納米摩擦學(xué)簡(jiǎn)介

1、納米摩擦學(xué)一、綜述摩擦、磨損與潤(rùn)滑是材料表面和界面上的微觀動(dòng)態(tài)行為。它涉及到金屬、離子固體、半導(dǎo)體、陶瓷和有機(jī)材料等組成的非均勻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化、能量轉(zhuǎn)化、熱力學(xué)等物理化學(xué)過程、以及在非平衡條件下的非線性流動(dòng)、變形等力學(xué)行為。僅從宏觀的、連續(xù)介質(zhì)的角度進(jìn)行研究，難以深入地了解摩擦學(xué)現(xiàn)象和揭示其機(jī)理。納米摩擦學(xué)或稱微觀摩擦學(xué)是在納米尺度上研究摩擦界面上的行為、變化、損傷及控制。摩擦學(xué)就其性質(zhì)而言屬于表面科學(xué)范疇，摩擦過程中材料表面所表現(xiàn)的宏觀特性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。納米摩擦學(xué)研究提供了一種新的思維方式，即從分子、原子尺度上揭示摩擦磨損和潤(rùn)滑機(jī)理，建立材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性的構(gòu)性關(guān)系。因此更加符合

2、摩擦學(xué)的研究規(guī)律，標(biāo)志著摩擦學(xué)學(xué)科發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段。Dowson在總結(jié)20年來摩擦學(xué)的重大發(fā)展后指出人們已認(rèn)識(shí)到亞微米厚度的潤(rùn)滑膜和表面涂層的重要作用?，F(xiàn)代摩擦學(xué)研究正向表面與界面科學(xué)和技術(shù)的方向發(fā)展。納米摩擦學(xué)（Nano Tribology）又稱之為分子摩擦學(xué)（Molecular Tribology），迅速成為機(jī)械學(xué)科的前沿領(lǐng)域。隨著納米科技的發(fā)展而新興的納米摩擦學(xué)是在原子分子尺度上研究摩擦界面上的行為、變化、損傷及其控制，成為超精密機(jī)械和微型機(jī)械研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。對(duì)納米摩擦學(xué)的研究主要集中在納米潤(rùn)滑與納米摩擦兩方面。納米摩擦學(xué)旨在原子、分子和納米尺度下研究摩擦界面之間的摩擦、磨損

3、與粘著行為及機(jī)理，設(shè)計(jì)和制備納米尺度上的潤(rùn)滑劑和分級(jí)薄膜潤(rùn)滑膜，利用LB膜技術(shù)、AFM或FFM等現(xiàn)代表面分析技術(shù)揭示邊界潤(rùn)滑劑的作用機(jī)理，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，即建立一個(gè)包含大量粒子的離散系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)和物理模型來模擬摩擦界面。二、實(shí)驗(yàn)儀器為了測(cè)量原子尺度的表面形貌和表面微觀動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)常采用表面力儀（Surface force apparatus）和掃描探針技術(shù)。具體有掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）和摩擦力顯微鏡（FFM）。它們用于測(cè)量原子尺度的表面形貌和表面微觀動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，在微摩擦、微劃痕、納米磨損與超精加工，以及分子膜邊界潤(rùn)滑等研究中發(fā)揮巨大

4、的作用。圖1 掃描探針顯微鏡家族框圖原子力顯微鏡AFM已成為研究微觀形貌、微摩擦的主要工具。它是利用微懸臂梁作為檢測(cè)探針針尖與樣品表面原子間力的靈敏元件，因此構(gòu)成一個(gè)微系統(tǒng)。圖2 原子力顯微鏡的工作原理在研究中發(fā)現(xiàn)，在用原子力顯微鏡進(jìn)行橫向掃描時(shí)，有些工況下會(huì)出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，而另一些條件則無粘滑。Zang等采用微尺度粘著接觸理論的M-D模型，根據(jù)原子力顯微鏡探針針尖與樣品表面彈性接觸和運(yùn)動(dòng)中探針的扭轉(zhuǎn)變形以及針尖與樣品表面的接觸變形能和粘著能，分析了掃描過程中的能量和耗散過程，推導(dǎo)出量綱一的粘滑數(shù)n。當(dāng)n<1時(shí)，掃描過程無劇烈變化；當(dāng)n=1時(shí)，出現(xiàn)針尖跳躍現(xiàn)象和輕微粘滑，但無能量損耗；當(dāng)n

