氦-空混合气体中磁头磁盘界面润滑剂迁移机理研究

Compare to pure helium, using helium-air gas mixtures to replace air in hard disk drives has received great attentions. It not only improves the storage capability and reduces the energy dissipation, but also lowers the cost. Lubricant transfer between slider and disk, which can affect stability of the slider flying characteristics and friction behavior at the head/disk interface, has been increased if helium-air gas mixtures are used. However, no theory is available nowadays to explain the mechanism of lubricant transfer between slider and disk in helium-air filled hard disk drives. In this study, experimental research and numerical simulation are used to investigate the effect of helium-air gas mixtures (density, viscosity and mean free path) on air bearing force and air shear force at the head/disk interface, which greatly affect the lubricant transfer between slider and disk with coupled van der Waals force. Moreover, the effect of helium percentage on lubricant transfer between slider and disk is investigated as well. Finally, a control method of limit the lubricant transfer is proposed. The results of this study could give a theoretical basis and technical support for hard disk drives with large-capacity, quick access and reliability.

硬盘中使用氦-空混合气体代替空气，相对于使用纯氦，不仅可以提高硬盘的存储容量、减少能量消耗，还可以降低成本，是目前硬盘领域的研究热点。氦-空混合气体的使用，增加了磁头磁盘界面润滑剂的迁移，影响磁头飞行的稳定性和磁头磁盘界面摩擦特性。然而至今尚无完善的理论和系统的实验研究来阐明氦-空混合气体中磁头磁盘界面润滑剂的迁移机理，更没有切实可行的方法用于抑制润滑剂的迁移。本项目通过系统的实验和数值仿真研究，揭示氦-空混合气体的密度、粘度、平均自由程等物理性质对磁头磁盘界面气浮轴承压力、空气剪切力的影响，以及气浮轴承压力、空气剪切力和范德华力共同作用下润滑剂的迁移机制，探明氦气含量对磁头磁盘界面润滑剂迁移行为的影响机制，从而提出抑制氦-空混合气体中润滑剂迁移的控制方法，为硬盘向超大容量存储，快速存取和安全可靠性方向发展提供理论依据和技术支持。

硬盘中使用氦-空混合气体代替空气，相对于使用纯氦，不仅可以提高硬盘的存储容量、减少能量消耗，还可以降低成本，是目前硬盘领域的研究热点。氦-空混合气体的使用，影响磁头飞行的稳定性和磁头磁盘界面摩擦特性，有可能会增加磁头磁盘界面润滑剂的迁移。本项目通过系统的实验和数值仿真研究，揭示氦-空混合气体的密度、粘度、平均自由程等物理性质对磁头磁盘界面气浮轴承压力、空气剪切力的影响，以及气浮轴承压力、空气剪切力和范德华力共同作用下润滑剂的迁移机制，探明氦气含量对磁头磁盘界面润滑剂迁移行为的影响机制，从而提出抑制氦-空混合气体中润滑剂迁移的控制方法。因此，本文建立了氦-空混合气体环境下磁头磁盘界面润滑剂迁移的物理和数学模型，揭示氦-空混合气体的密度、粘度、平均自由程、热传导率等物理性质对气浮轴承压力、空气剪切力的影响，以及气浮轴承压力、空气剪切力和范德华力共同作用下润滑剂的迁移机制；揭示了氦-空混合气体环境下准接触状态时磁头磁盘界面润滑剂的迁移机理，从微观角度直接说明了润滑剂分子的迁移过程和方式，以及磁头磁盘发生接触碰撞时润滑剂迁移和磁盘表面润滑剂重分布的规律。研究表明，在氦气环境中，各种工况下润滑剂更难迁移到磁头上，这将有利于磁盘运行的可靠性；其次，磁头不同台阶的光滑过渡更容易阻止润滑剂迁移。因此，使用氦气代替空气，不仅可以提高硬盘的存储容量、减少能量消耗、降低成本，还能提高硬盘的可靠性。