极端条件下的摩擦学.pptVIP

一、微纳米摩擦学 二、空间摩擦学 三、生物和生命科学中的摩擦学 四、仿生材料与摩擦学 1、微纳米摩擦学的主要研究方向 2、微纳米摩擦学研究的理论 3、工程应用实例 现代机械科学的发展出现机电一体化、超精密化和微型化的趋势，许多高新技术装置如微电子设备、微型机器人、生物医疗器械和精密测试仪器等的摩擦副间隙常处于纳米量级，对这类表面的摩擦问题，以表面宏观粗糙度和材料体相变形分析为基础的经典摩擦理论已不再适用。在微型机械中，由于尺寸效应的影响，使表面粘着力、摩擦力和润滑膜粘滞力相对于传统机械中的体积力而言显得更为突出。同时，微型机械中的传动和步行机构以及微电子测试仪器的微动装置，很多都是利用摩擦力作为驱动力，要求对摩擦实现严格的主动控制。因此，微摩擦磨损和纳米薄膜润滑已成为关键问题。基于此，开展微纳米摩擦学研究对现代机械的发展具有重要意义。 微纳米摩擦学主要研究方向有: 在原子、分子和纳米尺度下检测两个相对运动表面之间的摩擦、磨损和粘着行为；设计与制备纳米尺度上的润滑剂和分子级超薄润滑膜；利用LB膜技术、原子力显微镜(AFM)或摩擦力显微镜(FFM)等现代技术揭示边界润滑剂的作用机理；利用计算机分子动力学(CMDS)模拟在原子尺度上研究两个相对运动表面之间的摩擦机理，建立数学和物理模型等。 微纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面与宏观摩擦学研究有很大差别。 微纳米摩擦学实验研究仪器主要是扫描探针显微镜，包括原子力显微镜、摩擦力显微镜以及专门的微型实验装置。 理论分析方面，宏观摩擦学通常是根据材料表面的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳理论作为分析的基础；而微纳米摩擦学则是由原子、分子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力学模拟。 微观摩擦 Bhushan和Koinka分别采用球－盘摩擦实验机和摩擦力显微镜FFM，对材料的宏观摩擦系数和微观摩擦系数进行了对比实验，如表1所示。 宏观摩擦系数测定采用直径为3mm的铝球与试件相对滑动，滑动速度为0.8mm/s，载荷为0.1N，相应的Hertz应力为0.3GPa。 微观摩擦系数测定为FFM的探针与试件滑动摩擦，探针材料为Si3N4，针尖半径约为50nm，滑动速度为5μm/s，探针扫描面积为1μm×1μm，载荷为10～150nN，相应的Hertz应力为2.5～6.1GPa。 表1 宏观与微观摩擦系数 表1说明，微观摩擦系数远远低于宏观摩擦系数。 Bhushan等认为，在微纳米摩擦学中，根据微小尺度和极轻载荷测量的材料硬度和弹性模量都比宏观测量的数值高，因而微观摩擦过程中，材料的磨损极少，从而摩擦系数低。同时，微观摩擦中，嵌入表面的磨粒少，也减少了犁沟效应对摩擦力的影响。实验还证明，当载荷增加时，微观摩擦系数和微观磨损都显著增加，因而经典的Amontons公式中摩擦系数与接触面积和载荷无关的结论显然不符合微观摩擦规律。可以有进一步的推论：在轻载荷作用下微小面积的滑动表面将具有实现极低摩擦和零摩擦的可能性。 微观磨损 微观磨损研究是在原子分子尺度上揭示表面相互作用、变化及其损伤，研究的目标一是限制材料剥落，二是对纳米加工技术而言使表面材料在控制下实现原子层的剥落。虽然两者的研究目标不同，但研究对象是同一物理过程，即表面材料在极轻载荷下的运动迁移规律。微载荷作用下，滑动表面的磨损起因主要是两相对运动表面之间的相互作用以及表面的物理和化学性质，而不是载荷。微磨损是通过加大探针与样品之间的接触载荷、程控设置探针与样品的相对运动轨迹来实现，这种微磨损方式可用作纳米加工手段。研究纳米尺度上的磨损可为表面纳米级精加工提供新途径。 薄膜润滑 在薄膜润滑状态，润滑膜中有一种处于流体膜和吸附膜之间，两者性质兼而有之的有序液体膜(Ordered Liquid Film)，润滑物理模型如图1所示。有序液体膜的形成与吸附势有关。当摩擦副两表面的间距减小到很小范围时，吸附势和诱导力必然对润滑油分子作用，使其形成多分子层吸附，并达到有序排列。由于它比普通液体有序度高，又兼有液体性质，因此，在动压效应作用下，既能承受载荷，端泄又小。在静态挤压力的作用下，流体膜能被挤出接触中心区，而只有近表面的几层分子与表面吸附膜一起保留下来。润滑