氦-空混合氣體下熱輔助磁存儲頭盤界面潤滑劑遷移機理

費佳玟,陳語欣,聶開勛,楊秀杰,唐正強

(貴州大學機械工程學院,貴州貴陽 550025)

全氟聚醚(PFPEs)因具有優異的耐熱性、抗氧化性、耐腐蝕性等特點,而被作為固體潤滑劑長期應用于硬盤領域[1-3]。硬盤在讀取數據的過程中,磁頭飛行在高速旋轉的磁盤表面,由于頭盤界面空間尺寸為納米級別,故磁頭與磁盤容易發生接觸碰撞,進而導致磁盤表面PFPEs潤滑劑的轉移[4]。而隨著萬物互聯和人工智能時代的到來,僅僅依靠降低磁頭飛行高度來提升硬盤存儲量的方法已經無法滿足需求。熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording, HAMR)利用磁性材料在居里溫度條件下的固有磁性特性,通過激光加熱磁存儲介質以降低磁介質矯頑力,以此提高磁介質的單位存儲面積[5]。雖然這種方式能大大提升硬盤的存儲量,但引入的激光加熱能瞬間使硬盤溫度急劇上升,會帶來磁盤表面DLC涂層的碳化、潤滑劑的蒸發及轉移等問題。因此,一些學者針對脈沖激光加熱下潤滑劑的蒸發和轉移展開了一系列實驗研究及分子動力學模擬。

PAN等[6]模擬研究發現潤滑劑分子量對潤滑劑損耗量及損耗深度有顯著影響。LI等[7]模擬研究得出在激光快速加熱過程中,激光功率對潤滑劑轉移的影響最大,而光斑大小和掃描速度在潤滑劑損耗中的作用相對較弱。LI等[8]模擬分析得到潤滑劑損耗深度和寬度隨激光加熱持續時間增加而增加,且潤滑劑轉移量也隨激光加熱時間的增加而增加。TAGAWA等[9]模擬分析了激光加熱引起的潤滑劑薄膜厚度(以下簡稱潤滑劑厚度)和潤滑劑結合率變化對潤滑劑損耗的影響,結果表明潤滑劑厚度越薄,引起的潤滑劑損耗深度越小;且潤滑劑耗盡深度和寬度隨著潤滑劑與磁盤表面結合力的增加而減小。TANI等[10]通過非接觸式針盤測試儀實驗,發現低分子量的潤滑劑在激光加熱下會分解并蒸發。此外,MA等[11]的實驗表明激光功率、總激光開啟時間、激光關閉時間都對潤滑劑損耗產生一定的影響。

與空氣相比,氦氣具有更低的密度、更高的熱導率,以及更大的平均自由程。因此,相關學者研究了氦氣或氦-空混合氣體代替磁盤界面空間(head-disk interface, HDI)空氣時的影響。TANG等[12]采用空氣軸承模型和分子動力學模型相結合的數值模擬方法,研究了氦氣含量對磁盤表面潤滑劑遷移的影響。模擬表明,氦氣的存在能夠減少潤滑劑轉移量,潤滑劑轉移量隨氦氣分數的增加而減少。YANG等[13]采用有限元仿真研究了充氦硬盤驅動器的熱性能,與空氣填充的硬盤相比,氦氣填充使硬盤外殼的溫升降低41%。該研究表明,氦氣因其較高的熱導率,能極大降低硬盤中的溫度,緩解熱輔助存儲帶來的高溫環境。FUKUI等[14]采用分子氣膜方程分析階梯滑塊在局部溫度中的靜態潤滑特性,結果表明在氦-空混合氣體中,小于10 nm頭盤間距的最小間距會減小。PARK[15]通過探究氦-空混合氣體中氦氣質量分數對硬盤性能的影響,發現氦氣質量分數為0.75時的硬盤性能優于氦氣質量分數為1.0時的情況。此外,ZHANG等[16]建立硬盤的三維有限模型,并采用流固耦合方法研究了內部填充氦氣和空氣2種氣體時引起的頭部萬向節組件(head gimbal assemembly,HGA)振動,結果發現填充氦氣的驅動器中HGA周圍的壓力比填充空氣時降低了4倍。

