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超低摩擦在现代机械设计中的应用 0 超滑超滑技术 减少摩擦和润滑剂是减少系数、实现节能的基本手段。随着科学技术的发展,人类期望的摩擦系数也越来越小。20世纪70年代所能达到的固体干滑动摩擦的摩擦系数最好的在0.01~0.10,而0.01已接近当时的技术极限。到20世纪80年代,溅射沉积MoS2涂层在氮气中的摩擦系数为0.05,20世纪90年代初溅射MoS2膜得到了0.001的摩擦系数。摩擦系数处于10-3量级时称为超低摩擦,超低摩擦的出现表明了过去只有滚动摩擦才能达到的低摩擦,今天通过超低摩擦技术在滑动摩擦上同样可以实现,并向滚动摩擦达不到的更低值迈进。J. M. Martin在2000年长崎国际摩擦学大会上即以《固体摩擦中的超滑:神话还是现实?》作了主旨报告,指出超滑(超低摩擦)大有可为。此后,国际摩擦学界掀起了超低摩擦的研究热潮,开发出各种各样的超低摩擦表面膜和表面微织构。 本文分析了近几年在获取超低摩擦方面从理论到实践的研究工作,以期找到一些规律为摩擦学设计提供参考。 1 表面粗糙度模型和黏着模型 摩擦是相互接触的滑动表面间出现的阻碍滑动的拖曳力。关于摩擦的起源,早期提出了两个模型即:表面粗糙模型和黏着模型,这两个模型都是宏观的摩擦模型,无法适应超低摩擦的发展,需要从更深的层次寻找答案。 1.1 静摩擦力的发生机制 从原子观点探讨摩擦问题,始于Tomlinson,他提出了摩擦力起源的可能机理,但并不探讨真实的系统中是否存在这种机理。 Frenkel-Kontorova把原子间的相互作用简化为一串由弹簧相连的原子链在一个正弦波动的势场中作横向运动,称为FK模型。据此,Aubry从理论上导出了正弦波势场中原子链的静摩擦为零的条件,并定量地揭示出结构公度性的影响规律。 不公度相接触应是原子级光滑表面零摩擦的产生机制。 Hirano等研究了一维FK模型在无阻尼、无驱动和无公度(uncommensurate)时的动态特性。 超滑是质心和内部简正振动模之间发生了可逆的能量交换,而高维的运动和无公度性将有利于超滑的出现。Robbins等从理论上解释了零摩擦状态,认为在界面摩擦条件下,摩擦主要来自分子间力的相互作用,即取决于表面间原子分子相互作用的势函数。当接触表面达到能量最低状态、即势能处在某个谷底时,表面须克服势垒才能发生相对运动,这就是静摩擦力的发生机制。如果两个表面的微结构不公度(incommensurate),由于分子间作用势的随机叠加,表面间相互作用的能量将与表面的位置无关,而不可能形成能量最低的势谷,结果导致超滑状态。 1.2 表面织构模拟 以Lennard-Jones (L-J)势为基础,Glosli等发展了六碳直链烷烃有序单分子层间摩擦的分子动力学模拟,指出导致摩擦的两种机理:(1)类似于液体黏性的连续能量耗散机理,受到链转子跃迁的强烈影响。(2)不连续的拖曳运动。在低界面相互作用下拖曳机理消失,可用热活化模型描述。归一化的相互作用小于0.4时,拖曳作用消失,摩擦力趋于0。 Harrison等运用分子动力学(MD)模拟了上下摩擦副为H原子、甲基、乙基、正丙基终止的金刚石(111)面的原子尺度摩擦情况,结果表明氢终止表面的摩擦系数小。然而这种模拟结果的试验验证还存在许多困难,因为:(1)尺度问题。原子/分子界面相互作用模式的研究,所能达到的时空尺度(nm-fs)比试验可达到的空间尺度(ms)要小得多;(2)弱相互作用的特征表面的获取,H原子端基易于得到,而甲基、乙基、正丙基则不那么容易;(3)真实表面总是受所在环境介质吸附的影响;(4)计算中未考虑的空间立体效应随着基团分子量增大而日益突出。尽管存在这些问题,MD模拟仍是我们认识摩擦的微观机制的有力手段。 Erdemir基于类金刚石碳(DLC)膜的制备试验中参数、组分的选择规律,得出大幅度提高组分中碳氢比,可以有效地降低摩擦系数,因而认为表面高浓度氢终止了悬挂键的活性,造成摩擦接触表面间的接触氢原子以裸核相对,从而引起氢核间较强的电荷排斥力,产生悬浮效应,摩擦发生于具有斥力的氢原子层之间,使得摩擦表面间的切向力大为减小、甚至接近零而形成超低摩擦,用氧气和水终止则会导致高的摩擦。 1.3 薄膜的摩擦学性能 原子尺度的不公度是超低摩擦产生的重要条件,然而,这对于工业应用涂层来说,应该不是主要原因,若将不公度相概念向宏观尺度延拓,即考虑针对长程“准(近似)”有序晶体,则这种“分形准公度”行为可成为薄膜表面设计的一种参考依据。同时,宏观摩擦学理论中有利于降低摩擦系数的因素也应当考虑,如表面粗糙度、犁沟作用、黏着作用、磨屑、气氛等的影响。此外,还需要考虑宏微观现象的差异,在宏观领域不起作用的因素,到了微观领域就得精心设计,如湿气吸附形成的超薄水膜引起的毛细管力。 超低摩擦特性还与