能的 超人规模和特人规模集成电路，其单片集成度j e 在向十亿元件迈进。早在6 0 年代初期，仙童? f 导体公 司币瞑特尔公司的创始入g o r d o n m o o r e 就曾预言：单片集成度将以1 8 个月翻一器的速度增长。这一预 言便是后来人仃j 评价集成电路发展趋势的穆尔规则。 随着机械结构和零部件的微型化、智能化，集多个微机构、微传感器、微执行器、信号处理，控制 电路、通信接口及电源丁一体的微裂电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 止作为一fj 新兴学科形成。 m e m s 是一个多学科交义的前沿领域，是在微电子学的基础上兴成并发展起米的，它的研究涉及 剑了材料、机械i ：程、电子l ：科、物理学化学、生物学，医学等学科的内容，作为2 1 世纪的朝日i + r ：业 新世纪世界经济新的增长点，它通过微型化和集成化来建筑微观机械系统新的工作原理、新的功能、新 的材料、新的结构、新的工艺，开辟了一个新的科学技术研究应用领域，井迅速产业化和规模化，已经在一r ： 业过程控制、计算机、机器人、通讯、环境保护与检测、医学健康和交通运输等领域，尤其是在军事领 域得剑广泛应h | 世界上经济发达的国家已经看到m e m s 在推动科学技术进步、人类生产发展和生活 质姑改善方面的积极作用因此十分重视m e m s 技术的发展，投入了非常可观的人力和财力进行开发 和研究鉴丁，m e m s 巨人的战略意义和经济价值，我国已经把m e m s 作为重点研发项目，已经制定了 近、中期发展规划，在政策上予以倾斜，经费上予以支持 m e m s 能在狭小的空间作业两不扰乱工作环境，因此它的的用途非常广泛 在军事土，微型机器人用丁侦察、满伏、排雷、通讯中继、反恐怖等活动；在医疗中可_ i j 丁血管类， 神经等方面的显微手术；在i ：业中可在危险场合代替人4 l j i l ：作，排除故障；将m e m s 器f ，1 ：与光器什融合一 体，可以人人的减小光学仪器体积；生物芯片在医疗保健、检测分析、环境监测、生物。l ：样等的应h j 止在 东南大学硕+ 学位论文 扩人；各类传感器的应用更广泛，几乎遍布各个领域作为微系统，国外发达国家主要席阐在通讯、军事、 仪器仪表方面，微器什则是针对某一具体麻川而开发的，除加速度传感器、乐力传感器、读写磁头、打印 机喷嘴、生物芯片外。其它的生产尚难标准化【l 】 半导体j ：业及m e m s 技术的e 速发展是器件的尺寸已进入到微纳米尺度。由于鼍f 效麻、物质的 局限性及巨大的表面及界面效应，使微尺度f 的物性产生了明显的尺寸效应，器件的微纳米脖擦性质受 到人们的关注。这是冈为当结构特征尺寸逐渐小型化并趋丁：纳米避级时，结构的特征尺寸与载流子的平 均自由稃处丁：同一簧级，基丁连续介质假设的一些宏观概念和规律就不再适用。即使在结构尺寸远人丁 载流子平均白由程，即连续介质假设仍能成立，但由丁二尺度的微型化，使原来的各种影响因素的相对重 要性发生了变化p 】比如在宏观处丁次要地位的界面热阻却是超品格结构导热系数下降的主要原冈冈 此在微尺度条件卜，经典传热学方法的适j j 性需要进一步考问；还有一些问题则需要求助于统计力学其 至量子力学，从分子或原子的水平上进行研究，即通过考察系统中的载热微观粒子的行为，来解释系统 中的热输运特性。 m e m s 已成为当今世界的研究热点，各国的科技 二作人员将其作为一个独立的边缘学科站展开国 际范罔内的学术与1 ：样研究。m e m s 的主要研究内容包括m e m s 基础理论和技术的研究、m e m s 材 料和m e m s 的制造l ：艺研究。 1 ) m e m s 理论基础：一般的学科常常是先有了基础理论，然后才会有。