為了進一步探明頭盤界面空間散熱情況,本文采用磁頭磁盤界面空間氣浮軸承模型,分析氦氣質量分數對熱輔助磁存儲硬盤頭盤界面空間熱流密度的影響,探析潤滑劑厚度、界面空間環境壓強、磁頭飛行高度對界面空間熱流密度的影響規律;并建立熱輔助下磁頭磁盤界面空間潤滑劑遷移的分子動力學模型,將得到的熱流密度輸入到分子動力學模型中,探明激光熱流對潤滑劑遷移的影響,并分析光斑尺寸、磁盤速度及潤滑劑類型對潤滑劑遷移的影響機理。

1 模型和模擬過程

1.1 氣浮軸承模型

當磁頭飛行在高速旋轉的磁盤表面時,頭盤間距相對于磁盤尺寸來說非常非常小,截取磁頭飛行在磁盤表面時的狀態,建立如圖1所示的磁頭磁盤界面氣浮軸承結構示意圖[12]。圖中磁頭圓形凸起半徑R為56 nm,磁盤長度Ld為168 nm,磁盤在y方向的速度v為2.7 m/s,磁頭表面的溫度Ts為673 K,磁盤表面的溫度Td為293 K(20 ℃),氣浮軸承界面邊界壓強為大氣壓強。

圖1 磁頭磁盤界面氣浮軸承結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of air bearing in hard/disk interface

采用如下的可壓縮雷諾方程計算氣浮軸承的壓強分布:

(1)

式中:t為時間;p為壓強;h為飛行高度;μ為黏度;u為磁盤在x方向的速度;v為磁盤在y方向的速度。

此外,采用如式(2)的能量方程,求解氣浮軸承的溫度分布:

(2)

式中:T為溫度;ρ為氣體密度;cp為定壓比熱容;k為熱導率;Φ為耗散函數;w為磁盤在z方向的速度;ΔT為溫度差。

然后,利用有限體積法求解得到空氣軸承界面空間的壓強、溫度,再采用傅里葉定理計算界面空間的熱流密度:

(3)

1.2 分子動力學模型

圖2展示了熱輔助下磁頭磁盤界面空間潤滑劑遷移的分子動力學模型。圖中,模型總長L=240σ,總寬W=80σ,磁頭飛行高度h=15σ,且磁盤界面空間受到恒壓作用。模型使用的單位為分子動力學中的LJ單位制,且其與國際單位的換算參照文獻[6]。在模擬過程中,模型在x,y方向采用周期性邊界條件,z方向采用自由邊界條件[12]。在磁盤高速旋轉的過程中,處于常溫的潤滑劑,經過A區域被加熱,再經過C區域被降溫,最后經過D區域恢復到常溫狀態,常溫狀態的潤滑劑經過周期性邊界后又返回模型左端,從而繼續進入A區域,以此往復,模擬磁頭在高速旋轉的磁盤表面的工作過程。此外,采用LJ,FENE和EXP等3種勢函數描述粗粒珠之間的相互作用力,具體的作用如下。

圖2 熱輔助下磁頭磁盤界面空間潤滑劑遷移的分子動力學模型Fig.2 Molecular dynamics coarse-grained model of lubricant migration at head-disk interface under heat assisted magnetic recording

首先,采用LJ勢函數描述任意2個粒子之間的相互作用,表達式如式(4)所示:

(4)

式中:ε為勢阱深度;σ為粒子直徑;rc為截斷直徑;r為粒子間的間距。

其次,為了防止潤滑劑在DLC涂層表面堆疊,采用FENE勢函數來描述潤滑劑分子內相鄰粒子間的化學鍵鍵合作用,表達式如式(5)所示:

(5)

式中:k為彈性常量,值為30kBT/σ2,其中,kB為玻爾茲曼常數,T為絕對溫度;R0為最長鍵長常數,且R0=1.5σ。

然后,采用EXP勢函數來描述潤滑劑分子功能粒子與DLC功能粒子之間的吸附性相互作用。此外,也用它來描述潤滑劑功能粒子之間的相互作用,其表達式如式(6)所示:

(6)

式中:d為短程作用典型長度,且d=0.3σ;εp為潤滑劑功能粒子間以及潤滑劑功能粒子與DLC功能粒子間的勢阱深度。

考慮到潤滑劑分子受到高溫作用,鍵會發生斷裂,因此使用Quartic 勢能代替FENE勢能,具體公式如式(7)所示:

(7)

式中:y為Quartic勢函數中心,且從原點開始移動,y=r-Δr;b1為匹配FENE鍵的最小值。

在大規模原子分子并行模擬器(large-scale atomic/molecular massively parallel simulator,LAMMPS)中,熱流被定義為單位時間內向一組原子添加的能量。熱流Q與溫升ΔT的關系用式(8)表示[17]:

