Спросить
Войти
539.3, 539.6
КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ В НАНОКОНТАКТАХ
В.Г. Заводинский, О.И. Каминский
С помощью квантово-механического подхода (теория функционала плотности и метод псевдопотенциала) исследован процесс трения покоя в нанопарах Al-Al, W-W и Al-W в присутствии внешнего давления. Показано, что процесс трения сопровождается процессами деформации и разрушения. Коэффициенты трения для системы Al-Al с увеличением давления уменьшаются, а в случаях W-Wи Al-W- увеличиваются.
QUANTUM-MECHANICAL STUDY OF THE FRICTION IN NANOCONTACTS
The quantum-mechanical approach (the density functional theory and the pseudopotential method) is used to study the friction in the nano pairs (a rod and a slab) Al-Al, W-W and Al-W. It is shown that the process is accompanied by destruction of the rod and deformation of the slab. The friction coefficients decrease with pressure for the Al-Al system and increased in cases of the W-W, Al-W pairs.
Развитие новых физических методов исследования тонких приповерхностных слоев позволило перейти к изучению трения на уровне элементарных событий в динамических наноконтактах. Очевидно, что переход на атомарный уровень, где важнейшую роль играет квантовая механика, имеет отличие от классического представления трения в макро мире.
В данной работе предлагается исследовать процессы трения покоя, основываясь на квантово-механическом межатомном взаимодействии с использованием физики твердого тела, и тем самым понять его первопричинные механизмы.
Полученные результаты исследования на идеально гладких простых структурах будут полезны для дальнейшего изучения более сложных материалов, очень важных для сегодняшних механизмов и технологий, в которых трение покоя является актуальной проблемой, полученные результаты исследования позволяют также продолжить изучение трения скольжения.
В данной работе исследовано взаимодействие наноразмерных объектов алюминия и вольфрама с целью исследования процесса трения покоя.
Все расчеты, описанные в работе, произведены с помощью программного пакета FHI96md [1, 2], который применяется при изучении механических свойств различных наносистем. Этот пакет основан на теории функционала электронной плотности и методе псевдопотенциала [3]. В данной работе использовались псевдопотенциалы алюминия и вольфрама, построенные с помощью пакета FHI96PP[4] по схеме Труллера - Мартинса [5]. Во всех случаях выполнялась оптимизация атомной геометрии.
Для изучения процесса трения взяты суиерячейки, в которых размещались исследуемые объекты - нанопластина и наностержень; схемы их взаимного расположения приведены на рис. 1. Пластина в подобных задачах используется как поверхность и не является наночастицей. Стержень позволяет избежать недостатков метода периодических граничных условий ввиду удаленности стержня от его трансляции по осям X и Z. Фактически мы моделируем макротело, рассматривая его на атомарном уровне. Реальное число атомов, включенное в компьютерное моделирование, равно 51 для системы Al-Al, 44 - для W-W и 30+18 - для A1-W. Рассматривается идеально гладкая поверхность.
Рис. 1. Стартовые конфигурации исследованных наносистем: 1) Al-Al, 2) W-W, 3) Al-W.
Компьютерный эксперимент состоит в том, что первоначально находится равновесное расстояние системы, т.е. расстояние между исследуемыми объектами, при котором ее полная энергия минимальна. Далее производится многократная деформация системы, имитирующая процесс трения, при зафиксированных на своих позициях нижнем слое пластины и двух верхних слоях стержня. На каждом из описанных шагов производится квантово-механический расчет, включая нахождение равновесных позиций атомов и полной энергии системы.
В процессе моделирования полная энергия системы Е изменяется, и из ее изменения AE мож- - F AE
но наити силу, противодействующую движению стержня, т.е. силу F =-. в то же время изменение
энергии выражается через давление P =-.
Аг х S
Таким образом получим: F = P х S х к, или к =-, где к - коэффициент трения.
Ах х S х P
На рис. 2 показано изменение атомной структуры системы Al-Al в процессе движения алюминиевого наностержня по алюминиевой нанопластине при различных давлениях. Из рис. 2 следует, что наностержень заметно разрушается за счет сил адгезии: происходит отрыв верхних слоев стержня, в то время как нанопластина лишь слегка деформируется.
На рис. 3 приведены результаты моделирования системы W-W при P=0 и при наличии давления, приложенного к стержню в направлении Z, при P=350 ГПа, P=433 ГПа, P=610 ГПа соответственно. Видно, что при увеличении давления в системе W-W возрастает деформация стержня, пластина практически не деформируется.
