单晶铜纳米接触过程分子动力学及多尺度模拟研究

发布时间：2017-04-01 23:06

  本文关键词：单晶铜纳米接触过程分子动力学及多尺度模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微机电系统(MEMS)的快速发展,器件的尺寸越来越小,达到微米甚至纳米级。这些微纳米器件在工作过程中,由于尺寸的减小,接触过程中表现出与宏观机械接触不一样的特性。这些器件的微观接触特性直接影响到微纳米器件的工作性能和使用寿命,对微纳尺度下的接触研究对微器件的使用加工以及对整个微机电系统的发展都有极其重要的作用。 本文的课题来源是导师的国家自然基金项目“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”,同时结合微机电系统中微机械接触问题进行了研究。首先采用分子动力学方法模拟单晶铜纳米尺度的平面—平面纳米压痕过程,研究了纳米尺度条件下的平面副的接触特征。考虑到在实际的接触过程中,材料表面往往存在大量的缺陷,所以采用分子动力学的方法模拟了刚性半球体在单晶铜缺陷表面的滑动摩擦过程,研究表面微凸体对滑动摩擦过程的影响。 对用宏观材料的力学特性,研究过程中一般认为是各向同性的,但是对于微观纳米尺度下的晶体材料,由于接触过程中晶面晶向的不同对材料的力学性能和变形都会产生影响。本文采用分子动力学方法模拟单晶铜三个不同晶面条件的纳米压痕过程,研究其力学特性及晶体内部的位错变形情况,证明了晶体铜在纳米尺度下的各向异性。 分子动力学模拟可以很好的模拟纳米尺度下的接触滑动摩擦过程,但是受到模型尺寸和计算机计算能力等因素的限制。多尺度耦合方法通过将分子动力学方法与有限元法耦合,可以有效的克服分子动力学的不足。本文对多尺度耦合方法进行了探讨,并采用多尺度方法中的准连续介质法(QC),模拟研究了单晶铜两凸台平移接触过程。 对于微尺度的纳米接触过程的研究,计算机模拟结果还需要通过具体的实验来验证。本文采用纳米压痕仪和原子力显微镜(AFM),通过纳米接触实验,研究纳米尺度下单晶铜的纳米压痕和滑动摩擦行为,同时研究了单晶铜不同晶面对纳米压痕和纳米划痕的影响。
【关键词】：纳米尺度 分子动力学 多尺度耦合 纳米接触 单晶铜
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1;TH-39
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 微纳尺度接触行为的研究12-20
• 1.2.1 微尺度纳米压痕研究现状13-15
• 1.2.2 微尺度纳米滑动摩擦研究现状15-19
• 1.2.3 微尺度纳米接触过程的多尺度研究19-20
• 1.3 本文研究内容20-23
• 第二章 分子动力学模拟及相关接触理论23-37
• 2.1 分子动力学模拟23-31
• 2.1.1 分子动力学运动方程23-24
• 2.1.2 分子动力学运动方程求解24-27
• 2.1.3 分子动力学模拟边界条件27-28
• 2.1.4 分子动力学模拟中原子分布与初始速度28
• 2.1.5 分子动力学模拟中的原子势函数28-30
• 2.1.6 分子动力学模拟中的温度调节30-31
• 2.2 相关接触理论31-36
• 2.2.1 接触力学理论31-33
• 2.2.2 摩擦理论33-36
• 2.3 本章小结36-37
• 第三章 单晶铜纳米接触过程分子动力学模拟37-57
• 3.1 分子动力学模拟软件37-39
• 3.2 单晶铜纳米尺度平面-平面接触过程模拟39-44
• 3.2.1 分子动力学模型39-40
• 3.2.2 模拟结果与分析40-43
• 3.2.3 结论43-44
• 3.3 刚性球面与缺陷表面滑动摩擦过程模拟44-49
• 3.3.1 分子动力学模型44-45
• 3.3.2 模拟结果与分析45-49
• 3.3.3 结论49
• 3.4 不同晶面单晶铜的纳米接触模拟49-56
• 3.4.1 不同晶面纳米接触模型的建立50-51
• 3.4.2 模拟结果与分析51-55
• 3.4.3 结果与讨论55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 单晶铜纳米接触过程多尺度模拟57-67
• 4.1 多尺度耦合理论57-62
• 4.2 单晶铜纳米接触的多尺度模拟62-65
• 4.2.1 接触模型的建立62-63
• 4.2.3 模拟结果与分析63-65
• 4.3 本章小结65-67
• 第五章 单晶铜纳米接触过程实验研究67-75
• 5.1 纳米接触实验设备67-69
• 5.2 单晶铜纳米压痕实验69-72
• 5.2.1 实验器材69
• 5.2.2 实验过程69
• 5.2.3 实验结果与分析69-72
• 5.3 单晶铜滑动摩擦实验72-74
• 5.3.1 实验器材72
• 5.3.2 实验过程72-73
• 5.3.3 实验结果与分析73-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 主要工作与总结75-76
• 6.2 创新点76
• 6.3 未来展望76-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-85
• 附录A：本人在攻读硕士学位期间的科研情况85-87
• 附录B：LAMMPS部分程序87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 黎军顽;倪玉山;林逸汉;罗诚;江五贵;;Al薄膜纳米压痕过程的多尺度模拟[J];金属学报;2009年02期

2 杨晓京;詹胜鹏;迟毅林;;纳米尺度接触过程分子动力学模拟[J];农业机械学报;2012年11期

3 丁衡高;微机电系统的科学研究与技术开发[J];清华大学学报(自然科学版);1997年09期

4 王华滔;秦昭栋;倪玉山;张文;;不同晶体取向下纳米压痕的多尺度模拟[J];物理学报;2009年02期

5 杨晓京;方聪聪;;球形压头与单晶铝材料纳米接触过程的多尺度分析[J];物理学报;2013年18期

  本文关键词：单晶铜纳米接触过程分子动力学及多尺度模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：281451