面向加载/卸载过程的硬盘TFC磁头/盘界面超薄气体润滑机理及相关热力学性能研究

The data storage of hard disk drives is realized in a high relative speed between the slider head and disk. The thermal extrusion in head with thermal flying-height control technology is used to reduce the gap at the head disk interface which provides possibility to access a high storage density for hard disk drives. The application of load/unload technology into the hard disk drives are good to eliminate the possibility of impact between the slider and disk. In the present study, the dynamic performance and its lubrication mechanism of ultra-thin gas film at the head disk intreface during a loading/unloading are studied. Based on the micro- and nano- trobolgical theory and molecular dynamics, the effect of transient effect cuased by the thermal extrusion of TFC slider head on the stability of ultra-thin film are analyzed and the thermal effects are drscribed numerically. The interaction between the moleculars of gas medium and slider, as well as disks are described statistically. The essential parameters key to the thermal conduction at HDI are determined. The optimal dynamic parameters for the flying behavior of TFC head and thermal extrusion are researched to find the best heat conduction condition and optimal design of slider head. The limit of external shock inducing the lubrication failure of gas film for an operational hard disk drive is analyzed. Furthermore, the simulation result are used to dtudy the failure mechnism at head disk interface. The research results re beneficial to the improvement of head disk interface and provide good basis for the further research in this field.

硬盘中数据存储主要是在磁头和磁盘的高速运动中实现。TFC磁头利用热变形以降低飞行高度的技术为提高硬盘存储能力提供了有效途径；加载卸载技术则减少磁头与磁盘发生碰撞的几率。本研究主要面向加载/卸载过程中磁头/盘界面超薄气体润滑膜的动态特性及润滑机理进行探索，基于微纳米摩擦学和分子动力学的理论，研究TFC磁头因加热产生热变形而导致的瞬态效应对超薄气体薄膜稳定性的影响，对其热效应进行数学描述；利用统计方法描述空气轴承界面上气体分子与磁头及存储介质材料分子之间的相互作用，探索决定空气轴承力和TFC磁头与磁盘间热传递的重要参数，研究TFC磁头与盘片的接触过程，计算TFC磁头的最优飞行参数及热隆起参数，探求最优的热传递条件及磁头设计；并对工作状态下使超薄气膜润滑失效的极限冲击载荷进行理论分析，基于仿真结果探讨接触界面的失效机制。本研究成果将对硬盘TFC磁头/盘界面的改进和完善奠定基础。

基于微纳米摩擦学原理，研究磁头/磁盘接触界面的超薄气体薄膜润滑，对提高磁头/盘系统的动态特性与飞行稳定性和界面摩擦学特性，具有重要的现实意义和实用价值。.本项目主要研究内容包括：分析磁头/盘系统磁头摩擦学及动力学特性的影响因素；基于分子动力学原理，研究磁头与盘片的接触过程，分析界面的稀薄效应和热效应；研究磁头/盘界面间的超薄气体润滑膜承载能力压力分布、空气轴承表面失效机理；分析磁头悬臂与其支承之间的摩擦学特性；研究界面超薄气膜润滑的变化规律，分析薄膜润滑的时间效应和失效条件。.本项目重要结果及关键数据包括：（1）提出了一种考虑气体稀薄效应和范德华力的空气轴承动力学特性分析方法，对超薄气膜润滑雷诺方程和范德华力进行了数值求解；建立了空气轴承截面三自由度动力学模型并进行了求解；（2）采用二阶非连续边界条件建立了空气轴承表面传热模型；确立了热-结构-流体-飞高的多物理场非线性耦合计算流程，验证了采用非连续边界条件的必要性；（3）提出了润滑剂流动损耗理论模型，建立了润滑剂在热源作用下的膜厚变化方程和恢复方程；对引起润滑膜损耗的主要原因进行了仿真分析；（4）采用分子动力学方法，分析了磁头/磁盘界面润滑剂转移机理，对其影响因素进行了仿真研究，实验研究了磁头/磁盘界面润滑剂转移及分布的影响因素；（5）建立了磁头滑块和磁盘接触碰撞模型，并进行了接触滑动仿真分析；对磁盘表面的润湿性、粘着力、及DLC层进行了实验研究；（6）基于多物理场耦合作用分析了磁头磁盘界面的静力学和动力学特性；基于空气分子平均自由程等因素，分析了温度场、流体场和位移场等多物理场耦合作用下的空气轴承特性。 .本研究分析了磁头/磁盘界面的摩擦学特性及其影响因素，对于揭示磁头/磁盘界面润滑剂转移机理，改善磁头/磁盘之间润滑剂转移现象，提高磁头飞行稳定性，优化空气轴承表面摩擦学设计，改善硬盘工作性能，具有重要的参考价值。