頭/盤接觸狀態下潤滑劑遷移行為研究

潘　登,　唐正強,　郝秀紅

(1. 燕山大學機械工程學院, 河北 秦皇島 066004; 2. 貴州大學機械工程學院, 貴州 貴陽 550025)

目前,磁頭磁盤界面最小間隙已經下降到了2 nm 以下.為了進一步增加硬盤的存儲密度,磁頭磁盤間隙將進一步降低,這將導致磁頭末端與磁盤表面的潤滑劑層接觸[1].Yu等[2]提出磁頭在潤滑劑中飛行式磁記錄,可以使硬盤的存儲密度提高到5～10 Tb/in2.無論磁頭與潤滑劑接觸過程還是磁頭在潤滑劑中，飛行式磁記錄都會導致磁盤表面的潤滑劑轉移到磁頭表面,從而降低磁頭飛行的穩定性,影響硬盤的使用壽命[3].學者們采用模擬方法或實驗方法研究了對磁頭磁盤之間潤滑劑轉移的影響因素，包括潤滑劑分子重量[4]、磁頭磁盤間隙[5-6]、潤滑劑層的厚度、潤滑劑分子的極性、潤滑劑分子主鏈的剛度[7]、吸附率[4,8]、潤滑劑類型、磁頭的空氣軸承表面設計[3]、空氣分子[9]及環境濕度[10]等.國內學者對盤片表面潤滑劑層也進行了研究,內容包括不同空氣軸承壓力、盤片轉速、環境溫度、熱源等因素對潤滑劑在盤片表面分布的影響[11];磁頭磁盤接觸條件下盤片表面的受力情況[12];不同磁頭傾角、潤滑劑層厚度、空氣軸承表面設計對磁頭磁盤分子間作用力的影響[13];不同條件下磁頭磁盤非接觸狀態下潤滑劑轉移研究[14].以上研究結果為改善磁頭磁盤間潤滑劑轉移,提高磁頭飛行穩定性提供了重要參考依據.

當硬盤工作時,磁頭與磁盤之間的動壓效應使磁頭磁盤之間產生空氣軸承壓力,進而使磁頭飛行在盤片表面.磁頭磁盤相對移動速度與空氣軸承壓力分布之間為動態耦合過程.通常采用有限元法、有限體積法等數值方法來模擬該過程.然而當磁頭磁盤接觸時,接觸區域僅有分子間作用力,無空氣軸承壓力,而在非接觸區域內仍存在壓力,數值方法很難實現接觸時動態耦合過程的模擬.采用試驗方法研究磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移時,盤片需不停轉動以使磁頭能在盤片表面飛行,因此很難將磁頭徑向尋址速度與圓周方向尋址速度等不同動作過程的速度對潤滑劑轉移的影響分開研究.本文采用分子動力學方法研究磁頭磁盤接觸條件下,相對移動速度對潤滑劑轉移的影響.磁頭表面是由多個凸起和凹坑組成的曲面,當速度改變時,磁頭磁盤之間的空氣軸承壓力分布也會隨之改變,但不同區域之間壓力差值的大小在一定范圍內變化.因此,本文研究了磁頭磁盤接觸前,高、低壓壓力差對磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移的影響.

除此之外,磁頭在磁盤表面飛行時所產生的剪切力[15]、盤片表面加熱[16]或材料的電化學反應[17]都會導致潤滑劑降解.因此,本文以Zdol2000型潤滑劑分子為例，研究磁頭磁盤相對移動速度、磁頭磁盤接觸前高低壓區空氣軸承壓力差及潤滑劑分子碎片對磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移行為的影響.考慮到磁頭會多次讀取存儲在同一位置的數據,潤滑劑在盤片表面的堆積會增加磁頭與潤滑劑分子的相互作用,本文還分析了不同空氣軸承壓力差、磁頭磁盤相對移動速度對磁頭磁盤接觸過后潤滑劑在磁盤表面分布的影響.

