纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 10 (2013) 106801 纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究* † 王亚珍 黄平 ( 华南理工大学材料科学与工程学院, 广州510640 ) ( 2012年10月19 日收到; 2013年1月7 日收到修改稿) 表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的. 由于摩擦表面形貌的随 机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦 模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones 势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模 型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定. 通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式 和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明 界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源. 关键词: 随机粗糙表面, Lennard-Jones 势能, 微滑动摩擦力, 微摩擦 PACS: 68.35.Af, 34.20.Gj, 62.20.Qp DOI: 10.7498/aps.62.106801 本文以原子级光滑的界面和纳米级随机粗糙 1 引言 表面的接触为研究对象, 从原子间的Lennard-Jones (L-J) 势能出发, 对微观滑动摩擦力的产生机制进行 摩擦力和摩擦系数的定量计算研究一直是工 探讨, 研究其定量计算方法. 由于摩擦本身是一个 程界和物理学界研究的重点. 近年来随着多种微观 复杂的综合过程, 其影响因素很多. 本文主要通过 摩擦仪器的研制成功和使用, 人们在微纳米摩擦学 建立材料表面微观形貌和载荷大小与摩擦力大小 领域取得了明显的进展. 通过对界面微观摩擦机理 的关系, 并利用已有的实验数据进行计算和分析. 的研究, 不仅可以了解原子级界面黏滑运动产生的 通过深入的微观摩擦研究, 探索摩擦机理, 为微机 原因, 而且最终可能有望揭示摩擦的起源1−3 . 电系统的摩擦学设计提供理论指导. 以往对于界面微观摩擦的研究多数是以 原子级光滑界面为研究对象, 建立数学物理 2 数学模型 模型为主, 先后提出了微观摩擦能量耗散的 4 对于原子级光滑表面, 其表面势能可用下面的 “鹅卵石” 模型, Independent Oscillator (IO) 模型 , 5 简化式子表示: Frenkel-Kontorov (FK) 模型 和 FK-Tomlinson 67 8 (2x ) (FKT) 模型 等以及电子激励摩擦模型 , 并 u x −U cos (1) h 0 进行了大量的理论分析与实验对比研究. 但是, 实