热辅助磁记录系统中滑块姿态对空气轴承的影响

摘要

摘要采用直接模拟蒙特卡罗方法研究了热辅助磁记录系统中滑块姿态对滑块轴承的影响。在HAMR系统中，滑块轴承上的热问题被认为是由磁盘和/或滑块本身在不同的螺距角度上的一个加热点引起的。仿真结果表明，当圆盘上有加热点时，随着桨距角的增大，作用于滑块表面的空气轴承压力和空气轴承力都会增大。研究还发现，轴承受力随受热点的大小而增大，受热点的影响在螺距角较大时更为明显。另一方面，滑块体温度对空气轴承压力和力有显著影响。较小的螺距角增大了轴承力随滑块温度变化的趋势，使滑块对温度变化更加敏感。

1.介绍

随着对大容量存储需求的不断增加，硬盘行业对高密度记录技术提出了更高的要求。热辅助磁记录(HAMR)技术是将磁盘驱动器的记录面密度提高到10tb /in的有前景的技术之一²甚至更远。HAMR系统需要使用聚焦的激光束来加热介质，以降低介质矫顽力。它使磁写入可能在高各向异性磁性介质[1]。进行激光加热过程需要优化的滑块设计集成内部的近场光学系统，以精确加热和记录。带有光学加热装置的集成滑块通常需要以极低的头介质间距飞行，现在只有几纳米左右，才能在加热点位置提供高场强以成功记录[2,3.]。在这种间隔允许下，表示流中稀薄效应水平的Knudsen数将远远大于1.0，因此磁头磁盘接口区域的流不再被假定为连续流。通常需要对具有适当滑移边界条件的连续介质方程进行修正。

然而，由于HAMR系统中涉及的传热问题，用现有的修正连续介质方程研究HAMR磁头盘中滑动空气轴承具有很大的挑战性。虽然先前的一些研究[4- - - - - -6]提出了一些传热模型来解决这类问题，这些模型不能直接与空气轴承模型一起使用来研究空气轴承滑块的热影响。因此，我们在之前的论文中提出使用直接蒙特卡罗模拟(DSMC)方法来代替解决HAMR应用的空气轴承问题[7因为DSMC方法已经被广泛应用于模拟稀薄条件下的气体流动，类似于磁头盘界面中的流动。验证了DSMC方法在HAMR滑块空气轴承效应研究中的适用性，研究了热斑大小和滑块体温度对滑块空气轴承的影响。最近，Fukui等人[8[[endnoteref: 15]]利用DSMC方法和考虑热蠕变流的常规分子气膜润滑(MGL)方程研究了带有加热点的轴承压力特性。他们注意到两种方法的结果都是令人满意的。8]。

在本文中，我们将继续我们的工作，重点是在HAMR系统中滑块的姿态对空气轴承的影响。我们将研究如何热能从一个加热点在磁盘或高温滑块本身可以促进空气轴承随滑块姿态的变化。

2.DSMC方法和代码验证

DSMC方法由Bird于七十年代初引入[9这是一种基于微粒的稀薄气体流动问题的模拟方法。采用随机算法计算分子碰撞概率和符合动力学理论的散射分布。对于高密度的记录，头介质间距减少到几个纳米。因此，磁头磁盘接口中的流具有稀疏效果。在当前磁头磁盘接口中，Knudsen数字在1和10之间。因此，将界面内的气体流动看作是一种过渡流或自由分子流，DSMC方法为界面气体流动的数值模拟提供了一种很有前途的工具。

与我们在之前的论文中研究的相似[7]，在DSMC模拟中滑动块空气轴承问题被简化为二维微通道流动，其中有一个在水平平面(磁盘)上移动的静止的微通道表面(滑动块)x-方向与切向速度，如图所示1。的恒定环境温度= 273 K和的压强通过自适应调整边界处颗粒的适当分子速度，在流入和流出边界处保持= 1atm。滑块和磁盘表面都被假设为完全可容纳的，碰撞模型使用可变硬球(VHS)粒子。由于氩气是一种内部自由度为零的简单单原子分子气体，为了便于计算，本文所有的模拟案例都采用了氩气。另外，由于氩气的平均自由程和势能与空气相似，所以氩气中的承载特性应该与空气中的相近。因此，前人对空气轴承的许多研究[10,11]认为氩气是一种很好的替代空气的候选气体，并将其用于DSMC仿真中。

至于验证DSMC仿真代码，Liu和Ng的结果[10的结果与我们模拟试验的结果进行比较。通道长度()设置为5m及最低通道高度()为50nm，圆盘运动速度为= 25米/秒。在验证测试中，不同的俯仰角度()从0.004到0.016 rad放置。滑块表面的压力分布比较如图所示2这说明它们是一致的。进一步，Fukui和Kaneko的广义润滑方程解[12)使用为了更好的评价，应用了rad，它也与DSMC的结果一致。

三个不同螺距角的力沿流向的位置()为验证目的进行比较，如图所示3.它们也是可以比较的。在这里，作用于滑块表面的轴承力的流向位置被定义为 在哪里手机号码是沿着吗x方向,单个细胞的位置在哪里x方向,是定域压强，和是大气压。

从图3.，我们可以看到当俯仰角变化时，几乎固定在一个恒定值。我们的DSMC结果也与Liu和Ng的结果相当相似[10]。

在验证了我们的DSMC代码后，我们将使用它来研究在不同的俯仰角度下由磁盘或滑块本身的受热点引起的热效应。假设圆盘上受热点的热分布形状为正的半正弦波形，峰值温度为500℃(773 K)，如图所示4。滑块体温()在空气轴承滑块表面上假定是均匀的。