1　模型與模擬方法

盤片是由潤滑劑層、類金剛石薄膜(diamond like carbon, DLC)層、磁介質層等組成的.磁頭表面涂有一層DLC層.為使模型簡化,本文只模擬磁頭上的DLC層和盤片上的潤滑劑層和DLC層.本文基于前期建立的粗粒珠簧模型[18]構建了適用于研究磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移的分子動力學模型,如圖1所示.在該模型中1個潤滑劑分子被簡化為10個粒子,其中包括8個潤滑劑分子中間粒子和2個端基.磁盤表面具有官能團使得潤滑劑分子可以化學吸附在盤片表面.根據DLC層C原子與官能團作用的不同,將磁頭和磁盤表面的DLC也劃分為2種粒子,一種是用于模擬DLC表層的官能團,另一種是用于模擬C原子的非官能團.磁頭和磁盤DLC層加工方法不同,導致DLC表層官能團的數量也不同.在模型中官能團在磁頭和磁盤DLC層上隨機分布,其比例分別為5%和20%[18].

圖1　磁頭磁盤界面分子動力學模型Fig.1　Molecular dynamics model of head-disk interface

圖1所示的分子動力學模型長、寬分別為400σ和20σ.其中，σ為單個粒子的直徑,約 0.7 nm,本文以σ作為長度的基本單位.磁頭和磁盤表面的DLC層被簡化為3層剛性粒子.磁頭相對磁盤表面的移動速度為V.磁頭磁盤在高、低壓區的初始間隙分別為13.5σ和 27.5σ.如前所述,磁頭表面由多個凸起和凹坑組成,當磁頭在盤片表面飛行時,凸起部分對應著較小的磁頭磁盤間隙,凹坑部分對應著較大的磁頭磁盤間隙.根據空氣動壓效應,較小的磁頭磁盤間隙對應著較大的壓力,較大的磁頭磁盤間隙對應著較小的壓力,且較小的壓力均分布在較大壓力的兩側[18].因此本文在研究空氣軸承壓力差對潤滑劑轉移的影響時,在所建立的模型中劃分出3個區域:2個低壓區和1個高壓區,低壓區位于高壓區兩側(圖1).模擬時，空氣軸承力以外力的形式施加在潤滑劑分子上.本文的計算過程均在LAMMPS中基于微正則系綜進行.采用Langevin熱浴控制系統溫度.時間步長設為0.005τ,其中τ=0.088 ns,為本文的基本時間單位.潤滑劑分子在磁盤表面的平衡過程詳見文獻[19],平衡后的潤滑劑層厚度約為2σ.平衡過程中,每一對粒子之間的相互作用由Lennard-Jones(LJ)勢表示為

(1)

式中:勢阱深度ε=2.1e-23N·m，為本文基本力矩單位；r為粒子之間的距離；截斷半徑rc=2.5σ.

端基之間、端基與官能團之間的附加作用勢為

(2)

式中:d=0.3σ，為短程相互作用典型長度.

單個分子中相鄰粒子之間的附加作用勢為

(3)

式中:最長鍵長R0=1.5σ；彈簧常數k=30kBT/σ2,kB為玻爾茲曼常數,T為絕對溫度.

當磁頭在磁盤表面飛行時,蒸發作用使質量小的潤滑劑分子離開盤片表面,形成蒸發態的潤滑劑分子并懸浮在磁頭與磁盤之間，在任意方向上與其他氣體分子碰撞的概率相等,即各個方向所受壓力均相等.由于相反方向的壓力可以相互抵消,因此假設蒸發態的潤滑劑分子不受外力作用.在進行分子動力學模擬時,若潤滑劑粒子間的相互碰撞使某個潤滑劑分子與磁頭或磁盤表面的潤滑劑分子間的距離超過截斷半徑rc,潤滑劑分子與磁頭或磁盤表面的潤滑劑分子無相互作用,本文假設該潤滑劑分子即為蒸發態的潤滑劑分子.