5、>1時(shí)，針尖跳躍加劇，粘滑現(xiàn)象顯著，如圖1所示。圖3 AFM針尖粘滑示意圖（在過去的20年里），掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)作為摩擦學(xué)研究的強(qiáng)大工具，發(fā)現(xiàn)了很多納米尺度上新的摩擦學(xué)現(xiàn)象。Bushan等做了很多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些微觀摩擦力和納米尺度上相關(guān)因素之間的新關(guān)系。為了探討摩擦的本質(zhì)，錢林茂等用原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)摩擦力與探針的形狀及彈性模量、表面形貌、濕度等因素有關(guān)。王慧和胡元中等用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了摩擦的起源，并認(rèn)為原子組成的振子系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于彈簧的剛度和勢(shì)的波動(dòng)。如果增加彈簧剛度越大或勢(shì)波動(dòng)小，整個(gè)系統(tǒng)將變得更加穩(wěn)定，使得摩擦力小能耗低。三、研究方法納米摩擦學(xué)研

6、究技術(shù)主要有兩種，一是依實(shí)驗(yàn)技術(shù)突破口，進(jìn)行納米現(xiàn)象研究。另一種是采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。3.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)在納米摩擦學(xué)領(lǐng)域，隧道掃描顯微鏡、原子力顯微鏡和摩擦力顯微鏡雖已被 廣泛應(yīng)用并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但是仍然難以跟進(jìn)薄膜潤(rùn)滑的進(jìn)展。表面力儀采用云母作為摩擦副達(dá)到了表面原子量級(jí)的平整，為純理論研究提供了大量數(shù)據(jù)。墊層法和相對(duì)光強(qiáng)法較表面力儀更為接近實(shí)際潤(rùn)滑工況，揭示出薄膜潤(rùn)滑的一些納米特性。隨著納米科技的迅速發(fā)展，需要發(fā)展一種工況與實(shí)際更為接近，表面粗糙度又能達(dá)到原子級(jí)平整的動(dòng)態(tài)膜厚、摩擦力測(cè)量?jī)x。3.2 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)摩擦學(xué)中計(jì)算機(jī)模擬研究方面主要有2種方法：一種是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的

7、流體數(shù)值模擬計(jì)算法，該方法在近年來已經(jīng)深入到了亞微米量級(jí)的微彈流和薄膜潤(rùn)滑。另一種是以分子和原子間力為基礎(chǔ)的突破了連續(xù)理論的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算法（MDS）。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬是進(jìn)行原子、分子量級(jí)計(jì)算和材料性質(zhì)研究的一種新型工具。它是由統(tǒng)計(jì)物理學(xué)衍生的分析方法，具有溝通宏觀與微觀的作用。其基本原理是建立一個(gè)粒子系統(tǒng)以模擬研究對(duì)象和材料，通過數(shù)值方法計(jì)算系統(tǒng)中所有粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再由統(tǒng)計(jì)平均得到該系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)和行為。目前已經(jīng)能夠利用某些模型，如嵌入原子模型和蒙特長(zhǎng)羅模型等，計(jì)算材料表面區(qū)域中原子間的相互作用，仿真相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的粘著、材料轉(zhuǎn)移、電子轉(zhuǎn)移和相轉(zhuǎn)移等行為，探索磨損的起因和邊界潤(rùn)滑劑

8、分子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。由于微觀尺度上的摩擦磨損試驗(yàn)研究有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，而分子動(dòng)力學(xué)模擬在一定程度上則可以突破試驗(yàn)研究的極限。在薄膜潤(rùn)滑方面，它已由球形分子模型發(fā)展到直鏈烷的研究。揭示出了一系列新的現(xiàn)象，如時(shí)變性、有序化、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變條件等等。另外，該方法還可以用于摩擦、磨損過程的模擬研究。這兩種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，數(shù)值解法在潤(rùn)滑膜達(dá)到幾個(gè)分子量級(jí)時(shí)，由于潤(rùn)滑分子要受到壁面強(qiáng)烈限制作用，其原來的基本模型已不適用。分子動(dòng)力學(xué)模擬法在計(jì)算厚膜和復(fù)雜結(jié)構(gòu)分子時(shí)，由于分子間力模型的不確定性以及計(jì)算量特別大等困難而受到限制。四、研究方向及其機(jī)理4.1 表面粘著與接觸接觸表面在滑動(dòng)時(shí)的粘著與分離伴隨著能量損耗和