На рис. 4 приведены результаты моделирования системы Al-W (алюминий-пластина, вольфрам-стержень) при P=0 и при наличии давления, приложенного к стержню в направлении Z при P=0,3 ГПа, P=14.8 ГПа и P=18 ГПа соответственно. Видно, что при увеличении давления в системе Al-W увеличивается деформация стержня, с последующим его разрушением, нанопластина слегка деформируется, но не разрушается.
tt * * % ь
bklihh «*«« «
«** * * ti« * * * «* ***«««ьисьв! С * tt »**tttt***»
«tttttt«
tibbllt»
fe tttt* fc «•»*««««*«*•
CI*l»l*liCtl
tt«««« «•«ев»« ** «ее
« ъььь
к tt % % tt « « « é * « « e * v ф *
etttttt«« ttttttttt*******
■г fc-b fc % tt tt tt
*»*»*»*#•*•**
ы ь ъ tt ъ tt tt tttttt tt tt tt ь tt ttttttttttfcbfcbbtt*
ft*««****»***
***** * * « * *
* tt tt ** ******m«ььtt* **•*•**««, tt tttt
«tttttt« **.««« tt tt tt tt tt V 41 tt tt tt * tt tttittc ttttttttttttttttV tt «•« tttt**«tt*****b ttttttttttfctttttttttttt ***•»•«***** 1 2
* *«*fc tttttttt
«•«•ttttttttfaitt** tttt tttt* ¿ttti*tt tttt tt
ttttttttttttttt tt i» tt» •»»»•**#«•«»»
tt« tt tttttttttttttttttt V «tt tt tt tt tt tt tt tt tt tt tt
Р=0.5ГПа
tttt tt tt tt ««««*
tttttt tttt
«««tt«» t* *« tttt* ******#««**•
№ «> tt «tttt tt tt tt tt tt*
tt tt tttt tt * tttt tt fc * tt tt tttt «••»»»««ce**
Ц fe tt tt tt tt « tt V tt « tt
tt tttt tt ь tttt« tttt
ь «tttttt «tttttt*
**tt*« * i tt tt « tt « tt tt «*««****i*6tttt ttttttttttttV»««.»* tttt««tttttttttttttttt tt « *■ tt e tt « tt tt tt « «
* vtttttt
tttttttt« * - _ _ * J** tttttt tttt «64,1, tttttt* tttt***tttttttt*** ******««tt**** tt tt tt * « tt tt «i « tt « « tt*****«•**«**
«tttttttt 4> « tt * « W « h, * tt
***««* ь;*« tt * *«««tt«« «ttttbbtttttttttttttt
tt«*« « * *«««
«tt«* «tt * *«•*«• «»к««««««*
««.«tt* « *«««
«*«* «« £Z«* «««#«««* «к«* «tt****»*« »«-tt
««««« « « * * «
■ « V «f
Р=2,31~Па
««««« „Hfc^i,
* t i*. a
»««tvvifrfel*»
Р=12гПа
• «**»£ ¡"It«*«
Рис. 2. Изменение атомной структуры системы Al-Al в процессе компьютерного моделирования процесса трения при разном давлении P; цифрами показаны величины смещения верхнего слоя
стержня по оси X в атомных единицах.
Рис. 3. Изменение атомной структуры W-W в процессе компьютерного моделирования
при различных давлениях P.
V » . Ь * *
•ММ««
Ь Ь Ь Ь
fc fc « * k V «■ »
••••••• « * •
Р=0Г1а
bv^vvv« «С*«**«
* fc fc * fc » V
*»»•••««««
»•••«••••a •••«•♦it*«
• V k V
v * i fc
fc V * &».»»к»
«**••bil•fc ttíitttitt
Р=0,ЗГпа
i. i, Ь ь - V«."»*&
t | « i
• • Ъ *
»««»»••¡ti «•«••«•••* •<••«•«<«> Illlttllll ««IttK«««
* * « *
» ч. • v ъ i, V *
»•(«lltttt **•*•(«*««
* « V «
«••ttct««* till»1н ií««
Р=м,агпа
Р=18ГПа
Рис. 4. Изменение атомной структуры Al-W в процессе компьютерного моделирования
при различных давлениях P.
На рис. 5 изображено изменение вычисленных коэффициентов трения покоя от сжатия стержня для систем А1-АЬ, А-А А1-А.
-|-1-1-1-1-1-1 0,0 -\\-1-1-1-1-1-1—
О 5 10 15 300 400 500 600
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения в системе Al-Al, W-W, A1-W от давления. Проведенные расчеты позволяют сделать следующие выводы:
УДК 537.226
О.В. Ефимова, Е.В. Стукова, Е.Ю. Королева, Р.В. Суханов
РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В НАНОКОМПОЗИТЕ НА ОСНОВЕ НИТРИТА НАТРИЯ, ВНЕДРЕННОГО В МАТРИЦУ 3D-SBA-15
Исследованы диэлектрические и проводящие свойства нитрита натрия, внедренного в матрицу 3D-SBA-15. Измерения проводились в режиме нагрев — охлаждение. Показано увеличение диэлектрической проницаемости на низких частотах ~ в 10 раз по сравнению с объемным нитритом натрия. Основным механизмом проводимости является термоактива-ционный механизм, энергия активации для наноразмерного нитрита натрия меньше, чем для объемного.