2　結果與討論

2.1　相對移動速度對潤滑劑轉移及分布的影響

當高壓區與低壓區之間的空氣軸承壓力差P=10ε/σ3時[18],磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑的轉移過程如圖2.磁頭磁盤未接觸時的初始狀態如圖2(a)，此時盤片表面高壓區的潤滑劑分子層厚度略低于低壓區潤滑劑分子層的厚度.當磁頭以0.115σ/τ的速度接近盤片表面,磁頭相對磁盤移動速度V=1σ/τ,相對移動時間t=100τ時,磁頭與潤滑劑分子接觸(圖2(b))，此時,接觸區的潤滑劑分子不受空氣軸承力的作用,而非接觸區的潤滑劑分子仍受空氣軸承力的作用.隨著盤片的移動,在潤滑劑分子與磁盤表面分子間力的作用下,潤滑劑分子開始在磁頭磁盤間隙處堆積(圖2(c)).磁頭磁盤接觸100τ后,將磁頭與磁盤分開,可見有少部分堆積在磁頭磁盤間隙處的潤滑積分子由磁盤表面轉移到了磁頭表面，未轉移到磁頭表面的潤滑劑分子堆積在了盤片表面(圖2(d)).

(a) t=0τ

(b) t=100τ

(c) t=200τ

(d) t=250τ圖2　潤滑劑分子由磁盤表面轉移到磁頭表面的過程Fig.2　Evaluation of lubricant transfer from disk to the slider

為避免磁頭磁盤相對移動距離對潤滑劑轉移的影響,不同V下,磁頭下降及與磁盤接觸過程的相對移動距離均為200σ.圖3為轉移到磁頭表面的潤滑劑的體積隨V的變化關系.

圖3　潤滑劑轉移量隨著速度V的變化Fig.3　Relationship between lubricant transfer and disk velocity V

由圖3可見，隨著V的增加,轉移到磁頭表面的潤滑劑體積增加.潤滑劑轉移量在單位速度下的增長率約為38.8%.導致這種現象的原因可通過潤滑劑分子的均方根位移(mean square displacement, MSD)和自擴散系數D來解釋.均方根位移SMSD表示磁頭磁盤接觸后(時刻t1)潤滑劑分子各個粒子相對于初始狀態(時刻t0)位移的平方.

SMSD=

(4)

(5)

不同的磁頭磁盤相對移動速度下，根據式(4)分別計算的均方根位移結果如圖4所示.

圖4　不同相對移動速度下的均方根位移曲線Fig.4　Values of mean square displacement for different velocities

由圖4可見,隨著V的增加,均方根位移曲線的斜率逐漸增大，表明當磁頭磁盤相對移動的距離相同時,潤滑劑分子相對于初始時刻的位移量隨著V的增加而增加.

隨著V的增加,D逐漸增加，說明當磁頭即將與磁盤接觸時，盤片表面的潤滑劑分子有更多的機會與磁頭表面接觸，并轉移到磁頭表面，如圖5所示.因此轉移到磁頭上的潤滑劑體積隨著V的增加而增加(圖3).硬盤工作時,磁頭在盤片徑向尋址過程的速度低于在盤片圓周方向尋址的速度,因此相對于徑向尋址,周向尋址對潤滑劑轉移起主導作用,且盤片轉速越高的硬盤,潤滑劑轉移量越大.轉移后的潤滑劑分子在磁頭表面受剪切力作用將重新分布[18],且大部分轉移的潤滑劑分子聚集在磁頭末端.

圖5　自擴散系數隨著速度V的變化Fig.5　Value of self-diffusion coefficient as a function of disk velocity

圖6為P=10ε/σ3，當磁頭與磁盤分開后,盤片表面的潤滑劑沿著x方向的分布.可見潤滑劑分子在盤片表面堆積,且堆積的厚度隨著V的增加而降低.這與潤滑劑轉移量隨著V的變化趨勢(圖3)相反.因為堆積在磁頭磁盤間隙處的潤滑劑分子總量一定時,轉移的潤滑劑分子越多,剩余的潤滑劑分子越少,潤滑劑在盤片表面堆積的高度越低.

圖6　不同速度下的潤滑劑分子在盤片表面堆積厚度Fig.6　Lubricant distribution under different velocities

2.2　空氣軸承壓力差對潤滑劑轉移及分布的影響

圖7為當相對移動速度V=1σ/τ，潤滑劑轉移量隨著磁頭磁盤接觸前高、低壓區壓力之差P的變化規律.可見隨著P的增加,潤滑劑轉移量不斷增加,潤滑劑轉移量在單位壓力下的增長率約為6.7%.