9、表面損傷，因而是固體摩擦磨損最基本的起因。宏觀摩擦學(xué)認(rèn)為，滑動(dòng)摩擦過程的表面接觸與粘著是由于載荷作用下材料體相變形所致，通常用彈性力學(xué)分析接觸和磨損問題。然而用AFM研究表明，表面力或表面粘著能是產(chǎn)生微觀接觸、變形和粘著的主要原因。Landman等人2用大尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析了硬材料Ni探針向軟材料Au基片之間的法向趨近與分離過程，如圖4所示。圖中，上面一排從左到右表示趨近過程的原子分布，下面兩排為分離過程的原子圖像。當(dāng)探針以準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)速度趨近基片表面至0.4nm時(shí)，探針移動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)，基片表面逐漸向探針鼓起，隨后Au原子突然向探針跳動(dòng)并在探針跳動(dòng)并在探針上形成Au的單原子粘著膜。這種現(xiàn)象是探針

10、與基片的表面能引起，有如固體表面被液體濕潤(rùn)。當(dāng)探針插入基片后，粘附在探針表面的Au原子增多，Au晶格出現(xiàn)滑移和大范圍的塑形流動(dòng)。在探針分離移動(dòng)時(shí)，與探針相連的基片材料被韌性拉伸，形成絲狀“頸縮”以至斷裂。分離后的Au基片表面出現(xiàn)損傷痕跡，而Ni探針表面粘附著Au，即發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。以上分析已被AFM實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。圖5 表面接觸與分離過程4.2 微觀摩擦與超滑狀態(tài)根據(jù)接觸狀態(tài)可將摩擦分為兩類:一是有磨損的常規(guī)摩擦，兩表面被磨粒撐開，實(shí)際接觸面積很小；一是無磨損極光滑表面的摩擦，達(dá)到分子尺度的密合接觸，稱之為界面摩擦或微觀摩擦。其摩擦力主要來自粘著面積上的極限剪切阻力。針對(duì)由于表面效應(yīng)導(dǎo)致的表面粘附現(xiàn)

11、象是阻礙摩擦表面正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題，卿濤等人利用激光真空弧沉技術(shù)，在Si（100）表面沉積TiN，TiB2兩種硬質(zhì)薄膜和Al，Cr，Cu，Ni，Ti，Zr六種金屬單指薄膜，以及Ti/TiN和Ni/TiN兩種多層膜。并利用自行研制的試驗(yàn)裝置，考察了這些薄膜對(duì)表面粘附和微摩擦的影響。其中有的薄膜可以抑制粘附，并大幅度降低摩擦，而有的薄膜則加大摩擦。后者可用于摩擦牽引。超滑概念的提出是納米摩擦學(xué)深入研究的必然產(chǎn)物。從理論上講，超滑是實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)為0的潤(rùn)滑狀態(tài)，但在實(shí)際研究中，一般認(rèn)為摩擦系數(shù)在0.001量級(jí)以下的潤(rùn)滑狀態(tài)即為超滑。對(duì)超滑技術(shù)和機(jī)理的研究，不但對(duì)探索潤(rùn)滑和摩擦的本質(zhì)具有很大的作用，同時(shí)

12、也能解決各行各業(yè)常受到摩擦和磨損的困擾的問題。因此，長(zhǎng)期以來人們竭力尋找實(shí)現(xiàn)零摩擦或超滑（Superlubric）狀態(tài)。納米摩擦學(xué)從微觀結(jié)構(gòu)上論證了實(shí)現(xiàn)摩擦的可能性。Shinjo 和 Hirano等根據(jù)Frenkel-Kontorova原子動(dòng)能方程，計(jì)算了摩擦?xí)r原子運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)移。得出，對(duì)于原子可以三維運(yùn)動(dòng)的摩擦系統(tǒng)，非絕熱條件并不存在，即原子運(yùn)動(dòng)屬于絕熱過程，也就是說不伴隨能量耗散。同時(shí)還證明，對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)存在超滑區(qū)，滑動(dòng)速度越高，表面粘著強(qiáng)度越低，就越容易實(shí)現(xiàn)超滑。隨后他們又分析了多維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在摩擦中原子運(yùn)動(dòng)的能量變化。證明多維系統(tǒng)原子運(yùn)動(dòng)具有柔性，因而更容易獲得超滑條件。