r 程麻埘，但m e m s 技术 却一种i ：科麻川先丁基础理论的学科，其j ：程实际应_ h j 往往超前于基础理论，因此m e m s 技术中涉及 到的基础理论研究有待丁：加强。这种现象并1 f 在m e m s 中独有，例如材料的塑性加【技术中的基础理 论部分就比较薄弱，却也能够得到很好的i ：程应用。我们知道，当构件的儿何尺寸缩小到毫米或微米煞 级时，很多宏观的理论已经不适用于m e m s ，有许多宏观物理量需要重新定义，这也可能就是“纳米 技术”的魅力所在。因此m e m s 需要对微小型化的尺寸效应和理论基础做进一步研究，包括微结构学、 微动力学、微流体力学、微摩擦学、微热力学，微电子学、微光学和微生物学等。 2 ) m e m s 技术基础：基tm e m s 与传统机电系统在理论基础上的差异，它所涉及的技术基础研 究也与传统机电系统不同。主要涉及到的研究领域有：微系统设计技术，微系统材料、复杂可动结构微 细加一l - ，微装配与封装、微测量、微系统的集成与控制和微宏接口等技术。 3 ) m e m s 设计技术：主要研究设计方法m e m s 其中计算机辅助设计( c a d ) 是有力i ：贝。计算 机技术的进步使c a d 技术在m e m s 器件的设计中得到了广泛应用m e m s 有限元分析技术可以预测和 模拟m e m s 器仆的静态和动态性能。c a d 设计麻包括：器件模拟、系统校验、封装、优化、掩模板设 计和过程规划等 m e m s 还虑建立混合的机械，热和电气的耦台模型。但是m e m s 设计技术义不同丁常规的机电系 统设计，这是由丁当机械的尺寸缩小时，由于表面的摩擦力增加可能会导致机械本身无法j ：作。因此， 进行m e m s 建模分析时会遇剑许多新的问题，在实践中要开发快速的计算表面作_ i j 力算法，宏模璎的 建立，多物理场耦合分析等，并且可以采h ja n s y s 等软件进行耦合场的分析等。 4 ) m e m s 材料 m e m s 材料包括h j 于敏感元1 ，i ：和致动元件的功能材料、结构材料和智能材料，m e m s 材料庵具有 良好机械，电气性能和适合微细加j ：的新材料。m e m s 中使埘的结构材料通常是以砘为主体的、r 导体 材料：功能材料包括压电材料、超磁致材料、光敏材料等：智能材料以形状记忆合金为主。此外还有玻 璃、陶瓷等材料。m e m s 材料及其力学分析是m e m s 设计的重要方面，其研究的荧键问题包括材料及 物理性能的研究和m e m s 结构的力学分析与失效研究等。 2 第一章绪论 5 ) m e m s 的制造l ：艺 m e m s 制造l ：艺是m e m s 的核心技术- 也是m e m s 研究领域中最为活跃的部分，) j o - - m e m $ 器 什的技术目前主要有以f 三种。面向m e m s 的微细加l ：技术是在集成电路的基础上形成的，先后有了 超精密机械加j = 深反戍离子刻蚀、l i g a 及准l i g a 技术和分子装配技术等。其加：r 手段包括电子束、 离子束、光子束、原子求、分子束、等离子、超声波、微波、化学和电化学等。 目前，m e m s 的研究已从基础研究领域进入开发使用阶段， m e m s 的麻h = l 研究对象主要包括微构件、微传感器、微执行器、专用m e m s 器件及系统嚣。这些 研究成果的麻朋领域很广，涉及剑信息通讯，汽车j ：业、生物医学和航空航天等。冈此m e m s 技术有 着广泛的应用前景。 6 ) m e m s 加l ：技术 如前所述，m e m s 加l ：技术主要分为三种，分别以美国为代基m e m s 技术、日本以精密加工为特 征的m e m s 技术和德国的l i g a 技术。 第一种是以美国为代表的硅基m e m s 技术，它是利用化学腐蚀或集成电路= 艺技术对硅材料进行 加l ：，形成砗基m e m s 器件。