纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟
东南大学硕士学位论文纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟姓名：张玥申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：陈云飞20090507纳米轴承动压润滑的分子动力学模拟研究生：张碉指导教师：陈云飞东南大学机械工程学院摘要随着微电子机械系统以及纳米机械的迅速发展，对于纳米尺度下机械零件的摩擦、润滑和磨损等特性的研究提出了迫切的要求。
本文对超薄膜润滑以及边界滑移问题的研究现状进行了概括。
讨论了分子动力学模拟方法的基本原理和详细步骤。
在此基础上，对两种模型的纳米轴承进行模拟，研究了薄膜的动压润滑效应以及液体的输运特性。
首先，模拟了传统纳米轴承模型，该模型是建立在动压效应的产生原理上，并从几何结构上实现其楔形收敛间隙。
模拟结果表明，纳米量级的薄膜流体会在靠近固体壁面的位置产生类固化。
轴承在较低滑动速度时，动压随着滑动速度线性增加，符合经典的雷诺方程。
纳米轴承中滑动速度存在一个临界值，当滑动速度超过该临界值时，经典雷诺方程就不再适用了。
在验证模型的基础上，模拟了新型纳米轴承的动压润滑。
与传统轴承的物理模型相区别的是，新型轴承实际上是两平行平板。
通过对模型采取特殊的结构设计，新模型可以通过直接控制表面材料的润湿性，达到控制液体流动速度的目的，从而实现动压润滑的效果。
模拟结果显示，新模型依靠其特殊的结构设计，成功实现了两平行平板之间的动压效应。
由于在固体壁面构建了亲水表面，引起局部的滑移长度不同，从而使液体流动速度曲线与传统轴承中趋势相同，最终轴承产生承载力。
在剪切速度较低时，动压随着转动速度线性增加，符合经典雷诺方程。
当剪切速度达到临界值时，滑移长度迅速增大并趋向于无穷大，从而最终导致轴承失效。
关键词：纳米轴承，分子动力学，滑移长度，动压润滑，粘度膜片联轴器/东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
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研究生签名：缢霉导师签名：日期：油，·ｊ－，ｔＩ膜片联轴器/东南大学硕士学位文在纳米范围以内，因而，这些高精密表面间也会常处于纳米量级的薄膜润滑状态中。
（三）测试技术的突破为纳米摩擦学的研究提供了可靠的手段。
隧道显微镜，原子力显微镜，表面力测量仪，垫层光干涉法，相对光强法等一系列纳米量级测量仪器在摩擦方面的应用，才使纳米摩擦学的研究真正得以发展。
（四）现代润滑理论和分子动力学模拟计算的迅速发展，为深入开展纳米摩擦学的研究提供了有效的途径。
（五）其它纳米技术相关学科的迅速发展对纳米摩擦学的产生和发展起到了互促互进的作用。
例如：纳米材料学、纳米生物学、纳米机械等新技术的发展为纳米摩擦学的研究提供了广阔的基地。
而纳米摩擦学的发展也将进一步推动这些学科的进步。
总之，纳米摩擦学是摩擦学研究的一个重大拓展和深入。
它的出现不但为现代超精密机械与微型机械的设计、制造与运行提供技术基础，也对宏观摩擦学理论的深化有很大的促进作用，进而对机械工业水平的提高将产生重大影响。
所以纳米摩擦学的研究既有重要的理论意义，也有广泛的应用前景。
１．１．２纳米摩擦学的研究内容纳米摩擦学的主要研究内容包括为摩擦磨损机制及其控制，特别是纳米润滑薄膜等薄膜的制备、组织结构与应用等幢１。
当前，重点研究工作可以归纳为以下几个方面：（一）摩擦磨损特性与机理研究滑动磨损中界面分子层的粘着损伤与材料转移行为；微摩擦过程中的粘滑性质及其抑制研究；材料摩擦的各向异性行为与零摩擦目标的实现研究。
（二）纳米量级薄膜润滑状态研究．这种纳米量级的润滑薄膜性质不同于通常的粘性流体膜和吸附边界膜，它是一种特殊的润滑状态。
