纳米间隙气膜润滑动态承载特性研究

In micro / nano-electromechanical systems (MEMS/NEMS), there are a lot of gas film lubrication problems with micro-nano spacing interface. Due to the scale effect, its physical mechanisms are far enough to be understood, which has been an important bottleneck and has restricted the design, manufacture, and application of MEMS/NEMS. In this project, the gas film lubrication problem with nano-spacing is the main research and application object. A research programme of theoretical analysis, dynamic modelling, numerical simulation and experimental techniques will be adopted. Based on molecular dynamics, nano-tribology and nano-mechanics, a new dynamic model of gas film lubrication equation considering the gas rarefaction and surface roughness effects will be developed. By using a meshless method, the dynamic loading characteristics of the gas film with nano-spacing in a interface-constraint condition will be investigated. We try to reveal effects of gas rarefaction and surface roughness on the dynamic loading characteristics of gas film lubrication, to explore possible methods of improving the dynamic carrying capacity and flying stability of a slider, and to develop the thin film lubrication theory of nano-tribology and its cross-scale simulation algorithm and to provide a theoretical basis for the design and manufacture of gas film lubrication with nano-spacing interface.

在微/纳米机电系统(MEMS/NEMS)中，存在着大量的微纳米间隙气体润滑问题，由于尺度效应的影响，人们对其非常规物理机制的认识和理解远远不够，这已成为制约MEMS/NEMS 设计制造和应用水平提高的重要瓶颈。本项目以纳米间隙气体润滑问题为主要研究和应用对象，采取理论分析、动力学建模、数值模拟与实验研究相结合的研究方案，基于分子动力学、纳米摩擦学、纳米力学的基本理论，考虑气体稀薄、表面粗糙度等纳米尺度效应，建立纳米间隙气膜动态润滑方程新模型；以无网格法等为主要数值模拟分析方法，研究具有高速相对运动的纳米间隙气膜在界面约束作用下的动态承载特性问题；揭示气体稀薄、表面粗糙度等纳米尺度效应对纳米间隙气膜动态承载特性的影响规律及其润滑机理，探索提高其动态承载能力和飞行稳定性的途径与方法，丰富和发展纳米摩擦学的薄膜润滑理论及其跨尺度模拟算法，为此类纳米间隙气膜的设计与制造提供理论基础。

在微/纳米机电系统(MEMS/NEMS)中，存在着大量的微纳米间隙气体润滑问题，由于尺度效应的影响，人们对其非常规物理机制的认识和理解远远不够，这已成为制约MEMS/NEMS 设计制造和应用水平提高的重要瓶颈。本项目以纳米间隙气体润滑问题为主要研究和应用对象，采取理论分析、动力学建模、数值模拟与实验研究相结合的研究方案，基于分子动力学、纳米摩擦学、纳米力学的基本理论，在申请者提出的修正Reynolds方程线性流率简化模型基础上，综合考虑气体稀薄、表面粗糙度等纳米尺度效应，建立了纳米间隙气膜动态润滑方程新模型；采用合作单位的实验仪器和自主搭建的试验台，对典型薄膜试件的表面粗糙度、表面形貌等结构及其几何尺寸进行了试验测试，对纳米间隙界面磁头动态飞行特性进行了实验测试，研究了环境压力以及磁盘速度等对影响磁头起飞与降落特性的影响，测量了磁头磁盘之间飞高的变化情况；基于上述纳米间隙气膜润滑模型和有关实验结果，采用无网格法等数值模拟分析方法，研究了气体稀薄、表面粗糙度、表面容纳系数等纳米尺度效应对纳米间隙气膜静态承载特性的影响；通过引入不连续因子，结合自适应网格技术、多重网格理论，研究了求解纳米间隙气体润滑方程的有限体积法和修正最小二乘有限差分法，对修正气膜润滑方程进行离散，建立了相应的离散格式，提出了求解气膜润滑动态特性的数值解法；基于试验测试得到的典型磁头表面形貌，根据磁头悬臂的结构和磁头的运动特性，建立了磁头悬臂的动力学模型，研究了具有纳米间隙气膜的动态承载特性问题。本项目较系统研究了气体稀薄、表面粗糙度、表面容纳系数等纳米尺度效应对纳米间隙气膜静动态承载特性的影响规律和机理，所取得的成果为丰富和发展纳米摩擦学的薄膜润滑理论及其算法，并为此类纳米间隙气膜的设计与制造提供理论基础。