这种方法可与传统的i c c z 兼容，并适合廉价批量生产，已成为目前的 砖基m e m s 技术士流。 务向异性腐蚀技术就是利埘单品硅的不同品向的腐蚀速率存在箨向异性的特点而进行腐蚀技术，其 主要特点是砖的腐蚀速率和硅的品向，搀杂浓度及外加电位有关。它靠调整器件结构，使它和快腐蚀的 晶面或馒腐蚀的晶面方向相适应，利j 腐蚀速度依赖杂质浓度和外加电位这一特性可以实现适时停l t 腐 蚀。利川此技术可以制造出m e m s 的精密三维结构。 闹相键合技术就是不用液态粘连剂而将两块同体材料键台在一起，且键合过程中材料始终处丁硝相 状态的方法。主要包括月l 极键合( 静电物理作h j ) 和直接键合两种。r 1 极键合主要瑚丁硅玻璃键合， 可以使硅与玻璃两者的表面之间的距离达剑分子级。直接键台技术( 依靠化学键) 主要_ j 于硅- 砖键合， 其最人特点是可以实现硅一体化微机械结构，不存在边界失配的问题。 表面牺牲层技术( 义称为表面微机械) 是在2 0 世纪8 0 年代由美国加州大学b e r k e l y 分校开发出来的， 它以多品碎为结构层，二氧化硅为牺牲层。表面牺牲层技术与集成电路技术最为相似其主要特点是在 薄膜：淀积的基础上，利用光刻、腐蚀等i c 常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结 构单元，获得可动结构。最成功的表面牺牲层技术目前采j f i 多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺 牲层材料。该i ：艺为薄膜工艺，最人的优点是容易将机械结构与处理电路批量集成制造。 第一二种是以日本为代表的利瑚传统机械加工手段。用大机器制造小机器，再用小机器铝造微机器的 方法。此加i ：方法可以分为两大类：超精密机械加工及特种微细加工。超精密机械加：f 以金属为加j 】：对 象，j 硬度高丁j 加i ：对象的| 二具，将对象材料进行切削加工，所得的三维结构尺寸可在o 0 1 r a m 以f 。 此技术包括钻i 刀具微切削加i ：，微钻孔加1 二、微铣削加：【及微磨削与研磨加一r 笛。 特种微细加i ：技术是通过加i ：能簟的直接作h j ，实现小至逐个分子或原子的切削加i ：。特种加+ i ：是 利h j 屯能、热能、光能，卢能及化学能等能颦形式。常_ f j 的加l ：方法有：电火花加，f ：、超声波加。r 、电 子求加l ：、激光加1 ：、离子束加1 ：帚i 电解加l ：等。超精密机械加l ：和特种微细加工技术的加j ：精度已达 微米、弧微米级，可以批跫制作模数仅为0 0 2 左右的齿轮等微机械元件，以及其它加1 ：方法无法制造 的复杂微结构器 ，l ：。 第三种是以德国为代表的l i g a 技术，它是利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑f ：艺，形 3 东南火学碗i ：学位论文 成深层微结构的方法。利h | l i g a 技术可以加i ：各种金属、塑料和陶瓷等材料，得到人深宽比的精细结 构，其加l ：深度可达儿百微米。 nm e m s 的麻_ l i 完整的m e m s 是由实体结构、微控制器、微传感器、微制动器，以及动力源等组成的复杂系统。 但纠目前为止，完链的m e m s 尚处于概念研究阶段。真正形成实用化商品的微系统仅是一些微传感器、 微制动器等微结构装置。这些产品r 泛地应朋r 信息、汽车、医学、宇航和国防等领域。 1 1 2t l e m s 的国内外研究现状 白1 9 8 9 年制造出直径只有头发丝人小的微马达以来，m e m s 技术就开始受到世界各国的高度重视。 