主要的研究内容包括分子自组装、可控的有序分子膜的成膜、结构以及润滑性能研究；纳米量级润滑膜的流变特性与表面效应、时间效应研究；薄膜润滑状态转化与失效关系等。
（三）薄膜材料摩擦学与表面分子工程研究表面薄膜材料的为摩擦磨损性能与应用研究，其中包括软膜材料和硬膜材料；表面分子工程即通过优化表面分子层结构以便控制摩擦磨损性能的研究。
（四）微机电系统中摩擦磨损的控制通常，摩擦学中的材料分为摩阻材料和摩擦副材料两类。
相对于要求具有高而稳定的摩擦系数的摩阻材料，摩擦副材料必须具有减磨和耐磨的性质，或者至少具备其中之一的性能。
特别是在微机械系统的设计中，对摩擦学研究提出了许多更为特殊的要求。
这些特殊要求主要有：（１）为机械设计对于摩擦特性的要求各不相同。
如果摩擦是运动的阻力，由于微机械的能源通常很小，因而应尽可能的降低摩擦力，减少摩擦耗能，甚至追求实现零摩擦或摩擦最小的目标。
另一方面，如果微机械是利用摩擦力作为牵引或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值，并且可以适时控制。
（２）最大限度的减低磨损是保证机械功能和寿命的关键。
比如，计算机中大容量高密度磁盘与磁头间隙小于５０ｈｍ，要求软磁盘每滑动ｌＯ，－－ｌＯＯｋｍ的磨损量小于一个原子层的厚度，同时希望硬磁盘的磨损率近乎为零。
２膜片联轴器/东南大学硕士学位文ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）。
此外还有专门研制的实验仪器，例如，表面力仪（ｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｃｅａｐｐａｒａｔｕｓ，ＳＦＡ），光干涉纳米薄膜测试仪，石英晶体微天平（ｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＱＣＭ），点接触显微镜（ｐｏｉｎｔｃｏｎｔａｃｔｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＰＣＭ）。
图１．１为原子力显微镜及其原理图示意图。
这些仪器使得我们能够观察表面形貌，测定表面原子结构；观测表面电子态和电荷密度波；以及研究表面物理化学变化的动态过程，借以揭示摩擦磨损、催化、腐蚀等表面现象的微观机理等。
实验技术对于摩擦学发展起着巨大的作用。
到了８０年代后期和９０年代初，实验技术有了突破性进展。
主要有以下几种：（一）表面力测萤仪该仪器所采用的测试方法是Ｉｓｒａｅｌａｃｈｖｉｌｉｔ４１于１９７３年提出来的，即将白光光源经一系列技术处理，让其穿过两个十字交叉的半薄壁筒形的云母片（它们之间有吸附膜），可得到等序色干涉条纹，即ＦＥＣＯ条纹。
该方法理论上分辩率可达到ｌ埃。
１９８８年，经进一步改进，使其测量精度和控制精度得到提高（可控制到以１埃为变步长的程度）。
从而可研究一些包括小分子在内的单分子吸附层的摩擦行为。
它的主要缺陷是采用云母作为摩擦副，滑动速度很低，这些与真实工况差异太大。
（二）垫层光干涉法该方法首先是采用一个垫层代替膜厚，使最小可测量膜厚得以降低。
１９８８年，Ｓｐｉｋｅｓ和Ｇａｏ［５】采用斜垫层的办法，使润滑膜的厚度可以测晕到１０ｎｍ以下。
但是，由于该方法分辨率比较低且斜垫层制作困难，故误差较大。
１９９１年，Ｊｏｈｎｓｔｏｎ等人【６１，采用斜垫层和光谱分析结合的办法，将最小可测厚度降到５ｒｉｍ以下。
该方法比ＦＥＣＯ条纹法有了较大的提高，它更加接近于实际工况，也具有较宽的速度范围。
但仍存在以下缺陷：（１）水平方向分辨率较低，无法用于Ｈｅｒｔｚ区内各点膜厚差异的测量。
（２）由于金属膜或钢球表面的光反射率、透射率以及折射系数等都随波长而变化。
所以，不对波形加以修正必然会产生较大误差。
（３）无法考虑钢球表面粗糙度引起的膜厚变化。
（三）光干涉相对光强原理清华大学摩擦学国家重点实验室提出了采用光干涉相对光强比拟的方法来测量点接触中心区润滑膜的厚度并于１９９２年研制出纳米级润滑膜厚度测仪‘７，８１。
