原子尺度摩擦能量耗散研究

发布时间：2017-09-23 07:32

  本文关键词：原子尺度摩擦能量耗散研究

  更多相关文章： 原子尺度摩擦 能量耗散率 分子动力学 晶格振动 声子耗散

【摘要】：自上世纪八十年代以来,摩擦学研究进入到一个崭新阶段。在实验方面,由于纳米技术的发展,扫描探针显微镜等仪器的出现,人们对于摩擦现象的研究已经深入到原子尺度;在理论方面,由于计算机技术的快速发展,大规模原子模拟成为可能,推动了微观摩擦机理的研究。本文采用理论计算与分子动力学模拟相结合的方法研究了原子尺度摩擦的动力学行为、能量耗散机理、晶格振动与声子耗散机制等内容,从而阐释了原子尺度摩擦的能量耗散过程。原子尺度摩擦从运动方式上来说可分为连续滑动和粘滑两种状态。动力学数学模型和分子动力学模拟的结果一致表明:多稳态是系统产生粘滑的直接原因。因此,影响多稳态的因素通常决定着原子尺度的摩擦行为。基于Prandtl-Tomlinson模型计算发现:滑动能垒、横向刚度是决定多稳态条件的重要因素。另外,阻尼系数对运动学行为也具有较大影响,具体表现为:高阻尼可以减少滑移后震荡时间,使系统迅速恢复到稳态。摩擦运动过程常常伴随着能量耗散,能量耗散是摩擦的本质和起源。关于原子尺度的能量耗散的量化研究可以更深刻地揭示摩擦机制。本文基于上述模型研究了原子尺度摩擦过程中的能量转化与耗散。结果表明:内外系统存在能量的可逆交换,这意味着在粘着阶段系统积累的能量并没有被完全消耗。据此定义了能量耗散率(EDR)来描述滑移中被永久消耗的能量占粘着阶段积累的总能量的比例。能量耗散率从0到100%的连续变化,覆盖平滑移动、中间过渡态、粘滑三个区域;此外,研究表明:实现超滑的两条可能途径,即平滑移动和热超滑——在能量耗散的角度下是统一的——即能量可逆性超滑。能量耗散通常有两种最基本的能量耗散途径:电子耗散和声子耗散,其中声子耗散由于与晶格振动密切相关,因此是更普遍的能量耗散形式,也是本文的重点研究内容。通过速度自相关函数方法来描述晶格的集体运动,我们研究了界面氢化金刚石结构的振动模态分布特点,系统描述了一个完整的粘滑周期中振动模态分布的变化过程。结果表明:在滑移瞬间体系会释放不同频率的声子,这些不同频率的声子与能量耗散密切相关,从而揭示了原子尺度摩擦的能量耗散机理。
【关键词】：原子尺度摩擦 能量耗散率 分子动力学 晶格振动 声子耗散
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O313.5
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 课题背景和意义8-10
• 1.2 原子尺度摩擦机理的研究10-13
• 1.2.1 IO模型10-11
• 1.2.2 FK模型11-13
• 1.3 能量耗散研究进展13-17
• 1.3.1 能量耗散机制综述13-14
• 1.3.2 声子耗散的研究进展14-17
• 1.4 论文的主要工作17-19
• 第2章 原子尺度摩擦的动力学特征19-41
• 2.1 数学模型计算方法简介19-23
• 2.1.1 Prandtl-Tomlinson模型19
• 2.1.2 Langevin方程19-21
• 2.1.3 Runge-Kutta迭代法21-22
• 2.1.4 物理背景及体系参数22-23
• 2.2 分子动力学模拟简介23-28
• 2.2.1 模拟过程及运动方程求解算法24-25
• 2.2.2 势函数介绍25
• 2.2.3 系综介绍25-26
• 2.2.4 周期性边界条件26-27
• 2.2.5 模拟体系27-28
• 2.3 原子尺度摩擦数值计算结果28-36
• 2.3.1 滑动能垒U的影响29-31
• 2.3.2 弹簧刚度k的影响31-32
• 2.3.3 阻尼系数 ? 的影响32-34
• 2.3.4 表面势能分布形状的影响34-36
• 2.4 原子尺度摩擦分子动力学模拟结果36-40
• 2.4.1 温度37
• 2.4.2 横向力37-39
• 2.4.3 体系能量39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 原子尺度摩擦的能量耗散41-56
• 3.1 体系能量计算方法简介41-42
• 3.2 能量转化和能量可逆性42-45
• 3.3 能量耗散率的影响因素45-53
• 3.3.1 相对势垒?45-49
• 3.3.2 阻尼系数 ?49-50
• 3.3.3 温度50-53
• 3.4 能量耗散率的理论推导53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 摩擦引发声子耗散的初步研究56-70
• 4.1 声子概念介绍56-57
• 4.2 振动模态分布计算方法57-58
• 4.3 摩擦过程中振动模态分布随时间的演变58-65
• 4.3.1 弛豫阶段的振动模态分布特征59-60
• 4.3.2 粘着阶段的振动模态分布特征60-61
• 4.3.3 滑移瞬间的振动模态分布特征61-63
• 4.3.4 震荡阶段的振动模态分布特征63-65
• 4.3.5 各阶段能量耗散65
• 4.4 振动模态分布逐层变化规律65-69
• 4.4.1 滑移瞬间的振动模态分布分层变化66-67
• 4.4.2 滑移后震荡期的振动模态分布分层变化67-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第5章 结论与建议70-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果79

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本文编号：904000