1 9 9 3 年美国a d i 公司采 m e m s 技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量用于汽车防撞气囊，标 忠着m e m s 技术商品化的开端。1 9 9 2 年美国国家笑键技术管理机构计划把“微米级和纳米级制造。列 为“在经济繁荣和国防安全两方面都至芙重要的技术”。 国外许多人型企业、实验室及高校都积极投入到m e m s 研究的各个领域，并取得了许多成就。美 国加州斯坦福大学与加州理。r 学院协作研究开发了脑细胞组织探针，还与l u c a s n o v a s e n s o r 公司联手 开发了深度活性离子蚀刻( d r m ) 技术。俄亥俄州的c a s ew e s t e r nr e s e r v e 大学正在进行微机械加i ：生物 传感器高密度阵列结构。朗讯公司的贝尔试验室在光开关、光调制器、分插复用器上也取得了突破。日 本尔北人学止在研制一种用形状记忆合金( s m a ) 作为驱动器的自主式移动内用窥镜系统。加拿人m c g i l l 人学研制山晟高分辨率为1 0 r i m 的遥控纳米机器人近年来国际上m e m s 的专利数工e 星指数增k ，说 明m e m s 技术的全面发展和产业快速起步的阶段已经来到。目前。国外己研制成的m e m s 器1 ，i ：有微阀 门、微弹簧、微齿轮、微马达、微陀螺、微型惯性测量组合、硅微压力传感器和微加速度计等已成为商 品并且应用领域十分广泛 此外，m e m s 技术已开始在我国的杜会生活中发挥作用，如微操作机器人已开始媚丁生物1 ：程中 的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造l ：艺中；微传感器已用于飞行器的加速度、压力等参数的实时 测域；纳米薄膜润滑技术已刚丁“k ，征三号”火箭和计算机硬盘的制造工艺上。但是由丁历史原冈造成 的条块分割、力越分散，而且产业界对m e m s 的认识尚不明确。m e m s 的研究还土要是国家投资。冈 而投资力度严重不足尽管已有不少成果但在质餐、性能价格比及商品化等方面与国外的著距还很人 1 2 】。 一 1 1 3 微纳米摩擦研究现状 随着纳米摩擦学和微电子机械系统( m e m s ) 研究的深入进行，出现了各种新型纳米装置( 幽1 - 1 ) ， 微纳米摩擦的研究近年米得到了j “泛的重视。 幽1 一l 新璀纳米机械( a ) 纳米滑动轴承( b ) 由纳米碳管组成的纳米齿轮( c ) 纳米内存探头 4 第一章绪论 白从1 9 8 8 年第一个微型静电马达诞生_ i 亓，m e m s 的研究受到了人们极人的关注，发展也很快特别 微型的传感器、微砸的光学器件已经实州化。但对于含有驱动器的。即有相对回转或移动动作的m e m s 装置，还存在相当多的问题，其中一个重要的问题就是摩擦、磨损以及与其相应的性能和寿命问题【3 】。 在宏观世界里，如果一个物体没有什么东西支撑着，就会掉下来，这是一个一般性常识。但在微观世界 里，这个常识就不成立了。比如我们肉眼看不弛的尘埃，由于质量很小，一直在空中游动着不会掉- 卜米。 这是由丁尺寸微喇化后，与尺寸二次方成止比的体积效麻( 如重鼙、惯性力笱) 相对减弱，而与尺寸二二次 方成止比的表面效应( 如表面序擦、散热等) 上升为主要地位。尘埃之所以不会掉下来，就是因为它与空 气分子间的摩擦力人到了可以与重力平衡。由丁这个原因，即使在宏观世界里能很好动作的机械，如果 将其尺寸微! 化，它可能就完全不会动，或由于效率很低而无法实用。微观条件下，摩擦相对增人是由 丁与载荷人小无关而与表面积人小成l e 比的表面力相对增大的缘故。表面力包括吸附液体的表面张力、 摩擦产生的静电力、嗣体间的凝聚力及范德瓦耳斯力等，其中范德瓦耳斯力是无法避免的。范德瓦耳斯 力不同于离子键、共价键及金属键产生的力，是中性分子也存在的一种弱电引力。