它克服了垫层法的缺陷，水平和垂直方向较垫层法均有更高的分辨率。
使纳米级润滑膜测量达到了可应用于实际工况模拟的程度。
并用此仪器研究了纳米级薄膜润滑的构性关系和变化规律【９】。
（四）受抑全反射法受抑全反射法测量膜厚法在清华大学摩擦学实验室首次用于测量薄膜厚度，已达到了纳米级的分辨率，但其缺点是基准的选择困难，并且膜厚小于１５ｎｍ时，检测误差较大【１０１。
（五）隧道扫描电镜以及原子力显微镜隧道扫描电镜ＳＴＭ和原子力显微镜ＡＦＭ应用于纳米科学研究，它们不仅是原子分子世界的观测手段，而且可作为排布原子的手段。
它也作为计算机磁盘表匝涂层的研究仪器［１１，１２］。
１．２．２计算机模拟方法计算机模拟在研究摩擦、润滑、磨损过程起着重要作用，尤其在几何形态，滑移条件和原子间作用力４膜片联轴器/东南大学硕士学位文（二）纳米颗粒的特异性能能否得到充分发挥，取决于高活性纳米颗粒混入介质的技术及颗粒／介质问的界面性质。
决定这些性质的因素包括了纳米颗粒的润湿性、表面活性、分散性、电磁吸收、抗烧结程度、晶型控制手段等。
在同一本体上要实现如此众多的功能，必须针对不同的使用环境对纳米颗粒进行不同的表面处理。
（三）表面改性技术还有利于改善成核和生长过程及随后的热处理过程。
纳米颗粒的粒径大小及其分布范围对材料的性能有着重大的影响。
通过控制其成核、生长方式和速率就可有效地控制尺寸及其分散度，从而对不同的应用对象具有不同的应用性能。
１．３．２纳米颗粒表面改性的实现方法随着纳米颗粒材料制备技术的发展，新的纳米颗粒材料体系不断被开发出来，纳米颗粒材料在工业各领域的应用不断扩大，为此，纳米颗粒表面改性技术也随之获得发展。
目前，纳米颗粒表面改性技术方法很岁１４１。
按照改性原理笼统的划分，纳米颗粒表面改性方法可以分为两大类：（一）表面物理改性顾名思义，表面物理改性就是改性物质与纳米颗粒表面不发生化学反应，而是通过物理的相互作用（如范德华力、沉积包覆等）达到改变或改善纳米颗粒表面特性的目的。
目前，常用的纳米颗粒表面物理改性方法主要有以下两种方法：．（１）表面活性剂法：在范德华力作用下，将改性剂吸附在纳米颗粒的表面，达到纳米颗粒分散和稳定悬浮等目的。
（２）表面沉积包覆法：将一种物质（改性剂）沉积在纳米微颗粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包覆壳层来实现纳米颗粒表面改性的目的。
（－－）表面化学改性表面化学改性是通过改性剂与纳米颗粒表面之间发生化学反应而改变纳米颗粒表面的结构、化学成分及电化学特性等，达到表面改性的目的。
该修饰法是纳米粉体获得有效应用的重要措施，是纳米粉体材料研究与开发中的基础性课题。
由于纳米颗粒比表面积很大，表面键态，电子态不同于颗粒内部，表面原子配位不全导致悬挂键大量存在，使这些表面原子具有很高的反应活性，极不稳定，很容易与其它原子结合，这就为人们利用化学反应方法对纳米颗粒表面改性提供了有利条件。
分子动力学模拟方法在纳米颗粒反应中的应用
分子动力学模拟方法在纳米颗粒反应中的应用概述：纳米颗粒是一种材料尺寸在1-100纳米之间的微小颗粒，具有特殊的物理和化学性质。
纳米颗粒的研究和应用已经成为材料科学和工程领域的热点。
为了深入了解纳米颗粒的性质以及其在催化、储能和传感等领域的应用，分子动力学模拟方法成为一种重要的研究手段。
本文将介绍分子动力学模拟方法在纳米颗粒反应中的应用。
一、分子动力学模拟方法简介分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）模拟是一种计算化学方法，通过数值模拟粒子之间相互作用的运动轨迹，研究物质的宏观性质以及微观运动行为。
它模拟物质在一定时间范围内的动力学行为，通过用牛顿运动定律计算粒子的运动轨迹，并通过引入势能函数来描述粒子的相互作用。
由于其可以在原子或分子尺度上描述系统，MD方法在研究纳米尺度颗粒反应中具有广泛的应用。
二、纳米颗粒反应的MD模拟方法1. 动力学模拟的体系建立在MD模拟中，首先需要建立包含纳米颗粒的反应体系。
