磁头/图案化介质磁盘界面润滑剂迁移机理及控制方法研究

Hard disk drives with huge recording capacity are urgently required with coming of big data period. A promising approach to achieve recording density of 10 Tb/in2 is bit patterned media (BPM), which have received great attentions in recent years. Slider-disk spacing has to be less than 3.5 nm in BPM disk drives. Consequently, lubricant transfer between slider and bit patterned disk is inevitable, which can reduce stability of the head/disk interface (HDI) and the flying characteristic of the slider, influencing the reliability of BPM disk drives. However, no theory is available to explain the behaviors of lubricant transfer at the interface of slider and BPM disk. In this study, the physical model and mathematical model of lubricant transfer between slider and BPM disk is developed, considering discontinuity and complexity of the BPM disk surface. In addition, the effects of BPM parameters are investigated using theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation. Finally, a guideline is given for optimizing the parameters of BPM disk drives to decrease lubricant transfer. With this study, the behaviors of lubricant transfer in BPM disk drives can be fully understood. Moreover, the results of this study could give a theoretical support for the next generation high-density magnetic recording drives.

大数据时代的到来对超大容量存储设备的需求日益迫切，能够实现面存储密度10 Tb/in2的图案化介质硬盘由此成为数据存储界研究热点之一。图案化介质硬盘中磁头飞行高度须低于3.5 nm，磁头与图案化介质磁盘界面将不可避免地发生润滑剂迁移，由此影响磁头/磁盘界面摩擦特性和磁头飞行稳定性，严重影响图案化介质硬盘的工作可靠性。然而至今尚无完善的理论和系统的研究来阐明磁头与图案化介质磁盘界面的润滑剂迁移行为，更没有切实可行的方法用于抑制润滑剂迁移。本项目将针对图案化盘面形貌的非连续性和复杂性特征，建立空气轴承压力、空气剪切力、分子间作用力耦合作用下润滑剂迁移的物理和数学模型，通过理论分析、数值模拟及实验研究等方法，揭示图案化介质硬盘设计参数对润滑剂迁移的影响机制，建立润滑剂迁移的评价体系，从图案化介质硬盘参数优化方面提出抑制润滑剂迁移的控制方法，为发展新一代超高密度存储硬盘提供理论支撑和指导。

能够实现面存储密度10 Tb/in2的图案化介质硬盘中，磁头飞行高度仅几纳米，磁头与图案化介质磁盘界面将不可避免地发生润滑剂迁移，由此影响磁头/磁盘界面摩擦特性和磁头飞行稳定性，严重影响图案化介质硬盘的工作可靠性。本项目针对图案化盘面形貌的非连续性和复杂性特征，建立空气轴承压力、分子间作用力耦合作用下润滑剂迁移的物理和数学模型，通过理论分析、数值模拟及实验研究等方法，揭示图案化介质硬盘设计参数对润滑剂迁移的影响机制，从图案化介质硬盘参数优化方面提出抑制润滑剂迁移的控制方法，主要完成以下工作：. （1）在磁头/光滑磁盘界面空气轴承动力学模型的基础上，结合图案化介质磁盘的形貌特点，利用有限元方法计算获得了圆柱形图案、立方形图案磁盘形貌对磁头/磁盘界面空气轴承压力分布的影响规律，并阐述了图案高度、图案尺寸、磁头倾角等参数对磁头飞行高度的影响规律。. （2）选用合理的势函数描述构建润滑剂、硬碳层的粗粒珠簧模型，将磁头/磁盘界面空气轴承压力分布作为输入，建立磁头/图案化介质磁盘界面润滑剂迁移的分子动力学模型，以揭示磁头/磁盘界面间润滑剂迁移的微观机制。. （3）利用磁头/图案化介质磁盘界面润滑剂迁移的分子动力学模型，开展系列的仿真研究工作，获得了磁头/磁盘间隙、润滑剂种类与厚度、磁盘DLC官能团比率、磁头凸台倾角、磁头/磁盘空气轴承局部压力差等参数磁头/磁盘界面润滑剂迁移量的影响规律。. （4）建立了磁头/磁盘界面润滑剂迁移的实验平台，通过实验验证了磁头/图案化介质磁盘界面润滑剂迁移的存在，以及磁头有效倾斜角、翻转角对润滑剂迁移的影响规律，同时通过与仿真结果的定性对比分析验证了分子动力学仿真模型的可信性。. （5）在综合分析理论计算、仿真研究、实验研究结果的基础上，以磁头迁移量最小化为目标，提出了抑制磁头/图案化介质磁盘界面润滑剂迁移的控制方法及磁头/磁盘界面参数优化原则。