圖7　潤滑劑轉移量隨著高、低壓區域壓力差的變化Fig.7　Amount of lubricant transfer as a function of pressure difference

圖8為V=1σ/τ，磁頭磁盤接觸后，不同高、低壓區壓力差下，潤滑劑在盤片表面的分布.同樣可見潤滑劑在盤片表面堆積.在不同P下,潤滑劑的堆積高度及磁頭磁盤接觸區域潤滑劑的厚度均相同.在磁頭與潤滑劑分子開始接觸的區域內(x=250σ～340σ)潤滑劑層的厚度不同.因為隨著磁頭磁盤未接觸時P的增加,高、低壓區域內潤滑劑分子層的厚度差也增加[18].當磁頭逐漸靠近盤片,即將與盤片表面接觸時,較高位置的潤滑劑分子首先與磁頭表面相互作用并轉移到磁頭表面.這與文獻[5]的實驗研究結果一致.

圖8　潤滑劑在磁盤表面的分布Fig.8　Lubricant distribution on disk surface for various pressure differences

2.3　潤滑劑分子碎片對潤滑劑轉移的影響

本文以含有2、5和8個粒子的短潤滑劑分子來模擬潤滑劑分子碎片,研究潤滑劑分子碎片對磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移的影響.通過調節系統中潤滑劑分子的數量，保證不同分子鏈長度下潤滑劑層的厚度相同.圖9為V=1σ/τ,當分子碎片長度不同時,潤滑劑分子轉移量隨著P的變化趨勢.其中，lb為分子碎片中所含的粒子數.

圖9　潤滑劑轉移量隨著壓力差的變化(不包含端基)Fig.9　Amount of lubricant transfer change with pressure difference (for lubricant fragments without functional beads )

由圖9可見，潤滑劑轉移量隨著壓力差的增加而增加.當P較大時,潤滑劑轉移量隨著分子碎片長度的增加而增加;當P較小時,則無此趨勢.因為當P較大時,潤滑劑分子鏈越短,其剛度越大,導致其抵抗壓力的能力越強,高低壓區域潤滑劑層的厚度差越小,最終導致潤滑劑分子轉移量隨著P的增加而增加;然而當P較小時,蒸發作用使質量較小的潤滑劑分子碎片(如lb=2)離開盤片表面,懸浮在磁頭磁盤之間或轉移到磁頭表面[19],因此P較小時,潤滑劑轉移量隨著分子碎片長度的變化無明顯趨勢.潤滑劑分子斷裂的位置不同導致一部分潤滑劑分子碎片中含有潤滑劑分子端基.

當V=1σ/τ對于含有端基的潤滑劑分子碎片,在不同壓力下潤滑劑的轉移量如圖10所示.

圖10　潤滑劑轉移量隨著壓力差的變化(包含端基)Fig.10　Amount of lubricant transfer changes with pressure difference (for lubricant fragments with functional beads)

由圖10可見,潤滑劑轉移量隨著壓力差的增加而增加.帶有端基的潤滑劑分子碎片更容易吸附在DLC表面,形成吸附態的潤滑劑分子,增加潤滑劑分子吸附率.除此之外,潤滑劑分子越長,越容易與其它潤滑劑分子纏繞在一起.因此隨著潤滑劑分子碎片長度的增加,潤滑劑轉移量逐漸降低.然而,通過對比圖7、9和圖10,發現不同情況下潤滑劑轉移量十分接近.這表明磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑分子碎片對磁頭磁盤之間的潤滑劑轉移影響很小.

本文還研究了磁頭磁盤接觸條件下,相對移動速度不同時,帶有和不帶有端基的潤滑劑分子碎片對潤滑劑轉移的影響.研究結果同樣表明,潤滑劑分子碎片對潤滑劑轉移的影響很小.

3　結　論

(1) 潤滑劑轉移量隨著磁頭磁盤相對移動速度和高低壓區域壓力差的增加而增加.

(2) 潤滑劑分子碎片對磁頭磁盤接觸狀態下潤滑劑轉移的影響很小.

(3) 隨著相對移動速度的增加,潤滑劑在磁盤表面堆積的高度逐漸降低.

(4) 壓力差對磁頭磁盤接觸條件下潤滑劑在盤片表面堆積的高度無影響.

致謝:河北省高等學校科學技術研究項目(Z2015024)對本研究的資助.