通过将纳米颗粒置于模拟盒中，并添加适合的溶剂和其他反应物，来模拟实际反应环境。
对于纳米颗粒来说，需要确定其原子组成和结构，确定溶剂的类型和浓度，确定其他反应物的浓度和反应条件等。
通过合理设计模拟体系，可以模拟出真实反应体系的动态行为。
2. 势能函数的选择在MD模拟中，势能函数用于描述粒子之间的相互作用力，其中包括键长势、键角势、二面角势和非键相互作用势等。
对于纳米颗粒的反应系统，需要选择适合的势能函数，以准确地描述颗粒的化学反应过程。
一般而言，常用的势能函数有Lennard-Jones 势能、Coulomb势能、Buckingham势能等。
选择合适的势能函数可以准确地模拟反应体系的能量变化。
3. 模拟算法MD模拟中，需要对系统内粒子的运动轨迹进行数值计算，并根据粒子之间的相互作用力来更新粒子的位置和速度。
一般常用的模拟算法有Verlet算法、Leapfrog算法和Euler算法等。
纳米尺度下润滑摩擦分子动力学模拟
定程度上已经限制了芯片性能的提高。
因此，如何消除芯片工作过程所产生的热量，降低芯片的温度是芯片稳定工作的基本条件。
要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走是一个富有挑战性的课题，其困难在于［５］：首先，冷却空气的速率不能太高，否则会产生声学噪音；其次，器件结构小型化和紧凑性要求仅允许保留有限的空问用来冷却流体；再次，由于器件的小型化，在模块上安装大容量热沉（扩展表面）是不合理的，同时也是不允许的；最后，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封装芯片，而这又会增大芯片与模块表面之间的导热热阻，将会使热量主要聚集在基底材料上。
微电子器件的性能和可靠性对温度十分敏感，当温度在７０１２’８０１２水平上每增Ｎ１℃，器件的性能和可靠性将下降５％。
正如Ｉｎｔｅｌ科学家Ｐａｃｋａｎ指出的那样，若继续按照Ｍｏｏｒｅ定律缩小芯片的尺寸并同时提高其性能，则硅基芯片将很快达到其熟力学极限。
因此，微电子器件的冷却问题早在８０年代中期已成为国际微电子界和国际传热界的热点［４］。
当今的电子部件需要更快的速度来完成工作任务，因此必须制造出更高性能的集成电路来图１－１附着在Ｐ４ｓｏｃｋｅｔ４７８ＣＰＵ散热片上的微流管吸热器满足这一需求，这些高速电路会产生大量热量从而可能使得电路超过它的允许温度。
为了解决这一问题，ＴｕｃｋｅｒｍａｎａｎｄＰｅａｓｅ［６］在１９８１年提出了微流管散热。
微流管散热器以一种相当简单的方式运行，多重微流管制造在电子部件基地的背面，通过强制对流，这些电子部件产生的热量被传递到冷却液。
流管的微小尺寸导致了热边界层厚度的下降，这导致了热传递的对流阻抗的下降，从而达到一个高的制冷率。
图１—２微流管制冷系统的工作原理图卜１为附着在Ｐ４ｓｏｃｋｅｔ４７８ＣＰＵ散热片上的微流管吸热器，通过液体从吸热器回流到散热片，传递热量到空气中，然后流入安置在散热片下面的微泵，微泵驱动液体流回微流管吸热器，完成一个封闭循环。
图１－２为微流管系统制冷的工作原理，对于高热量半导体的微流管冷却循环系统包括三个部分，刻蚀在硅芯片上的微流管吸热器带走吸取由芯片产生的热量的流体；然后流体到达散热器，在这里热量传到空气中，最后冷却的液体回到动电式微泵，由微泵推回到微流管吸热器，形成一个封闭的回路，从而实现连续制冷。
纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟
纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟黏滑现象（Stick-slip phenomenon）是一种不稳定的摩擦现象，其表现为物体在运动过程中时有时无的摩擦力，出现“黏滑”交替的现象。
这种现象在生产生活中非常常见，如钢材切割、机械零件接合、润滑油的摩擦等。
为了深入研究黏滑现象的本质和规律，可以通过分子动力学模拟的方法来进行研究。