根据表面力这一观点 只要两表面相互接近，就会产生表面力。表面力与接触面上所施加的法向载荷无关，即使不加载荷只 要表面相互接近，表面力也会使微观表面产生变形，如果表面沿切向移动，也会产生摩擦力。因而在微 观| 卜，我们所熟悉的库仑法则，即胯擦力与接触面积大小无关，与法向载荷成正比的关系就不成立了。 由丁m e m s 装备的尺寸均在微米颦级内，因此，其中的摩擦问题和宏观条件的摩擦问题完全不同。现在 的m e m s 系统酱遍存在着摩擦人，摩擦磨损难以控制等问题，所以减小m e m s 装置的摩擦磨损对丁： 提高m e m s 装置的性能羽1 寿命都是十分有意义的，同时对于未来纳米机械i ：业的发展也是非常有价值 的。 h i r a n o 和s h i n j o 【4q 研究了界面对称性对干摩擦的影响。他们分别计算了f c c 和b c c 结构金属高度 均匀表面的静摩擦力产生的条件，他们发现在固体严格不动的时候，其不对称表面静摩擦力会消失。同 时，随着嗣体之间的相互作j ! | 变强，会发生一个a u b r y 转化，而导致静摩擦力的产生。他们认为a u b r y 转化与品向有关系，h i r a n o t 6 j 试验发现云母晶体和a f m 针尖与基底之间的静摩擦力大小与晶向有关硝。 s o r e n s e n1 7 1 发现在足够人的铜针尖和一个不对称的铜基底之间会没有静摩擦力，m u s e r 汞ir o b b i n s t 8 1 研 究一个简单理论模型并认为只有当表面内的作用强度远小于表面之间的作用强度，静摩擦力才会产生。 p e r r y 录ih a r r i s o n 【9 “”】通过在甲烷和乙炔表面随即替换八分之一的氢来研究了分子尺度粗糙度对丁摩 擦力的影响，发现在甲烷上替换氢对丁：高负载f 的能减小动摩擦力。 m a r t i n t ”等人利_ l j 溅射法做成m o s 2 多晶薄膜，在超真空条件下进行的摩擦实验中获得了0 0 0 2 以卜的摩擦系数。k e n t a r o 等人曾对受限于问体壁的p f p e 大分子的摩擦行为做过仿真，研究了摩擦力 随着载荷的变化情况，发现在低载荷状态下，润滑薄膜维持类似液体结构，摩擦无规律振动随着载荷 增人，近壁面处润滑剂分子滑动增大，摩擦系数减小。当载荷增大至某一值时，润滑分子开始硎化，摩 擦振动一现周期性i l 。1 9 9 5 年明元中等人通过对液态氩的p o i s e u i l l e 流和c o u e t t e 流的模拟研究了润 滑薄膜的流变学属性，揭示了膜厚与等效枯度的变化关系【l4 ”i 。 1 2 纳米摩擦学的研究方式 1 2 1 实验手段 现代近表面测试技术和仪器的发展，提供了在原子、分子尺度上观察表面现象及其变化的有效手段。 使得纳米摩擦学的实验研究成为可能。, - i p a 说，纳米摩擦学是在纳米表面形貌和微小动态力测试技术发 展的基础上逐步完善的 1 9 8 2 年b i n n i n g 和r o h r e r 发布了扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p e ，s t m ) 研制成功- 它不仅以极高的空间分辨率成为揭示原子，分子世界的观察手段，把人 们带到微观物质世界；而且由于扫描隧道显微镜可以在表面达到原子尺度的定位精度，通过探针对表面 5 东南大学谛j 1 学位论文 的作j j ，从而成为纳米尺度上对表面进行改性和排布原子的r 具”。 目前纳米摩擦学实验研究仪器 主要包括扫描探针显徽镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) ，它包括扫描隧道显微镜，原子力显微镜 ( a t o r t i cf o r c em i c r o s c o p e a f m ) 以及摩擦力显微镜( f r i c t i o nf o r c em i c r o s c o p e ) 。