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随着微纳米电子机械系统(nano/micro-electro and mechanical systems,N/MEMS)的发展及其在工业上的广泛应用,研究物质在纳米尺度下的特性显得日益迫切和重要。近十年来,国内外学者针对MEMS系统的摩擦学问题,开展了相对广泛的研究和探索,研究工作主要集中在MEMS系统微接触表面间摩擦、磨损及粘着行为,纳米尺度上表面改性和分子超薄膜润滑等方面。物质在纳米尺度下的物理性质及其对环境变化的响应会有很大的变化。在纳米尺度下,尺寸效应,表面效应对力学行为产生本质的影响,导致纳米力学性能与宏观结构有着根本的差别,因此微型机械构件的力学特性、摩擦行为会在更大程度上受到物质所处的环境、表面力等各种因素的影响,其中物质的摩擦及润滑行为是非常重要的一个方面。
本文阐述了纳米电子机械系统利微纳米摩擦学研究的进程后,介绍了分子动力学(Molecular dyhamics,MD)模拟的基本原理并讨论了分子动力学模拟方法的详细步骤,对各种分子动力学方法的分类和运用场合进行了说明。
在此基础上对体态水进行了模拟,通过径向分布函数、密度等参数的模拟值与实验值的比较,证明了我们模拟程序的正确性,为后面进行双电层怼纳米流体润滑与摩擦影响的模拟奠定了基础。
采用分子动力学方法对带电和不带电两硅板之间的水分子润滑薄膜进行模拟研究,通过加双电层的水分子薄膜润滑与未加双电层薄膜润滑摩擦属性的对比,发现摩擦系数在存在双电层的情况下比未加双电层时要小,两极相对滑动速度对摩擦系数的影响与未加双电层时相似,相对滑动速度越大,摩擦系数在一定的速度范围内平稳增大。当速度大于某个数值时,摩擦系数增大变快。两极之间水分子以及离子密度或数目分布在靠近壁面的地方较大,中间密度相对较小。
最后介绍了纳米轴承润滑的分子动力学模拟,并给出了一些模拟结果。