纳米尺度下的黏滑现象具有与宏观尺度不同的特征，主要表现在三个方面：①分子之间的相互作用力更为显著；②温度的影响更加显著，可能对摩擦力和黏滑现象产生影响；③表面形貌和化学特性的差异对摩擦力和黏滑现象产生较大影响。
在纳米尺度下，物体表面存在大量的微观起伏和凹凸，这些起伏和凹凸给黏滑现象的起源提供了基础。
即使两个表面看似非常平滑，实际上也存在着微观上的起伏和凹凸。
当两个表面接触时，由于分子之间的吸引力，会出现局部的黏附现象。
如果两个表面相对运动的速度足够小，黏附力足以克服等效于微观形状间距离的组合力，使得物体保持在黏附状态，即“黏上”。
如果两个表面相对运动的速度达到一定程度，黏附力不能再克服间距离力，物体就会突然脱离黏附状态，即发生“滑动”，此时会出现摩擦现象。
为了研究纳米尺度下的黏滑现象，可以通过分子动力学模拟来模拟这一过程。
以大分子聚乙烯（PE）为例，可以采用蒙特卡洛（MC）模拟或分子动力学（MD）模拟的方法。
在模拟过程中，需要考虑聚乙烯链的构象、相互作用势能、热力学参数以及表面形貌等因素。
模拟的第一步是确定模型。
模型中需要包含聚乙烯链的有关信息，包括分子的结构和互相作用部分。
可以通过量子化学计算、实验测量或文献数据获取聚乙烯链的参数，如链长、链密度、分子结构、键能等等。
然后，需要建立分子动力学的势函数，通过确定分子之间的相互作用力计算出分子的力场和能场。
接下来需要生成聚乙烯链在纳米表面上的排布，可以通过随机仿真、动态平衡仿真等方法。
在建立初始构象之后，需要将聚乙烯链放置在具有不同化学特性表面上，例如亲水性表面、疏水性表面等。
纳米切削分子动力学仿真的研究进展
恒温层是为了使系统温度保持恒定
边界区的原子始终保持不动也不发生振动
图1分子动力学仿真切削模型
三维分子动力学计算模拟
采用三维纳米切削过程模拟可以有效地表现 刀具和工件的三维结构 一定程度上可以丰富刀具和工件形状的变化方式 增加纳米加工的种类 图2纳米切削分子动力学模拟三维模型 硬件 采用巨型计算机
采用并行算法，将大规模的分子动力学计算问题通过并行化处 理实现快速、高效的仿真计算过程
对纳米加工过程仿真技术的研究正处于蓬勃发展的阶段， 分子动力学将作为一种有效地仿真工具以分子或原子的观点 为人们认识微观现象提供强有力的帮助。目前，分子动力学 仿真技术还处于发展时期，存在着势函数数量有限、仿真规 模较小、耗时长、仿真模型较简单等问题。然而，计算机模 拟技术已经成为理论分析和实验观察之外的第三种科学研究 手段，相信随着新的方法和理论的充实和巩固，分子动力学 仿真技术将会在未来纳米加工领域发挥其重要的作用，同时 对纳米加工过程的认识也将实现新的飞跃。
谢 谢
纳米加工的仿真规模和模拟尺度 软件
研究新的可以提高分子动力学 速度的方法来实现
多尺度模拟方法(Multi-scale Modeling Simula-tion)的基 本 思想是把分子动力学模型嵌入到连续介质模型中去，采用பைடு நூலகம்子 动力学方法计算感兴趣的微小区域,而其它区域则采用连续介质 力学方法(如有限元法FEM)进行计算，继而达到减小计算量、 保 持计算精度、提高计算规模的目的。
双铁块约束的2纳米颗粒(金刚石和二氧化硅)摩擦学性能的分子动力学模拟
双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟关键词：金刚石纳米颗粒二氧化硅纳米颗粒分子动力学摩擦学行为摘要通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。
在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。
由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。
然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。
