不同因素下镍铜双层膜表面摩擦行为的研究_郜家伟.pdf

第 卷 第 期 年 月材 料 科 学 与 工 艺 .：不同因素下镍铜双层膜表面摩擦行为的研究郜家伟，姚廷强，谢家琛，李廷涛，霍冀鲁（昆明理工大学 机电工程学院，昆明）摘 要：材料在摩擦接触过程中的弹塑性变形对基体的力学性能具有重要影响。为研究镍铜双层膜在接触过程中的变形行为和力学特性，本文从原子轨迹、原子晶格结构变化、接触力和基体内部位错等方面，详细研究了表面纹理密度、纹理方向、晶体学方向、磨粒半径和接触深度等因素对摩擦接触过程的影响。结果表明：纳观纹理表面以及镀层的引入对接触力产生影响。镍膜晶体学方向对滑动接触过程影响显著，存在接触力最小的晶体学方向；凸体的分布角度对摩擦过程的影响较小；在界面作用下，特定纹理密度表现出一定的减摩作用；基体材料的接触力随着磨粒半径和接触深度的增大而增大；在不同因素及水平下，基体表现出不同的位错缺陷程度和原子堆积现象。关键词：纹理表面；黏滑摩擦；镍铜基体；减摩抗磨；分子动力学模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：网络出版日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：郜家伟（），男，硕士研究生通信作者：姚廷强，：期刊网址：微纳尺度下，材料表面的摩擦磨损具有明显的尺度效应，接触界面间的减摩抗磨问题一直是纳米技术研究领域的热点问题。微纳米元器件的设计、制造和安装过程中的摩擦磨损问题是不可避免的，零件表面形貌和润滑等摩擦因素对工件寿命起至关作用。研究微表面形貌及纳米金属镀层润滑的刮擦和磨削加工非常必要。目前分子动力学（，）模拟方法已经成为研究纳米尺度下材料测试和加工接触过程的有效方法，被广泛应用于纳米加工和摩擦磨损的研究。材料纳米尺度的纹理会影响基体材料的接触力学响应。如南江红等通过 方法研究了单晶铜基体的表面纹理方向和纹理密度对干摩擦接触过程的影响，研究表明，不同的纹理表面对摩擦力影响显著且不改变摩擦力的波动周期，但该研究未讨论金属镀层对铜基体的润滑效果。等采用 方法从位错、摩擦系数和原子堆积等角度研究了单晶铜基体的表面纹理和刮头数量对干摩擦接触过程的影响，结果表明表面纹理对材料堆积和塑性变形有重要影响。李勇等针对单晶铜切削过程中表面缺陷及加工过程中切屑堆积效应进行了原子尺度模拟，研究表明切削厚度和速度越大，位错缺陷区域越大，表面的微小缺陷不影响摩擦过程。等研究了金刚石磨削碳化硅的机理，研究发现温升效应主要来源于塑性变形生热和摩擦生热。等从硅铜双层膜及化合物的角度研究了接触过程中基体变形和裂纹形成的机理，结果表明位错和塑性变形主要集中在铜膜区域。等研究了磨削速度、磨削深度和磨粒尺寸对单晶镍基体的亚表面缺陷的影响，研究发现，接触过程中因黏附作用导致的弹塑性变形是造成摩擦力波动的主要原因。为了降低接触过程的摩擦磨损，通常会选择在工件表面进行镀膜处理，金属镍通常被选作为材料的保护层。如马俊等研究基底纹理密度、干涉深度和刮头尺寸对镍铜双层膜刮擦行为的影响，研究表明纹理的差异会造成不同程度的位错缺陷，特定纹理具有一定的减摩效果，镍膜可以有效抑制裂纹的扩展，但该研究未讨论镍膜晶格角度及矩形凸体纹理方向对刮擦过程的作用。张岩对镍铜双层膜进行了机械性能研究，研究发现，切削速度越大越容易产生位错及应变，容易造成加工硬化现象。等研究了镍铜双层膜在磨削条件下的表面损伤情况。等采用电沉积技术研究了镍铜薄膜的生长及其表面形貌，结果表明镍铜薄膜的表面粗糙度与温度为正相关关系。综上研究表明，表面纹理、磨粒尺寸和接触深度等因素对微纳尺度下的加工和刮擦接触过程产生影响。目前，大多数研究集中于微纳尺度的干摩擦接触，尚未见在双层膜的基础上考虑纹理方向和材料晶体学方向对镀膜润滑刮擦影响的研究报道。因此，微纳尺度下镀膜润滑摩擦和磨损机理有待进一步深入研究。