微观尺度下的硬盘驱动器浮动块/磁盘接触碰撞过程的理论研究

论文摘要

随着计算机技术的飞速发展,极光滑表面、极小飞行高度以及超高密度是未来硬盘的发展趋势。超高密度硬盘的磁头磁盘间隙将降至5nm以下,将来甚至发展接触式头盘系统,微观尺度下的界面力和表面粗糙度对头盘系统的影响已不容忽视。本文采用修正的Hamaker常数,推导出适合于浮动块与磁盘界面的分子作用力计算公式；然后,以双轨浮动块和ASS浮动块为例,采用数值积分方法,研究了润滑层对分子作用力与最小飞行高度之间关系；最后,采用有限体积法数值计算了楔形浮动块的气膜压力分布,研究了楔形浮动块考虑润滑层的分子间作用力与气膜力耦合后的总承载力与最小飞行高度的关系。解析结果表明：当润滑层厚度小于1nm时,润滑层能明显地减小分子作用力；当润滑层厚度大于2nm时,继续增加润滑层厚度,分子作用力减小幅度降低；润滑层在浮动块最小飞行高度小于2nm时对总承载力的影响较大。当浮动块与磁盘碰撞时,表面粗糙度对其接触碰撞特性有一定的影响,因此本文基于统计学接触模型,假设粗糙表面微凸体高度遵循Weibull分布和Guass分布。首先根据KE模型计算上述两种分布对应的接触力、粘附力以及最大静摩擦力等接触界面力；其次,通过计算不同粗糙表面的接触界面力,发现粗糙度对浮动块与磁盘的接触界面力的影响较为显著；最后,研究了斜度、塑性指数以及粘附能对静摩擦系数的影响,研究结果显示：相同外力作用下,正斜度的静摩擦系数要比负斜度的小,塑性指数越大静摩擦系数越小,粘附能大的粗糙表面的静摩擦系数也越大。另外,本文提出了一个浮动块与磁盘碰撞的简化模型,讨论了碰撞模型成立的假设条件,并对模型进行了受力分析。首先研究了浮动块最大位移、最大接触半径以及最大接触压力等变量随球体半径和碰撞速度的变化规律,研究发现：碰撞速度越大,球体半径越小,浮动块与磁盘的碰撞界面越容易失效；然后,根据磁盘构造,研究了磁盘薄膜层厚度对接触参数的影响,发现薄膜层厚度对浮动块与磁盘的接触碰撞影响不大,碰撞特性主要受基板材料的影响；最后,本文引入无量纲粗糙度参数来研究粗糙度对接触碰撞的影响,发现粗糙度越大,对其接触碰撞的影响也越大,粗糙度在接触面达到塑性变形之前可以有效地减缓接触碰撞严重性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 硬盘的内部结构及其工作原理
• 1.1.1 硬盘的内部结构
• 1.1.2 硬盘的工作原理
• 1.2 磁头/磁盘系统的动态特性、表面力以及接触碰撞的研究现状
• 1.2.1 磁头/磁盘系统动态特性的研究现状
• 1.2.2 磁头/磁盘表面力的研究现状
• 1.2.3 磁头浮动块与磁盘接触碰撞的研究现状
• 1.3 课题来源、意义及研究内容
• 1.3.1 课题来源与意义
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 第2章 磁头/磁盘系统表面力和接触力解析模型
• 2.1 表面力概述
• 2.1.1 范德华力
• 2.1.2 毛细力
• 2.1.3 静电力
• 2.2 接触力计算模型
• 2.2.1 Hertz接触模型
• 2.2.2 JKR模型
• 2.2.3 DMT模型
• 2.2.4 MD模型
• 2.2.5 接触理论之间的关系
• 2.3 本章小结
• 第3章 分子作用力对磁头磁盘承载能力的影响
• 3.1 分子作用力概述
• 3.2 浮动块与磁盘间分子作用力
• 3.3 考虑润滑层的分子作用力
• 3.4 润滑层对分子间作用力的影响
• 3.4.1 双轨浮动块
• 3.4.2 ASS（Advanced Step Slider）浮动块
• 3.5 润滑层对浮动块承载能力的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 表面粗糙度对磁头/磁盘接触、粘附和摩擦的影响
• 4.1 粗糙表面接触模型概述
• 4.2 粗糙表面微凸体高度的分布
• 4.2.1 Gauss分布
• 4.2.2 Weibull分布
• 4.2.2.1 二参数Weibull分布
• 4.2.2.2 标准Weibull分布
• 4.3 粗糙表面的接触模型
• 4.4 接触模拟结果和讨论
• 4.4.1 情形Ⅰ的接触模拟计算
• 4.4.2 粗糙度对接触界面力的影响
• 4.4.3 静摩擦系数的研究
• 4.4.3.1 斜度对静摩擦系数的影响
• 4.4.3.2 塑性指数对静摩擦系数的影响
• 4.4.3.3 粘附能对静摩擦系数的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 磁头/磁盘接触碰撞的力学分析
• 5.1 概述
• 5.2 薄膜磁盘的构造
• 5.3 浮动块与磁盘间粘附力的计算
• 5.4 球形浮动块与磁盘碰撞模型
• 5.4.1 碰撞模型的假设条件
• 5.4.2 模型的受力分析
• 5.5 碰撞接触模型的模拟计算
• 5.6 磁盘薄膜厚度对接触碰撞参数的影响
• 5.7 粗糙度对接触碰撞参数的影响
• r'>5.7.1 无量纲参数α_r
• 5.7.2 粗糙表面碰撞模型
• 5.7.3 粗糙度对碰撞参数的影响
• 5.8 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 后记
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况