没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。
这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。
然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。
引言添加纳米颗粒大小为1～120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。
实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。
然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。
这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。
事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。
这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。
然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏理论支持与直接证据。
表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。
此外，纳米粒子的润滑机理随着润滑状态的变化而变化。
还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。
例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。
周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。
这些问题是不容易解决的实验。
因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。
对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。
纳米润滑油添加剂抗磨减摩分子动力学模拟研究
纳米 润 滑 油添 加 剂 抗磨 减摩 分 子动 力 学模 拟研 究
刘 芳 熊 Байду номын сангаас 唐 智
广东广州 ５ ００ ） １０６
（ 广东工业大学机电工程学院汽车工程系
摘 要 ：研究 分 子 动力 学模 拟 的基 本 原理 ，建 立摩 擦副 的分 子 动 力 学 模 型 。通 过 计 算 对 磨 材 料 原 子 与被 磨 面 材 料 原
线 的变 化 趋势 。结 果 表 明有 中间纳 米 Ｃ 润 滑层 的 Ｆ／ ｕ摩擦 副具 有 良好 的摩 擦 性 能 。 ｕ ｅＣ 关 键 词 ：纳米 粒 子 ；润 滑 油 ；分 子动 力学 模 拟 ；摩 擦磨 损
中 图分 类 号 ：Ｔ ｌ７ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ： ２４— １０ （ｏｏ Ｈｌ ０ ５ ０ ５ ２ ｌ ）４— ９ ３ ０４—
ｎ ／Ｃ ｒ ｔ ｎ ｓ ｒａ ｅ ｒ ｉ ｌｔｄ Ｔ ｅ ｒｓ ｌｓｏ ｌｃ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｉ ｌ ｔ ｈ ｗ ｔｔ ｒ ｏｏ ｉａ ｃ ａ ｃ ａ ｄ Ｆｅ ｕ ｆ ｃ ｏ ｕ ｆｃ ｓｗｅ ｅｓｍｕ ａｅ ． ｈ ｅ ｕｔ ｆｍｏｅ ｕ ａ ｙ ａ ｃ ｓｍｕａｉｎ ｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｔ ｂ ｌｇｃ ｈ ａ ． ｉｉ ｌ ｏ ｈ ｈ ｉ ｌ ｒ
开题报告-微尺度轴承润滑的分子动力学模拟