3.仿真结果与讨论

在模拟测试中，最小通道高度()是固定在5纳米而不是50纳米，反映极低的头磁盘间距在今天的硬盘驱动器。与固定时，增大的螺距角允许更多的分子进入界面区域。结果，更多的分子碰撞发生，分子的速度增加，以建立更高的压力作用在滑块表面。如图主图所示，压力分布随滑块俯仰角度的增大而增大5。

从之前的研究中可以看出，在特定的螺距角度下，圆盘上的一个受热点会使滑块承受的压力和力随其尺寸的增大而增大。但受热斑的尺寸小于0.05m对空气轴承影响不大[7]。本文采用变俯仰角()从0.04到0.16 rad与0.05加热点位于磁盘上。加热点中心位于0.45在所有测试中，远离流体出口m处。如主图所示5，由于整体承重压力随螺距角的增大而增大，即使在加热点尺寸固定的情况下，由加热点引起的压力峰也会增大。因此，它有助于增加作用在滑块表面的承重力。

研究还发现，小螺距角时，受热点附近的压力峰基底面积要比大螺距角时大。这可能是由于在较低的音高下，滑块和圆盘之间的间距较窄，造成了从加热点到周围的广泛冲击。在插入图形图表中5结果表明，随着俯仰角的增大，空气支撑力几乎呈线性增大;加热点的存在使各姿态位置的总支撑力增大。此外，在加热点大小相同的情况下，越大的螺距角对滑块的承重力越大。因此，研究结果表明，在加热点为0.05时，滑块姿态对空气轴承性能的影响在HAMR应用中为m或更大的尺寸。

数字6(一)给出了在不同俯仰角度下，作用在滑块上的归一化总力随被加热点尺寸的变化情况。这里我们定义了一个标准化的力值，以便我们能更清楚地评估俯仰角对总力的影响。结果表明，在较大的节距角下，归一化轴承力随加热点尺寸的变化幅度大于较小的节距角，说明节距角效应随节距角的增大而增大。这是因为加热点产生的压力驼峰的数量，如图所示5，随螺距角增大。因此，在较大的螺距角下，滑块承载力对受热点尺寸的变化更加敏感。

轴承力在滑块表面的流向位置，如图所示6 (b)，更接近后缘，相比那些较大(50 nm)的情况。当局部受热点的尺寸大于0.05时，它们将进一步向滑块的后缘移动m，涉及到接口。

其次，由于在HAMR应用中可以进一步减小磁头间距以实现更高密度的记录，因此研究较小的间隙间距对空气承载行为的影响是有用的。为研究缝隙效应，最小通道高度()在0.01 rad的固定螺距角下，由5 nm减小到1 nm。结果如图所示7。结果表明，当轴承间距最小时，轴承压力显著增大，且其峰值位置远离加热点引起的压凸减少。从图表的插图中7时，可观察到支撑力也成比例增大减少。

最后，研究了滑块体温度对空气轴承的影响。我们假设滑块表面上的温度高于环境温度，并且滑块表面上的温度是均匀的。这种在滑块上的高温可能是HAMR光学头、电加热器、书写器或其他部件的散热造成的。数字8显示，随着滑块体温(时从0℃到100℃的变化rad。这是因为滑块体释放的热能进入界面，影响了承重压力和力。换句话说，界面周围的气体分子从受热点或滑块体的传热中获得更多的能量，当气体分子撞击滑块表面时，对滑块表面施加更大的压力。因此，由滑块表面的压力分布导出的支承力会随着被加热点或滑块体的温度的增加而增大。基于其他俯仰角度的仿真结果，还可以观察到，在任意俯仰角度下，滑块温度升高所引起的总受力增量都是均匀的，如图所示9。这表明，无论滑块的俯仰角度如何，来自滑块的热量对承重压力和力有相似的影响。

数字10 ()显示了在不同俯仰角度下，作用在滑块上的归一化总力随滑块温度的变化。在此，我们还定义了一个标准化的力值来评估俯仰角在不同滑块体温度下的影响。结果表明，归一化支撑力梯度随桨距角的减小而增大，表明桨距角效应在增大时不明显。这是因为在每个螺距角下，总承载力随滑块温度的增量几乎相同，但在= 0℃会随着俯仰角的增大而增大，如图所示9。因此，表示不同滑块温度下支撑力相对变化的归一化力值随着俯仰角的增大而变小;即在较高的俯仰角下，空气轴承总力对滑块温度的变化不敏感。

数字10 (b)显示了俯仰角与滑块流向力位置的关系。研究发现，随着滑块温度的升高，轴承力的流向位置会向前缘偏移。研究发现，滑块温度对位置移动的影响与被加热点的影响相反。

4.结论

本文的仿真研究表明，在HAMR系统中，滑块姿态对空气轴承的影响应慎重考虑。结论如下。(1)随着滑块俯仰角的增大，空气承载压力和总承载力均增大，且支撑力流向位置随着俯仰角的增大而向尾缘偏移。(2)较大螺距角的受热点比较小螺距角的受热点产生的压力增量和力增量要大。在较大的螺距角下，滑块承载力对受热点尺寸的变化更为敏感。(3)当俯仰角较低时，受热点对空气轴承的影响较小，而滑块的温度影响较大。在较小的螺距角下，滑块承载力对滑块温度的变化更为敏感。(4)随着滑块上温度的升高，力的流向位置移动到尾缘有较大受热点的位置，而流向位置则相反。

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