本文在镍铜双层膜的研究基础上，考虑了双层膜下的表面纹理和晶体学方向对镍铜双层膜刮擦接触的影响，利用 方法分析了不同纹理条件下晶体学方向、纹理方向、磨粒半径和接触深度等因素对镍铜双层膜摩擦过程和基体变形的影响，以期为金属膜的摩擦性能和超精密加工提供参考。分子动力学建模刚性半球体与弹性基体的接触模型是接触力学研究所采用的经典接触模型之一。受限于分子力学建模条件，在多层膜工况下采用经典的矩形凸体来表征粗糙表面形貌。此模型是在铜基体的基础上，引入了镍膜晶体学方向和矩形凸体纹理方向等因素，研究刚性磨粒对镍铜基体的刮擦作用。图 为本文构建的分子动力学模拟仿真模型的三维示意图。该模型由 部分组成，分别为磨粒、基体上部的镍膜及下部的铜膜。弹性基体分为 个层，分别是固定层、恒温层和牛顿层，固定层和恒温层的厚度为 。基本模拟参数如表 所示，基体 个维度的尺寸分别为 。根据微纳尺度条件下表面形貌的研究结论，对镍铜基体采用矩形纹理。矩形纹理的参数分别由，和 表征，其中 和 分别为 和 。个坐标轴方向分别对应镍铜基体原子的 、和 晶向，其中 和 方向设置为周期性边界条件，方向为自由边界条件。模拟过程中控制恒温层的温度为。在建模时，磨粒与基体保持适当的距离有助于体系在弛豫阶段达到平衡状态。在整个模拟接触过程中采用了 模拟系综，磨粒始终沿 正方向进行移动。在接触过程中基体会承受来自平行于磨粒运动方向（方向）的切向力和垂直于磨粒运动方向（方向）的法向力。Grainsxyz351016Fix layerThermostat layerCu filmNi filmab cDeformed layer2图 金刚石磨粒与镍铜基体分子动力学接触模型的三维示意图（单位：）第 期郜家伟，等：不同因素下镍铜双层膜表面摩擦行为的研究表 基本模拟参数 基体尺寸接触区间刮擦速度（）刮擦深度与磨粒半径之比（）磨粒半径，、和 、镍铜基体采用嵌入原子作用势函数（，）描述 原子、原子和 原子间的相互作用。势函数公式为：（）（）（）（）（）式中：为整个系统的原子势能；为原子 和原子之间的距离；为原子嵌入时的嵌入能；为除 之外的所有原子在 处产生的电子密度；为原子 在原子 处产生的电子密度函数。在势函数确定后，通过对势函数中 求导就可得出原子间的作用力，即（）（）作用在第 个原子上的总原子力等于其截断半径内所有原子对该原子作用力的合力，即（）（）使用 势函数描述 和 原子间的相互作用。势函数公式如下：（）()()（）（）（）（）式中：为相互作用能量；为用来描述势能最低点至势能为零的差的能量参数；用来反映原子间的平衡距离；为原子对间的真实距离。如表 所示，单原子间 势函数参数为：，。单原子间势函数参数为：，。单原子间 势函数参数为：，.。故由上述公式可得：原子间的作用参数为：，。原子间的相互作用参数为：，。本模拟采用 软件进行分子动力学模拟，采用 软件对模拟结果进行可视化分析，通过共近邻分析（，）和位错分析（，）命令分析原子的瞬态特征及基体的变形情况。表 势函数原子间作用参数 原子对类型势能参数，平衡距离，结果与讨论 纹理方向和镍膜晶格角度对刮擦过程的影响不同于宏观状态下的接触分析，微纳尺度下需要考虑到各向异性对模拟结果的影响，故本工作考虑了 种晶体学方向和 种纹理方向的工况，对镍铜基体进行刮擦模拟。根据文献的设置方法，综合考虑本文模型的镍铜双层膜特点，选取了合适的纹理方向和晶体学方向模拟水平，在建模过程中完成初始的晶体学方向和纹理方向参数的设定。具体参数设置如表 所示。表 纹理方向与晶体学方向对刮擦影响的模拟参数 磨粒半径接触深度与半径之比（）镍膜晶格角度，（）纹理方向，（）矩形凸体密度，、由于晶体学方向的表达较为复杂，故采用晶格角度代替晶体学方向，以下均采用晶格角度进行表述。以 晶格角为例，此工况下、和 轴分别对应、和的晶格方向。此外，晶体学方向参数的选取应是整数，且可以为非单位向量。具体模拟参数见表。表 晶格角度与晶体学方向参数对照表 晶格角度（）晶体学方向 、材 料 科 学 与 工 艺 第 卷 图 所示为 种纹理方向下的基体表面结构示意图。不同镍膜纹理方向在接触过程中的平均接触力随晶格角度的关系如图 所示。