13、同時(shí)還證明固體摩擦具有各向異性特征，摩擦系數(shù)與兩表面晶格取向間的夾角有關(guān)。最后結(jié)論在白云母片在彈性接觸下的摩擦實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。界面摩擦?xí)r微納制造和超精密機(jī)械中經(jīng)常出現(xiàn)的極光滑表面之間的摩擦狀態(tài)。其特征是實(shí)際接觸面積接近表觀面積，表面效應(yīng)和表面力對(duì)摩擦行為起主導(dǎo)作用，因而其摩擦規(guī)律和機(jī)理都與常規(guī)摩擦不同。Wang等根據(jù)彈簧振子模型，對(duì)于兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)原子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了定量分析。 圖6 彈簧-振子模型在兩表面相對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中，范德華力作用使原子發(fā)生位移而偏離初始位置。隨著位移量增加，界面原子的應(yīng)變能不斷積累，使其熱力學(xué)平衡穩(wěn)定性逐漸下降，最終達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。此時(shí)，原子由原來的穩(wěn)態(tài)跳到另一個(gè)能

14、量更低的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，積累的應(yīng)變能突然釋放，并伴隨劇烈的原子或晶格振動(dòng)，其振動(dòng)的能量最終轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。界面原子在失穩(wěn)后跳動(dòng)和振動(dòng)時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的比列就決定了摩擦能耗和摩擦力的大小。因此，界面摩擦的機(jī)理是界面原子的偏移-失穩(wěn)-跳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程。4.3 界面分子膜與粘滑現(xiàn)象邊界潤(rùn)滑以潤(rùn)滑劑在界面上形成易剪切的吸附分子膜為主要特征。以往的研究大都集中在邊界膜的化學(xué)行為和宏觀特性，而對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)涉及較少。近年來，通過SFA和FEM實(shí)驗(yàn)研究以及分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，在界面分子膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)、流變特性和力學(xué)行為等方面取得進(jìn)展。邊界潤(rùn)滑以潤(rùn)滑劑在界面上形成易剪切的吸附分子膜為主要特征。以往的研究大都

15、集中在不邊界膜的化學(xué)行為和宏觀特性，而對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)涉及較少。近年來，通過SFA和FEM實(shí)驗(yàn)研究以及分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，在界面分子膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)、流變特性和力學(xué)行為等方面取得進(jìn)展。Landman等揭示出一個(gè)重要的現(xiàn)象，即一個(gè)固體表面可以改變鄰近液體分子的結(jié)構(gòu)，而兩個(gè)貼近的表面協(xié)同作用將使液體分子結(jié)構(gòu)變化跟大。約束流體可以成為固態(tài)晶體、非晶體或者液態(tài)晶體。而這三者的摩擦特性各不相同，從而導(dǎo)致滑動(dòng)過程中摩擦力的不穩(wěn)定性?；瑒?dòng)摩擦過程中，粘著與滑動(dòng)交替出現(xiàn)的不穩(wěn)定性是造成摩擦振動(dòng)噪聲和低速爬行的基本原因。Israelachvili等用SFA研究邊界潤(rùn)滑粘滑現(xiàn)象的微觀機(jī)理，研究表明，在粘滑過程中

16、，滑動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦力用以克服界面粘著能，此時(shí)的界面粘著能處于該潤(rùn)滑膜厚度下的最小值。而粘著時(shí)的極限切應(yīng)力即單位面積的靜摩擦力與分子層數(shù)存在著定量關(guān)系，各分子層之間的極限剪切應(yīng)力不同，彼此可相差一個(gè)量級(jí)。而且當(dāng)分子層數(shù)不變時(shí)，極限剪應(yīng)力與滑動(dòng)速度、載荷無關(guān)。當(dāng)分子層數(shù)減少時(shí)，粘滑時(shí)京東摩擦交替的頻率減少、幅值增加，隨著滑動(dòng)速度增加，摩擦力變化頻率增加而幅值減少，指導(dǎo)臨界滑動(dòng)速度時(shí)，粘滑現(xiàn)象消失。納米摩擦學(xué)重要進(jìn)展之一是開發(fā)研制了一些性能優(yōu)異的分子有序排列的有機(jī)薄膜材料。它已從LB膜發(fā)展到包括LB膜、自組裝膜（SAM）和蒸發(fā)沉積膜等類別。4.4 薄膜潤(rùn)滑通過對(duì)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（彈流潤(rùn)滑）研究的實(shí)踐，

