【摘要】 本文通过分子动力学模拟，揭示尖端-基底吸引力对纳米压痕硬度、划痕摩擦系数及塑性变形的调控机制。包含载荷-深度曲线、接触压力分析及工程应用建议，为纳米制造与材料测试提供理论支撑。

一、研究背景与实验方法

核心要点：

  1. 技术空白：传统纳米压痕模拟多采用排斥压头，尖端-基底吸引力对实验结果的影响尚未充分研究。
  2. 创新模型：采用可调节强度的尖端-基底原子相互作用势模型（Iyad Alabd Alhafez团队开发），实现吸引力强度的精准控制。
  3. 研究方法：通过分子动力学（MD）模拟，分析吸引力对压痕硬度、塑性变形及划痕摩擦的影响。

 

二、纳米压痕实验结果分析

核心数据：

图1 (a)压痕力和(b)接触压力在压痕和缩回过程中对压痕深度的依赖性。数据为各种附着力，D

  • 图1(a)：载荷-深度曲线
    • 现象：吸引力显著影响收缩阶段轨迹，强附着（D=2.0σ）导致力值剧烈波动。
    • Alt描述：图1(a) 不同附着强度下的纳米压痕载荷-深度曲线对比图
  • 图1(b)：接触压力变化
    • 发现：吸引力在初始阶段（压头未接触表面）产生负压，拖拽尖端进入基底。
    • Alt描述：图1(b) 基于接触面积的瞬时压力与压痕深度关系曲线

 

三、划痕实验关键发现

核心结论：

1.力学响应（图2a-b）：

图2 (a)法向和(b)横向力，(c)法向和(d)横向接触面积，(e)法向和(f)横向接触压力对划痕长度的依赖关系

 

  • 法向力（Fn）：随划痕距离增加从3-4 nN下降，因尖端后部脱离接触。
  • 切向力（Ft）：因堆积阻力从零逐渐升高。
  • Alt描述：图2(a) 划痕实验中的法向力变化曲线；图2(b) 切向力与摩擦系数趋势图

2.摩擦特性：附着强度增加导致摩擦系数上升300%，横向力增幅显著。

3.形貌变化：强附着下压痕坑粗糙度增加，堆积高度提升40%，但位错活动范围缩小。

 

四、工程应用启示

实践价值：

1.精密加工优化：高附着场景需重新校准硬度测量，避免因拖拽效应导致数据偏差。

2.材料设计参考：通过调控界面相互作用，可改善纳米器件的抗划伤性能。

3.仿真模型迭代：建议在MD模拟中纳入吸引力参数，提升预测准确性。

 

五、参考文献

[1] Iyad Alabd Alhafez, Herbert M Urbassek. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2019, 27(6): 065014

 

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