氦—空混合气体中磁头磁盘界面润滑剂迁移特性研究

论文摘要

为了满足数据存储需求,充氦硬盘作为一种高效可靠的超大容量存储载体而被开发利用。使用氦气替代空气填充能够有效减小气体介质的振动干扰、较小风阻损耗,同时氦气具有良好的冷却作用。然而,随着硬盘存储面密度的增加,磁头磁盘之间的飞行高度已经降至纳米级别,磁头磁盘界面间隙越来越小,磁盘表面润滑剂迁移现象愈加明显。润滑剂迁移损耗会导致磁头动态飞行特性发生变化,严重时会引起磁头磁盘接触碰撞,从而损坏磁头读写单元以及破坏磁盘表面润滑层。由于氦-空混合条件下润滑剂分布及迁移现象尚不明确,研究氦-空混合条件下影响润滑剂迁移和损耗的因素,揭示润滑剂迁移微观过程和润滑剂分布状态,对推进硬盘向高密度存储发展有着重要意义。因此,本文首先通过建立氦-空混合气体环境下磁头磁盘界面空气动力学模型,研究氦-空混合气体密度、黏度、平均自由程、热传导率等物理量对磁头磁盘界面主要作用力的影响规律,获取界面空间气浮轴承压力与空气剪切力的大小及分布方式;分析磁头飞行姿态、磁盘自身运行参数、以及环境因素变化对磁头气浮力和剪切力的影响规律。通过建立氦-空混合气体环境下磁头磁盘界面润滑剂迁移分子动力学模型,耦合空气动力学模型和分子动力学模型,提出润滑剂迁移量的计算方法。分析气浮轴承压力、空气剪切力和范德华力共同作用下Zdol型润滑剂的迁移损耗因素,揭示氦-空混合气体物理性质（密度、黏度、平均自由程等）对润滑剂迁移的影响机制。分析磁头飞行高度、磁盘初始速度、界面空间初始边界压强等因素对润滑剂迁移量的影响及其再分布状态,阐明影响润滑剂迁移的主要因素如气浮压力和剪切力的作用关系,获取最优运行参数组合抑制润滑剂迁移。通过建立氦-空混合气体环境下磁头与磁盘接触碰撞过程中润滑剂迁移损耗的分子动力学模型,根据界面空间压强分布和磁头磁盘运行参数变化关系,分析影响磁头磁盘接触状态下压入深度和润滑剂迁移损耗量变化。研究氦-空混合气体环境中接触强度和磁头轮廓形貌对润滑剂损耗量之间的变化规律。本文从微观角度揭示了润滑剂分子的迁移现象和过程,分析了磁头磁盘发生接触碰撞时润滑剂迁移损耗量,进一步说明了磁头磁盘表面润滑剂再分布规律。根据氦-空混合环境下润滑剂迁移损耗的影响因素,获取抑制润滑剂迁移的有效方法,提高硬盘驱动器工作可靠性和稳定性,为磁头气浮表面结构设计提供必要参考,为硬盘向超大容量存储、快速存取和安全可靠方向发展提供理论依据和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究目的与意义
•   1.2 磁存储硬盘发展背景及现状
•     1.2.1 磁存储技术结构及原理
•     1.2.2 磁存储技术方式及发展
•   1.3 磁头/磁盘界面国内外研究现状
•     1.3.1 磁头/磁盘界面流体动力学特性研究
•     1.3.2 磁头/磁盘界面润滑剂迁移特性研究
•     1.3.3 磁头/磁盘界面摩擦损耗特性研究
•   1.4 本课题主要研究内容及来源
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 课题来源
• 第2章 氦-空混合条件下磁头/磁盘界面气体润滑特性研究
•   2.1 本章引言
•   2.2 氦-空混合气体物理特性变化规律
•     2.2.1 氦-空混合气体密度
•     2.2.2 氦-空混合气体黏度
•     2.2.3 氦-空混合气体平均自由程
•     2.2.4 氦-空混合气体热传导率
•   2.3 有限单元法求解流体润滑方程
•     2.3.1 磁头磁盘模型
•     2.3.2 气体润滑方程
•     2.3.3 求解修正雷诺方程
•     2.3.4 磁头/磁盘界面压强分布
•   2.4 氦-空混合条件下磁头/磁盘界面力学特性分析
•     2.4.1 界面气浮力和剪切力
•     2.4.2 环境温度变化影响
•     2.4.3 运行参数变化影响
•     2.4.4 飞行高度变化影响
•     2.4.5 俯仰角度变化影响
•     2.4.6 翻转角度变化影响
•   2.5 本章小结
• 第3章 氦-空混合条件下磁头/磁盘界面润滑剂迁移特性分子动力学研究
•   3.1 本章引言
•   3.2 分子动力学模拟过程概述
•     3.2.1 运动方程
•     3.2.2 求解运动方程
•     3.2.3 统计系综分类
•     3.2.4 边界条件
•   3.3 磁头/磁盘界面准接触状态下分子动力学研究
•     3.3.1 全氟聚醚分子粗粒化模型
•     3.3.2 势函数的选取
•     3.3.3 磁头磁盘润滑剂迁移模型
•     3.3.4 边界条件及平衡控制
•   3.4 气浮压力对氦-空混合条件下润滑剂迁移及分布的影响
•     3.4.1 磁头磁盘界面空间压强分布
•     3.4.2 飞行高度对润滑剂分布的影响
•     3.4.3 磁盘运行速度对迁移量的影响
•     3.4.4 初始边界压强对迁移量的影响
•   3.5 剪切力对氦-空混合条件下润滑剂迁移及分布的影响
•     3.5.1 剪切力作用下分子动力学模型
•     3.5.2 飞行高度对润滑剂分布的影响
•     3.5.3 磁盘运行速度对迁移量的影响
•     3.5.4 初始边界压强对迁移量的影响
•   3.6 本章小结
• 第4章 磁头/磁盘接触状态下润滑剂损耗特性分析
•   4.1 本章引言
•   4.2 磁头磁盘接触模型
•   4.3 界面空间初始压强对膜厚和损耗量的影响
•     4.3.1 初始膜厚变化
•     4.3.2 接触深度变化
•     4.3.3 润滑剂损耗量
•   4.4 磁盘运行参数对膜厚和损耗量的影响
•     4.4.1 接触深度变化
•     4.4.2 润滑剂损耗量
•   4.5 磁头形貌参数对膜厚和损耗量的影响
•     4.5.1 磁头凸起形状
•     4.5.2 磁头凸起深度
•     4.5.3 磁头凸起宽度
•     4.5.4 磁头凸起数量
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周东东

导师: 唐正强

关键词: 氦空混合,磁头,磁盘,润滑剂迁移,接触损耗,分子动力学模拟

来源: 贵州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机硬件技术

单位: 贵州大学

基金: 国家自然科学基金的资助,项目名称“氦-空混合气体中磁头磁盘界面润滑剂迁移特性研究”,项目基金编号:51505093,贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2016]116)

分类号: TP333.35;O355

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