此外还有专门研制的 实验仪器例如，表面力仪( s u r f a c ef o r c ea p p a r a t u s ，s f a ) ，光干涉纳米薄膜测试仪，石英晶体微犬平( q u a r t z c r y s t a l m i c r o s c o p e ，q c m ) ，点接触显微镜( p o i n t c o n t a c t m i c r o s c o p e ，p c m ) 。图示1 2 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，测定表面原于结构；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榉，借以揭示摩擦磨损、催化、腐蚀等表面现象的微观机 理等。 圈i - 2 原子力显微镜及其工作原理 1 2 2 计算机模拟 计算机模拟在研究摩擦，润滑，磨损过程起着重要作用，尤其在儿何形态，滑移条件和原子间作心 力很复杂，或者当然我们希望能够随意改变这些参数来考察它们对于摩擦，润滑和磨损影响韵时候，计 算机模拟扮演一个数值“实验”的角色。不同于实验室实验，计算机模拟能够让研究者追踪和分析所 有原子的远动；同时不同于纯理论的计算和分析，计算机模拟能够相对真实的再现摩擦。磨损和润滑的 过程。当模拟尺度接近分子和原子量级时，连续介质力学的假设不再有效从统计物理化学中形成的分子 动力学模拟( m o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n ) 方法被成功地用于薄膜润滑性能的计算、分析。它把连续介 质视为n 个原子或分子组成的粒子系统，通过数值求解运动方程得到所有粒子的运动规律，乔由统计平 均得剑该系统作为连续介质的宏观性质。此法根据模拟研究对象的不同从统计物理角度可分为平衡态分 子动力学模拟和1 平衡态分子动力学模拟。除上述模拟方法外还有m c ( m o n t ec a r l o ) 法，它h j 丁解积分方 程的随机过程，把粒子的运动用随机方法模拟，运用统计力学的基本观点统计出平均结果等”，目前 得较多的是分子动力学模拟。在计算机硬件和模拟方法巨火进步极大的提高了研究者模拟摩擦，磨损 和润滑过程的能力。尽管现在还不能处理所有长度尺度和时间尺度以获得具体工程材料的摩擦学性质， 但是计算机模拟揭示了关于静摩擦和动摩擦的宏观机理，润滑边界条件的行为以及分子几何形态和摩擦 学属性时间的相互作h j 。这些结果对于宏观计算提供了很有价值的帮助，随着计算机的快速发展的步伐， 计算机模拟有望在摩擦学起剑跟重要和j “泛的作用。 6 笙二至竺丝 1 3 课题来源与主要研究内容 本文由国家重点基础研究发展计划( 2 0 0 6 c b 3 0 0 4 0 4 ) 、国家自然科学基金( 5 0 2 7 5 0 2 6 ，5 0 4 7 5 0 7 7 5 0 5 0 5 0 0 7 ，5 0 5 0 6 0 0 8 ) 、江苏省自然科学基金( b k 2 0 0 5 0 6 3 ) 、教育部博士点基金( 2 0 0 5 0 2 8 6 0 1 9 ) 资助。 在此表示感谢。 本次课题研究的主要内容包括：介绍了分子动力学方法的基本原理和步骤以及电渗和双电层；采 平衡态分子动力学模拟了体态水的物理特征，并将径向分布函数、密度等参数进行模拟值与实验值的 比较：然后通过模拟，研究了双电层对纳米流体润滑与摩擦影响，给出结论；最后模拟了纳米轴承润滑， 井对论文作了总结。 