机械科学与工程学院本科生毕业论文开题报告学生姓名：_______________学号: ___________________班级：__________________专业：机械工程及自动化指导教师：_______________开题报告1、课题名称微尺度轴承润滑的分子动力学模拟2、课题背景机电一体化技术的发展为机械向微小型方向演化提供了动力。
上世纪80年代后期，微机电系统逐渐兴起（简称MEM）该系统由尺寸范围为毫米、微米乃至纳米级的微型机械组成，集微机构、微传感器、微驱动器、微执行器和微控制器于一体。
MEM技术目前已开始在我国的社会生产中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物芯片的制造工艺等。
本文主要针对于微尺度动压滑动轴承分析其润滑状态。
微尺度轴承主要应用于信息器件及航空航天领域。
经过超精密制造的微尺度机械，由于其自身尺寸的减小，摩擦副的间隙常处于纳米级，有时甚至出现零间隙。
该尺寸效应的存在使得其在运动过程中粘着力、摩擦力以及表面张力比传统机械中的体积力表现得更为突出，成为影响其自身性能、稳定性和使用寿命的关键因素。
本文所讨论的主要问题为微尺度轴承的润滑行为，旨在研究微尺度轴承的润滑方式以及其流体润滑特点，探讨液体润滑膜的性质变化，同时利用壁面性质提出新的动压轴承模型。
3、国内外相关技术上世纪80年代，加州伯克利大学率先制造出直径为60」m,厚度为1 J m的微型马达，开创MEM技术的先河。
上世纪90年代，MEM技术逐渐商业化，但由于摩擦理论发展不完善，很大程度上制约了产品尺寸。
微纳尺度的摩擦体系与宏观摩擦体系的主要区别在于：1）在微纳尺度下，摩擦因数不再独立于载荷以及表面间的接触面积；2）许多力的作用已无法忽略，如静电作用力及范德华力；3）微纳尺度下其自重与粘着力相比可忽略。
为解决这些问题，纳米摩擦技术（nanotribology ）应运而生。
微纳尺度机械在润滑过程其表面难以形成连续薄膜。
分子动力学模拟在纳米材料研究中的应用
分子动力学模拟在纳米材料研究中的应用近年来，随着纳米科技的发展，纳米材料研究受到了广泛的关注。
而在纳米材料研究中，分子动力学模拟作为一种重要的工具，被广泛运用于理解纳米材料的性质与行为。
本文将探讨分子动力学模拟在纳米材料研究中的应用，并从理论和实验两个方面进行论述。
一、理论方面1. 分子动力学模拟的基本原理分子动力学模拟是基于牛顿力学的一种计算模拟方法，通过数值计算的方式模拟物质在宏观尺度上的运动行为。
它以分子为基本单位，通过求解分子间相互作用力的运动方程，来揭示物质的结构、动力学和热力学性质。
2. 纳米材料的构建与模拟在分子动力学模拟中，首先需要构建纳米材料的模型。
对于晶体材料，可以使用周期性边界条件，通过复制单个晶胞来构建大尺寸的模拟体系。
对于非晶材料，可以使用随机排列的粒子来构建模拟体系。
3. 分子动力学模拟的算法与参数分子动力学模拟中常用的算法包括Verlet算法、Leap-Frog算法等。
同时，模拟过程中还需要定义分子的力场模型，包括势能函数、电荷分布等参数。
这些参数的选择对于模拟结果的准确性和可靠性至关重要。
4. 纳米材料的物性研究通过分子动力学模拟，可以研究纳米材料的多种物性，如力学性质、热学性质、电学性质等。
例如，可以模拟纳米材料的拉伸、压缩、扭转等力学行为，来预测其力学性能。
此外，还可以计算纳米材料的热导率、热膨胀系数等热学性质。
二、实验方面1. 纳米材料制备与表征在纳米材料研究中，制备和表征纳米材料是不可或缺的环节。
通过合成方法，可以制备出具有特定形貌和尺寸的纳米材料样品。
而分子动力学模拟可以提供重要的参考，帮助选择实验制备的条件和参数。
2. 实验验证与对比分子动力学模拟的结果可以为实验提供重要的指导和解释。
在实验过程中，通过对比实验结果和模拟结果的差异，可以验证模拟的可靠性，并提供有关纳米材料行为的深入洞察。
3. 理论模型的拓展与修正分子动力学模拟也可以为实验提供理论模型的拓展和修正。
纳米单峰粗糙壁面润滑模型的分子动力学模拟
ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｗａｌｌ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｍｏｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ａｎｄ ｂｕｍｐ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
应和应力变化ꎬ以及不同剪切速度条件下润滑剂和凸峰的状态变化ꎮ 结果表明:温度对角鲨烷润滑油
膜的分层现象影响较小ꎬ对凸峰之间的粘着现象影响显著ꎻ较高的相对运动速度有利于减小磨损ꎻ混
合摩擦状态时ꎬ两凸峰接触界面中有少量角鲨烷分子存在ꎬ且分子长链方向与剪切方向一致ꎮ
关键词:角鲨烷ꎻ边界润滑ꎻ分子动力学ꎻ粗糙接触ꎻ剪切流动
纳米单峰粗糙壁面润滑模型的分子动力学模拟 ∗
鲁石平ꎬ潘 伶ꎬ陈有宏
( 福州大学 机械工程及自动化学院ꎬ福州 ３５０１１６)
摘要:为研究角鲨烷润滑油膜在固定压强、不同温度和不同剪切速度下的边界润滑行为ꎬ建立了具有
单峰粗糙面的边界润滑模型ꎮ 分析润滑油膜的密度分布ꎬ以及在剪切运动过程中固体壁面的力学响
第１ 期
２０２０ 年 １ 月
组合机床与自动化加工技术
Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ＆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｎｏ. １
Ｊａｎ. ２０２０
文章编号:１００１ － ２２６５(２０２０)０１ － ００２９ － ０５ ＤＯＩ:１０. １３４６２ / ｊ. ｃｎｋｉ. ｍｍｔａｍｔ. ２０２０. ０１. ００８
中图分类号:ＴＨ１１７ꎻＴＧ６５９ 文献标识码:Ａ
分子动力学模拟在纳米技术领域的应用
分子动力学模拟在纳米技术领域的应用纳米技术是当今科技领域的热点之一。
其在材料、能源、医疗等多个领域都有广泛的应用。
然而，随着纳米尺度下材料的不断发展，传统的实验方法已经越来越难以满足需求。
因此，分子动力学模拟成为了一种有效的工具，在纳米技术领域的应用越来越广泛。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理（即F=ma）的计算方法。
通过描述分子间相互作用的势能函数，分子动力学模拟可以模拟分子在不同条件下的运动和相互作用。
这种方法可以用于探究材料的基本性质、研究反应机理等。
在纳米技术领域中，分子动力学模拟主要用于两个方面：纳米材料的设计和纳米加工过程的优化。
首先是纳米材料的设计。
纳米材料的特性往往受到其表面的影响。
通过分子动力学模拟可以模拟纳米材料表面的微观结构和化学反应，研究其对纳米材料性质的影响，从而设计出更好地满足需求的纳米材料。
例如，研究纳米银的表面结构可以帮助改善其抗菌性能，研究纳米碳管的表面形态可以提高其载药能力等。
其次是纳米加工过程的优化。
纳米加工过程中，常常需要考虑到纳米材料与基底之间的相互作用、纳米材料的生长方向等问题。
这些问题可以通过分子动力学模拟来研究。
例如，在生长纳米钻石膜的过程中，分子动力学模拟可以帮助研究钻石原子在表面的行为，从而优化生长条件，得到更好的钻石膜。
除了以上两点，分子动力学模拟在纳米技术领域还有其它的一些应用。
例如，在纳米润滑剂领域，分子动力学模拟可以帮助研究润滑剂分子在表面滑动时的行为，并优化润滑剂的性能。
在纳米电子器件领域，分子动力学模拟可以帮助研究纳米电极间的相互作用，优化电子器件性能。
不过，分子动力学模拟也有其局限性。
首先，分子动力学模拟的计算量很大，需要使用大量计算资源。
其次，模拟结果的可靠性也需要进一步验证，不能仅仅依靠模拟得出的结果。
因此，分子动力学模拟应该与实验相结合，相互协作，得出更加可靠的结论。
总之，分子动力学模拟在纳米技术领域的应用是十分广泛的，并且在纳米材料的设计和纳米加工过程的优化等方面发挥了巨大的作用。