(8)

式中:ξ為自由度減小引起的換算系數;m為粗粒珠質量;D1為脈沖光斑直徑;vd為磁盤速度;Nbeads為脈沖光斑區域粗粒珠數。

而在國際單位制中,熱流密度則被定義為單位時間內通過單位面積的熱能。也就是說,LAMMPS與國際單位制對熱流的定義一致,唯一不同的是模型的尺度。因此,將界面空間求解得到的熱流密度施加到LAMMPS模型的A區域中,探究激光熱流、脈沖光斑直徑、磁盤速度及潤滑劑類型對潤滑劑轉移量的影響。

2 結果與討論

2.1 頭盤界面空間散熱的影響因素

圖3展示了氦氣質量分數對磁頭與磁盤間熱流密度差的影響。從圖中可以看出,隨著頭盤界面空間氦氣質量分數的增加,熱流密度差呈現增加的趨勢,這種趨勢變化與YANG等[13]的研究結論一致。熱流密度差越大,熱量轉移的程度就越大,散熱性也就越好。這是由于氦氣的熱傳導率是空氣的6倍,較高的熱傳導率導致磁頭磁盤空間散熱較快,能極大地緩解激光加熱引起的溫升。此外,還發現磁頭與磁盤間熱流密度差隨潤滑劑厚度和環境壓強的增加而增大;潤滑劑厚度增加,有利于溫度的傳遞,導致熱流密度差變大;同時,壓強越大,傳導越快,也有利于熱流密度差變大;而磁頭飛行高度對熱流密度差的影響甚微。因此,隨著氦氣質量分數、潤滑劑厚度、環境壓強的增加,頭盤空間散熱性能越好。

圖3 氦氣質量分數對磁頭與磁盤間熱流密度差的影響

2.2 激光熱流對潤滑劑遷移的影響

圖4展示了激光熱流對潤滑劑轉移量的影響。從圖中可看出,隨著激光熱流的增加,潤滑劑轉移量逐漸增加,當熱流密度從100ε/τ增加到400ε/τ時,潤滑劑轉移量增加了5倍。圖5展示了激光熱流對潤滑劑溫度在y方向分布的影響,從中可以發現A區域及其周圍原子吸收熱量之后,引起原子溫度升高,且隨著激光熱流的增大,原子吸收的熱能越多,潤滑劑原子的溫度也呈現逐漸增加的趨勢。因此,潤滑劑轉移量隨激光熱流的增大而增大,且與HAQ[17]得出的結論一致。

圖4 激光熱流對潤滑劑轉移量的影響Fig.4 Effect of laser heat flow on lubricant transfer

圖5 激光熱流對潤滑劑溫度在y方向分布的影響Fig.5 Effect of laser heat flow on lubricant temperature distribution in y direction

2.3 脈沖光斑尺寸對潤滑劑遷移的影響

圖6展示了脈沖光斑尺寸對潤滑劑轉移量的影響。圖中,隨著脈沖光斑半徑的增加,潤滑劑轉移量呈現先急速增加、再緩慢減小的趨勢,且光斑半徑為20σ時,潤滑劑轉移量達到了最大值5.4%。圖7展示了脈沖光斑尺寸對潤滑劑溫度在y方向分布的影響。圖中,光斑半徑為20σ,A區域及其周圍原子的溫度最大,因此潤滑劑轉移量出現了最大值。在光斑半徑小于20σ時,A區域中每個原子平均吸收的熱能多,造成了A區域潤滑劑溫度瞬間升高,進而引起了潤滑劑轉移量增加。然而,當光斑半徑大于20σ時,A區域中平均每個原子吸收的能量較小,潤滑劑原子的溫度較低,潤滑劑原子無法擺脫磁盤表面的吸引力,因此,潤滑劑轉移量減小。

圖6 脈沖光斑尺寸對潤滑劑轉移量的影響Fig.6 Effect of pulse spot size on lubricant transfer

圖7 脈沖光斑尺寸對潤滑劑溫度在y方向分布的影響Fig.7 Effect of pulse spot size on lubricant temperature distribution in y direction