17、認(rèn)識(shí)到潤(rùn)滑膜具有潛在的承載能力，可以實(shí)現(xiàn)以納米膜厚為特征的薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)。潤(rùn)滑狀態(tài)經(jīng)歷的過程如下：（1）流體動(dòng)力潤(rùn)滑>（2）彈流潤(rùn)滑>（3）？>（4）邊界潤(rùn)滑>（5）干摩擦。無論是從膜厚還是摩擦特性來看，在彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑之間存在一空白帶。溫詩鑄提出，在彈流潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑之間存在膜厚在亞微米、納米量級(jí)的薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，其潤(rùn)滑兼有粘性流體膜和吸附分子膜的特性，即薄膜潤(rùn)滑。關(guān)于薄膜潤(rùn)滑的定義目前國(guó)際上主要有兩種觀點(diǎn)：一種是以中國(guó)、美國(guó)的研究者為代表，主要從潤(rùn)滑機(jī)理出發(fā)，認(rèn)為薄膜潤(rùn)滑是一種獨(dú)立的潤(rùn)滑狀態(tài)。另一種是以英國(guó)的研究者為代表，認(rèn)為薄膜潤(rùn)滑是邊界潤(rùn)滑的延生，統(tǒng)屬于邊界潤(rùn)滑

18、范疇在薄膜潤(rùn)滑過程中，伴隨潤(rùn)滑膜分子再構(gòu)造和表面力作用產(chǎn)生的剪切時(shí)間和剪應(yīng)變率對(duì)膜厚的影響成為重要特征。雒建斌、溫詩鑄指出，某些潤(rùn)滑劑例如液體石蠟的膜厚隨持續(xù)剪切時(shí)間而增加，然后逐漸趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象不能用潤(rùn)滑劑的觸變性解釋，而是約束液體在表面力作用下結(jié)構(gòu)再構(gòu)造程度隨運(yùn)行時(shí)間增加的結(jié)果。當(dāng)剪切時(shí)間增加，有序排列的分子增多，使有序液體膜厚度和有序度都增加，而當(dāng)有序膜厚度達(dá)到表面力有效作用范圍后，膜厚趨于穩(wěn)定。剪切時(shí)間效應(yīng)的強(qiáng)弱與潤(rùn)滑劑分子結(jié)構(gòu)和表面力有關(guān)。溫詩鑄、雒建斌等人利用相對(duì)干涉光強(qiáng)測(cè)量納米級(jí)膜厚的方法。解決了納米潤(rùn)滑膜厚度的測(cè)量問題，并在后續(xù)工作中擴(kuò)大儀器的膜厚測(cè)量范圍，增加了三維自適應(yīng)

19、摩擦力測(cè)試裝置、潤(rùn)滑油微流量循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面3種接觸方式下微摩擦力和膜厚的同時(shí)測(cè)量。圖7 膜厚測(cè)量系統(tǒng)示意圖他們繼而對(duì)薄膜潤(rùn)滑的性能和機(jī)理進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了薄膜潤(rùn)滑膜厚度與工況因子的關(guān)系（粘度、滾比）、潤(rùn)滑膜厚度與固體表面能的關(guān)系、時(shí)間效應(yīng)等等。雒建斌等在自行研究的納米薄厚點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑試驗(yàn)裝置上對(duì)薄膜潤(rùn)滑進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。得出膜厚隨工況參數(shù)的變化規(guī)律不再遵循傳統(tǒng)的彈流潤(rùn)滑理論，從而構(gòu)成一種新的潤(rùn)滑狀態(tài)。另外，薄膜潤(rùn)滑的膜厚與摩擦副材料的表面能密切相關(guān)，表面效應(yīng)是決定潤(rùn)滑行為的關(guān)鍵因素，這使薄膜潤(rùn)滑的主要特征。圖8 薄膜潤(rùn)滑圖 圖9 時(shí)間效應(yīng)薄膜潤(rùn)滑還具有油膜厚度