观察图（）和（）可知，在不同镍膜纹理方向下的接触力随晶格角度的变化趋势一致。研究发现，镍镀膜铜基体的接触力均值先降低再升高，镍膜 种纹理方向均在晶格角度为 时取得最小接触力。在同一纹理方向下的不同晶格角度间的接触力的均值之差较大，表明晶格角度对刮擦接触过程影响显著。研究发现，在定晶格角度下的不同纹理方向间的接触力的均值差异较小且无明显规律，说明镍膜的不同表面纹理方向对接触摩擦过程影响较小。(a)P=0(b)P=15(c)P=30(d)P=45(e)P=60(f)P=75图 种不同纹理方向示意图 0 20 40 60 80 100晶格角度,L/()P=0P=15P=30P=45P=60P=75(a)平均切向力-晶格角度曲线18016014012010080平均切向力,Ft/nN晶格角度,L/()(b)平均法向力-晶格角度曲线P=0P=15P=30P=45P=60P=75120100806040200-20平均法向力,Fn/nN0 20 40 60 80 100-10 -5 0 5 10 15 20位置,x/nm(c)切向力-位置曲线250200150100500-50切向力,Ft/nNP=0P=15P=30P=45P=60P=750-10 -5 0 5 10 15 20位置,x/nm(d)法向力-位置曲线100806040200-20法向力,Fn/nNP=0P=15P=30P=45P=60P=750图 不同纹理方向和晶格角度下的平均接触力曲线和接触力曲线 ：（）；（）；（）；（）第 期郜家伟，等：不同因素下镍铜双层膜表面摩擦行为的研究接触力随磨粒位移的变化曲线如图（）和（）所示。红线所在的 位置处表示基体的外侧与磨粒轴线重合处。分析可知，在 位置之前基体已受到磨粒的作用，切向力开始增大，表明在一定距离内原子间产生相互作用。接触初始的切向力随位移的增加而增加，而后切向力增加的速率降低，并伴随有不同程度的波动。表明在接触之初，接触面积和相互作用的原子数量有限，故切向力较小。随着磨粒接触的深入，接触面积以及相互作用原子数量增加，刮擦阻力增大，故切向力也随之增大。当磨粒完全进入基体，接触面积与相互作用的原子数量处于动态的稳定阶段，此时刮擦阻力及磨粒前进所需能量也达到稳定，因此切向力的增长速率变缓并趋于稳定。在 位置之前，法向力与切向力的变化趋势相同。随着磨粒完全进入基体，法向力的波动比切向力更剧烈，表明基体位错及原子结构重构现象受法向力的影响更显著。接触过程中基体的弹塑性变形、内部位错和原子晶格结构的重构对接触力的波动产生显著影响。由于晶格角度对刮擦过程影响显著，故本文进一步在纹理方向为 的工况下对 种晶格角度的镍铜基体摩擦接触过程进行讨论。刮擦后的纵向剖面原子构型图、表面原子分布图和内部位错及晶格重构原子分布图分别如图（）、图（）和图（）所示。(a)L=0(b)L=27(c)L=45(d)L=63(e)L=89(f)L=0(g)L=27(h)L=45(i)L=63(j)L=891310.8Z-axis/nm(k)L=0(l)L=27(m)L=45(n)L=63(o)L=89图 不同晶格角度下的基体磨损构型图：纵向刨面原子构型图（）、表面原子分布图（）和内部位错及晶格重构原子分布图（）：（）；（）；（）材 料 科 学 与 工 艺 第 卷 不同晶格角度下镍铜基体的弹塑性变形、原子堆积和位错在接触过后表现出明显差异。观察图（）、（），（）、（）和（）、（）可知，镍膜晶格角度为、和 的基体在刮擦过后变形最为严重，矩形凸体很难保持初始形状。沟道两侧产生大量的堆积原子，部分原子因黏附作用呈半环形包围磨粒并向四周扩散，磨粒底部产生大量的位错和晶格重构原子。由图（）、（）和（）可知，晶格角度为 时的矩形凸体变形程度次之，基本能够维持原来的形状，原子堆积、表面结构变形和位错程度较好。对应于晶格角度为 的图（）、（）和（）的位错和基体变形程度最小。观察图（）可知，在刮擦表现较好的工况下，表面原子分布完整且结构变形较小，沟