2.4 磁盤速度對潤滑劑遷移的影響

圖8展示了磁盤速度對潤滑劑轉移量的影響。圖中,潤滑劑轉移量隨磁盤速度的增大而增加,當磁盤速度從0.14σ/τ增加到0.44σ/τ時,潤滑劑增速緩慢,而磁盤速度從0.44σ/τ增加到1.04σ/τ時,潤滑劑轉移量增速較快,這種變化趨勢與LI等[8]的模擬研究結論一致。這可以由磁盤速度對潤滑劑溫度在y方向分布的影響來解釋,如圖9所示。圖中,隨著磁盤的運行,經過A區域的潤滑劑原子都被加熱,而隨著磁盤運行速度的增加,被加熱的原子數量增多,進而導致潤滑劑溫度在y方向的高溫區域增高,從而造成更多的潤滑劑原子發生轉移。然而,當磁盤速度大于0.84σ/τ,由于C區域、D區域來不及反應,導致大量潤滑劑被加熱,進而造成了潤滑劑轉移量大幅度增加。

圖8 磁盤速度對潤滑劑轉移量的影響Fig.8 Effect of disk speed on lubricant transfer

圖9 磁盤速度對潤滑劑溫度在y方向分布的影響Fig.9 Effect of disk speed on lubricant temperature distribution in y direction

2.5 潤滑劑類型對潤滑劑遷移的影響

圖10展示了潤滑劑類型對潤滑劑轉移量的影響。圖中,不同潤滑劑類型,其轉移量也不同,且Zdol4000的轉移量最大,而Ztetraol2000與ZTMD的轉移量相近。圖11展示了4種潤滑劑的粗粒化模型。4種潤滑劑中,Zdol4000的分子量為4 000 g/mol,其他分子量都為2 000 g/mol;Zdol2000與Zdol4000都具有2個功能珠原子,而Ztetraol2000與ZTMD都具有4個功能珠原子。但是,Ztetraol2000功能珠原子兩兩分布在潤滑劑鏈兩端,而ZTMD潤滑劑鏈中,2個功能珠原子分布在潤滑劑鏈中間,另外2個功能珠原子均勻分布在潤滑劑鏈兩端。在4種潤滑劑中,當受到脈沖激光加熱之后可能是因為Zdol4000潤滑劑鏈最長而更容易發生鏈斷裂,且與磁盤表面間結合力差,因此造成了其潤滑劑轉移量最大。

圖10 潤滑劑類型對潤滑劑轉移量的影響Fig.10 Effect of lubricant type on lubricant transfer

圖11 4種潤滑劑的粗粒化模型Fig.11 Coarse graining model of four lubricants

另外,從圖12可以看出,潤滑劑溫度在y方向的分布中,Zdol4000潤滑劑的溫度最大,達到2ε/kB,可知溫度是造成其轉移量最大的原因之一。然而,Ztetraol2000與ZTMD因功能端基多、與磁盤表面的結合力強而造成了較小的潤滑劑轉移。

圖12 潤滑劑類型對潤滑劑溫度在y方向分布的影響Fig.12 Effect of lubricant type on lubricant temperature distribution in y direction

3 結 語

為了探明磁頭磁盤界面空間的散熱機理,以及氦-空混合條件下熱流密度和其他參數對頭盤界面空間潤滑劑遷移的影響機理,本文采用磁頭磁盤界面空間氣浮軸承模型及建立熱輔助下磁頭磁盤界面空間潤滑劑遷移的分子動力學模型進行模擬研究,主要研究結論如下。

1)因氦氣的優良物理性質而使界面空間的散熱性優于純空氣的情況,且其散熱性隨氦氣質量分數的增加而更優。與磁頭飛行高度相比,潤滑劑厚度、環境壓強的增大更利于磁頭磁盤界面空間的散熱。

2)隨著激光熱流密度的增加,A區域的原子吸收的能量越多,原子的溫升越高,因此造成更多潤滑劑發生轉移。

3)當脈沖光斑尺寸增大后,A區域的原子平均吸收的能量逐漸減少,因此造成潤滑劑轉移量呈現先增加后降低的趨勢,且當光斑半徑為20σ時潤滑劑轉移量達到最大值。

4)當磁盤速度增大后,經過A區域被加熱的原子數量增多,因而導致潤滑劑轉移量隨磁盤速度的增大而增加。

5)因不同類型潤滑劑的分子量、分子鏈長度及功能原子數量不同而造成Zdol4000的潤滑劑轉移量最大。

本文的模擬結論與LI等[8]、YANG等[13]、HAQ[17]的研究結論相一致,在后續的研究中,計劃進一步豐富實驗研究,更好地為充氦熱輔助硬盤的設計提供數據支持。