7 东南人学硬| 学位论文 第二章水的分子动力学模拟方法 由丁计算机技术的e 速发展，计算机仿真取得了很大进展，计算机仿真既可提供大量的精确数据、 一般化信息，也能预测事物发展的趋势。计算机仿真可为某些问题( 如统计力学) 提供精确解答起剑非 常重要的作h | ，否则这些问题只能近似求解，或者很难求解。在极温极压条件下很难或者根本无法进行 的某些实验，利_ 【 j 计算机仿真却比较容易做到，在这个意义上说，它实际上就是对理论的测试。计算机 仿真的结果可以和真实的实验相比拟，如果模型建得好，还能从仿真的结果中进一步加深对所研究问题 的理解，有助丁解释新出现的物理现象。计算机分子模拟方法已逐步变成与理论研究平行的一种方法。 它从统计力学基本原理出发，将定数量的分子输入计算机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计 算。近年来，它与理论研究及实验测定。逐渐形成了三足鼎立之势。本章将详细介绍分子动力学 ( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，以下记为m d ) 基本方法，水作为一种重要的溶剂及许多化学反虑的介质，j 泛应用于化】二、制药等各个行业。由于水的比热较大，同时又是一种良好的冷却剂。因此水的分子动力 学模拟具有很重要意义，其模拟的正确与否也是本课题研究的关键之一。为下面对受限下双屯层的离子 水溶液物理性质的研究打下基础。 2 1 分子动力学方法简介 世界万物都是由分子、原子以及离子等微观粒子构成的。而系统的特性是粒子微观运动的宏观表现， 因此研究微观粒子的运动状态加以统计研究便能够得到系统的宏观性质。所谓m d 方法就是通过求解 有相互作h j 的箨个粒子的运动方程，得到每个粒子空间位置、运动状态随对问的演进状况，从而统计出 材料的宏观行为特性 1 9 5 7 年，a l d e r 和w a i n w r i g h t t ”1 首先在硬球模型f ，采用分子动力学研究气体和液体的状态方程， 从而开创了利h j 分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。后来，人们对这一方法作了许多改进， 在计算物理、化学、材料科学、化工、和制药等领域进行了大量研究。2 1 世纪8 0 年代后期，由于计算 机技术的飞速发展。加上多体势函数的提出与发展，为分子动力学模拟技术注入了新的活力。分子动力 学模拟不仅能得到原子的运动细苜，还能像做实验一样进行各种观察。特别是许多在实际实验中无法获 得的微观细_ i ! 而在分子动力学模拟中都可以方便地观察到。现在每年发表的关于分子动力学模拟有关 的文献达千篇。 2 2 分子动力学模拟的基本步骤 2 2 1 确定研究对象 进行分子动力学模拟首先要选取一个明确的研究对象。对于同一对象，由于研究目的不同在实际 模拟过程中所采_ 【 j 的系综也有著别，经常用到的平衡系综有正则系综、微正则系综、等温等压系综和等 滠等烩系综。例如在模拟过程中如果体系的能量守恒，则要采j j 微正则系综；如果粒子数、体积和温度 不变。则要采止则系综；而对丁i 粒子数、压力和温度不变的情况。应该选择等温等压系综；当然对于 体系粒子数发生变化的情况，则要选取巨止则系综。确定了研究对象和系综之后，在体系中取一个包含 若干分子或离子的微元，通过对其性质研究，来获得所需要的宏观体系的有关性质。 2 2 2 分子的初始位置和速度 模拟时首先要初始化系统的位型分布，即首先要给定微元中分子的初始位置和初始速度。分子初始 t i ) = 置最好与实际情况相类似，最为常川的分布为简立方品格分布| 笙| ( 2 一l a ) 、面心立方品格分布幽( 2 - l c ) 、 s 第一二章水的分了动力学模拟方法 体心立方晶格分布幽( 2 - 】b ) 和金刚， i 晶格分布图( 2 - l d )