纳观纹理表面往复滑动接触磨损机理研究

Nanoscale apparatus will be failed soon during the sliding contact process because of adhesive wear, which makes nanoscale apparatus hard to be used in practice widely. Surface texture will help to reduce surface-to-volume ratio, and improve the wear characteristics further. In this project, a molecular dynamics model of nanoscale wear in reciprocating sliding contacts of textured surfaces will be established, and a volume-restricted molecular dynamics(VRMD) simulation method will be developed, which will be used to solve the nanoscale wear problem above effectively. Considering adhesive effects and size effects, the influence of asperity height, asperity shape, asperity spacing, texture orientation and texture density on nanoscale wear will be analyzed. The effects of tip radius, indentation depth, sliding speed and sliding direction on nanoscale wear will be also investigated. Furthermore, according to the simulation data, a video of the reciprocating sliding contact processes will be made to show the occurrence and the development of wear debris, microcracks and surface defects online. Summarizing the results above, one can determine the main factors which affect the characteristics of nanoscale wear, and list the order of the parameters of textured surface which will be designed to reduce wear. Then, textured surfaces will be designed and the VRMD simulations will be carried out. The comparisons of the results will help to modify parameters of the former textured surfaces. A circular simulation process, "design-simulate-modify-simulate-remodify", will be performed to acquire better textured surfaces which can reduce wear effectively. Therefore, the wear characteristics of the nanoscale apparatus will be improved and the life will be enhanced.

纳米器件滑动接触过程中，由于粘附磨损而很快失效，很难应用于工程实际。表面纹理通过降低比表面为降低磨损提供了解决方案。本项目拟建立纳观纹理表面往复滑动接触磨损问题的分子动力学模型，发展体积约束分子动力学方法，实现上述问题快速有效模拟；研究纳米尺度粘着效应与尺度效应作用下的磨损机理，通过数值模拟并辅以试验验证，全面分析往复滑动接触过程中表面纹理凸峰高度、凸峰形状、凸峰间距、纹理取向、纹理密度等参数，以及探针半径、下压深度、滑动速度、滑动方向等对磨损性能的影响规律；通过参数驱动的动画演示，研究磨屑、微裂纹及表面缺陷的产生和演化过程及其对磨损过程的影响。总结影响纳观磨损性能的主导因素，主动设计纹理表面，模拟研究其磨损性能，进而修正设计方案，通过表面纹理"设计-模拟-修正-再模拟-再修正"的循环数值试验研究，给出一套降低磨损的纹理表面设计方案，从而为改善纳米器件的磨损性能，提高使用寿命提供理论指导。

纳米器件在滑动接触过程中，由于比表面增大，粘着效应显著，造成很高的粘附磨损从而使器件很快失效，很难应用于工程实际。纹理表面可以有效降低比表面，为降低磨损提供了解决方案。本项目建立了纳观纹理表面往复滑动接触问题的分子动力学模型，提出了位移贡献度的概念，在全分子动力学模拟压头下压过程时，取中心线上的原子位移，计算位移贡献度，取位移贡献度大于95%的前N层原子，作为模拟滑动接触的模型并进行滑动接触模拟研究，我们把这种方法称为局部区域分子动力学方法。局部区域分子动力学方法，实现了上述问题快速有效模拟，通过数值模拟结果与试验数据进行趋势性对比，验证了本项目所建立模型的正确性。研究了纳米尺度粘着效应与尺度效应作用下，刚性圆柱压头与纹理表面的往复滑动接触问题以及多凸峰刚性压头与纹理表面的滑动接触问题，分析了纹理表面相关参数和压头相关参数，如纹理形状、纹理间距、纹理方向、压头半径、下压深度以及滑动方向等对摩擦力及磨损性能的影响规律。采用VMD软件，实现了往复滑动接触过程的动画演示，并利用动画演示研究了磨屑、微裂纹和表面缺陷等的产生、演化以及在滑动过程中的作用。结果表明，纹理表面对往复滑动接触特性有重要的影响，三种纹理表面(等腰梯形和两种直角梯形纹理)在往复滑动过程中达到了稳定摩擦状态，一种纹理表面(矩形纹理)没有达到稳定状态；滑动方向也对滑动接触过程造成影响，对于不同的滑动方向，平均势能在达到稳定值后不发生改变，而右直角梯形纹理表面的稳定平均摩擦力值高于左直角梯形纹理表面的摩擦力，说明滑动方向对平均摩擦力有重要影响；从降低摩擦力的方面考虑，左直角梯形纹理表面具有更优异的摩擦性能。在不同的下压深度(d=2.0r0、d=2.5r0、d=3.0r0)作用下，较低的下压深度可以使四种纹理表面的往复滑动接触过程都进入稳定摩擦阶段。对于大多数的往复滑动接触情况，右直角梯形纹理表面都进入了稳定摩擦阶段，因此右直角梯形纹理表面在缩短磨合阶段方面有较大的优势。在压头下压深度为d=2.5r0时，纹理间距对平均摩擦力没有明显的影响，且三个梯形纹理表面都进入了稳定摩擦阶段。此外，对于7纹理的纹理表面，与其它压头半径的情况相比，当压头半径为R=60r0时，除等腰梯形纹理表面外，其它纹理表面的磨合阶段都得到一定程度的缩短。本项目的研究成果，为改善纳米器件的摩擦磨损性能，提高使用寿命提供理论指导。