基於微納米紋理的MEMS側壁面抗磨機理及設計方法

《基於微納米紋理的MEMS側壁面抗磨機理及設計方法》是依託中國礦業大學，由韓靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於微納米紋理的MEMS側壁面抗磨機理及設計方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：韓靜
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

本項目以含大範圍滑動/旋轉零部件MEMS失效的主要形式---側壁面磨損為研究對象，以降低側壁面的磨損為目標，提出將微納米紋理與加工遺傳的側壁面微觀形貌相耦合的策略，實現基於已有微納米加工技術的高耐磨側壁面的快速製備並與MEMS器件加工過程相融合。建立實驗研究、分子動力學模擬與理論分析相結合的研究方法，開展基於微納米紋理技術的矽側壁面抗磨機理和抗磨設計方法研究。在研究微納米紋理對側壁面磨損性能影響規律的基礎上，從納米力學性能、磨損接觸力學、磨損面損傷機制及磨料動力學四個方面揭示基於微納米紋理技術的矽側壁面抗磨機理。研究不同載入條件下微納米紋理和側壁面原有微觀形貌幾何參數對側壁面磨損性能的影響規律，建立人工神經網路結合遺傳算法的磨損性能最佳化設計方法，實現降低矽基MEMS側壁面磨損的微納米紋理設計，為促進含大範圍滑動/旋轉零部件MEMS的發展提供重要的基礎理論支持。

結題摘要

納米磨損使得“微米尺寸甚至納米尺寸的零部件”迅速喪失功能甚至導致整個旋轉MEMS器件完全失效，大大縮短了整個系統的壽命，成為限制旋轉MEMS 實用化、市場化的關鍵因素之一。納米紋理化作為解決這些問題的手段之一具有很大的發潛力。本研究採用分子動力學模擬、理論研究和實驗相結合的方法，研究了納米尺度下微納米紋理矽表面在無磨損的單峰接觸乾摩擦條件下的摩擦特徵，揭示了微納米紋理的矽表面的線性摩擦法則及其物理本質。分析了紋理圖案幾何尺度對摩擦行為的影響規律，查明了控制表面摩擦性能的關鍵參數，實現了納米尺度下基於微納米紋理的矽側壁面摩擦增強和減弱的雙向控制。研究結果表明微納米紋理表面的摩擦行為、摩擦法則與光滑表面完全不同。不論在黏著接觸還是非黏著接觸下，承載力和摩擦力隨著滑動距離的周期性同步振盪頻率由納米紋理周期決定。納米紋理表面在黏著和無黏著單峰接觸下承載力和摩擦力會一致保持線性關係，且與納米紋理幾何無關。在黏著和無黏著單峰接觸下摩擦力-真實接觸面積和真實接觸面積-載荷的線性依賴才是納米尺度摩擦的一般本質。微納米紋理不僅能增大摩擦力也能顯著的降低摩擦力。摩擦的增加和降低跟納米紋理周期緊密相關，而不是面積率。較大的納米紋理周期能促使摩擦降低，反之摩擦增加。進一步研究了納米接觸下微納米紋理矽側壁面的磨損行為；分析了磨損過程摩擦力、載荷的周期性演化規律；從原子尺度上討論了微納米紋理矽側壁面的磨損特徵，表面原子的去除、遷移機制，揭示了次表面的接觸變形機制；查明了微納米紋理對磨損行為的影響規律及其機制。最後，研究了接觸載荷下單晶矽的納米力學行為、塑性變形機制和高壓相變；在原子尺度上分析了單晶矽高壓相變的發生過程、轉變機制；揭示了單晶矽納米壓入過程中高壓相變、位錯、材料擠出、開裂四種變形機理及其發生的應力條件；建立了單晶矽納米力學回響與其變形機制之間的關聯。分析了單晶矽納米力學行為和高壓相變的各向異性特徵；查明了最大接觸載荷、載入速率、接觸應力狀態等對單晶矽高壓相變的影響規律；闡明了單晶矽的相變與晶體滑移的內在關係。