纳米级润滑膜在移动激光辐射下的热损耗行为计算研究

Perfluoropolyether lubricant has been widely used in computational magnetic recording systems due to its good thermal and chemical stability, low vapor pressure and good film forming capability. However, in emerging heat-assisted magnetic recording systems, nanostructured lubricants present serious thermal depletion instabilities in the form of desorption, spreading and decomposition. Experimental measurements of dynamic lubricant depletion in real-time under moving laser heating are becoming technically difficult using current experimental techniques and devices. Furthermore, it is also a big challenge to control the laser spot size within 10-100 nm in experiments. As such, it is an effective and essential option to employ molecular dynamics simulation methods. For full atomic simulations, the computational efficiency is quite low and the systems of interest are rather small, making it difficult to reflect the thermal and mechanical instabilities under moving laser irradiation. On the other hand, the conventional coarse-grained bead-spring models for perfluoropolyethers are simplistic and are usually dimensionless, and thus it is unable to investigate the properties and behaviors of lubricants quantitatively. Therefore, this work will propose and develop a quantitative coarse-grained lubricant model for the first time, and then study the thermal depletion and mechanisms of lubricants under laser irradiation at a molecular scale, thereby proving a systematic guideline in designing and engineering novel perfluoropolyether lubricants.

全氟聚醚润滑油因其良好的热和化学稳定性、较低的挥发性和卓越的成膜性能等，被广泛应用于计算机磁存储系统中。然而，随着新兴的热辅助磁存储技术的发展，纳米级润滑膜在激光照射下会发生严重的挥发、扩散和分解等损耗行为。现有的实验技术和设备很难实时检测润滑膜在移动激光下的动态损耗，并且如何在实验中控制激光光斑尺寸在10－100 nm范围内也是一个很大的挑战。因此，采用分子动力学模拟成为了有效且必需的选择。然而，当前用来表征润滑膜的分子动力学模型存在着1）全原子模型计算缓慢，表征体系小，无法真实反应出移动激光下体系的热力学非稳定行为；2）粗粒珠弹簧模型过于简化，多采用无量纲力场函数，无法定量分析润滑膜的微观结构。针对这些不足，本项目将首次提出使用迭代波尔茲曼反演方法，发展一套定量的粗粒化模型，并从微观尺度研究润滑膜在激光照射下的热力学非稳定行为及其机制，从而为新型润滑膜的设计和开发提供清晰系统的指导。

全氟聚醚润滑油因其良好的热和化学稳定性、较低的挥发性和卓越的成膜性能等，被广泛应用于计算机磁存储系统中。然而，随着热辅助磁存储技术的发展，纳米级润滑膜在激光照射下会发生严重的挥发、扩散和分解等损耗。现有实验技术和设备很难实时检测润滑膜在移动激光下的动态损耗，并且如何在实验中控制激光尺寸在10－100 nm范围内也是一个很大的挑战。因此，本项目采用理论建模和全原子-粗粒化介观分子动力学计算，系统研究了全氟聚醚润滑膜在飞秒脉冲激光照射下的纳米级热传递行为及其相互作用，探讨了激光功率、激光尺寸、激光移动速度及不同润滑膜分子量等对全氟聚醚的挥发、分解和扩散等损耗行为机制的影响，考察了纳米尺度约束下润滑膜的机械损耗及其力学特性。主要结果和发现有：1) 提出了一套定量准确有效的、易于传播的粗粒化介观分子动力学模型算法，并有效构建激光耦合的全氟聚醚介观分子动力学模型和分子力场；2) 润滑膜在激光加热过程中受热膨胀、扩散和挥发，形成围绕激光中心的类火山脊，引起严重的热损耗；3) 热分解作用几乎可以忽略不计，但由非平衡激光强度引起的非平衡毛细张力在润滑膜损耗中起着重要作用；4) 随着激光尺寸和移动速度的增加或加热功率的减小，激光加热效应减弱，润滑膜损耗显著降低；5) 分子量较小的润滑膜流动性较好，分子链挥发、膨胀、扩散至类火山口的形成过程十分迅速，导致更明显的损耗；6) 近接触界面挤压分离作用下，润滑膜的耐冲击和抗迁移损耗能力随膜厚增加而增加，但与分子量关系不大。这些结果和发现对于加深人们对全氟聚醚润滑膜材料的热力学非稳定行为及其机制的认识，对于指导新型纳米级氟化润滑膜的设计和生产，都有重要的理论价值和实际意义。