20、隨連續(xù)運(yùn)行時(shí)間而增加，如圖8,9所示。其中a,c分別為邊界潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，它們的油膜厚度值穩(wěn)定不變;b為薄膜潤(rùn)滑，其油膜隨時(shí)間不斷增厚，逐漸達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值。其原理是潤(rùn)滑油分子在固體表面能的作用下個(gè)，向表面聚集并趨于有序排列，使有序?qū)雍穸戎饾u增加。因?yàn)橛行驅(qū)雍穸仍黾?，表面力的作用也隨之減弱，最終油膜厚度達(dá)到了穩(wěn)定值。基于試驗(yàn)得出的系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，提出了薄膜潤(rùn)滑的物理模型，如圖10所示：圖10 薄膜潤(rùn)滑模型彈流潤(rùn)滑膜是油分子排列無序的流體膜，其特性能服從粘性流體力學(xué)規(guī)律。對(duì)于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑膜是分子吸附在固體表面形成分子有序排列而呈類固態(tài)的吸附膜，通常是單分子吸附膜。薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)的潤(rùn)滑膜是有

21、流體膜、有序膜和吸附膜組成的多層結(jié)構(gòu)。其中，有序膜是由于表面能作用而形成的分子有序排列的液態(tài)膜。當(dāng)潤(rùn)滑膜較厚時(shí)，流體膜占主導(dǎo)地位，潤(rùn)滑性能服從彈流潤(rùn)滑規(guī)律。隨著潤(rùn)滑膜變薄，有序膜的厚度所占比例增大，則呈現(xiàn)薄膜潤(rùn)滑特征。而當(dāng)膜厚進(jìn)一步減小，單分子吸附層將起主導(dǎo)作用，這就是邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。如下圖所示，當(dāng)油膜厚度大于3倍的綜合表面粗糙度時(shí)，油膜厚度在不同潤(rùn)滑狀態(tài)下與影響因子的關(guān)系。在彈流潤(rùn)滑區(qū)，油膜按彈流規(guī)律變化，壓力對(duì)于這一區(qū)域的油膜厚度有輕微的影像。當(dāng)速度減小，當(dāng)油膜到達(dá)臨界油膜厚度并進(jìn)入薄膜潤(rùn)滑區(qū)。當(dāng)速度進(jìn)一步減小，油膜減小到液體膜破裂的失效點(diǎn)，如圖中點(diǎn)線所示。圖11 不同潤(rùn)滑狀態(tài)的油膜特性（意

22、義）：薄膜潤(rùn)滑的提出，對(duì)完善潤(rùn)滑理論體系有重要的價(jià)值。雖然通過實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，對(duì)于薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)的特性和機(jī)理有了全面的了解，但仍然存在以下問題亟待解決：潤(rùn)滑膜有序性的測(cè)試技術(shù)；等效粘度與潤(rùn)滑分子的大小極性相關(guān)性；潤(rùn)滑膜厚時(shí)變性的機(jī)理；液體與類固體互相變規(guī)律等等，都還需要進(jìn)一步研究。薄膜潤(rùn)滑理論的完善，將對(duì)未來高精密機(jī)械以及微型機(jī)械的發(fā)展有重要價(jià)值。4.5 微觀磨損與納米加工現(xiàn)代納米摩擦學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是與微納米制造技術(shù)相結(jié)合。微觀磨損研究是原子分子尺度上揭示表面相互作用、變化及其損傷，旨在限制材料剝落。而納米加工技術(shù)的研究目標(biāo)是使表面材料在控制下實(shí)現(xiàn)原子層的剝落。雖然兩者的研究目的不同，

23、但研究對(duì)象卻是統(tǒng)一物理過程，即表面材料在極輕載荷下的運(yùn)動(dòng)遷移規(guī)律。Bhushan等人研究了磁頭與磁盤、磁頭與磁帶，得出，由于材料表面在納米范圍內(nèi)的機(jī)械性能高于體相的，因而抗微觀磨損能力高于抗宏觀磨損。此外，微觀磨損集中發(fā)生在表面劃痕，而劃痕又萌生于表面缺陷，無缺陷和初始劃痕的地方抗磨損能力高，因而微觀磨損分布是很不均勻的。雒建斌等在計(jì)算機(jī)磁盤磁頭亞納米級(jí)拋光研究中，開發(fā)出納米金剛石粉拋光液和拋光工藝，使磁頭表面粗糙度達(dá)到0.2nm以下，并消除了表面劃痕和黑點(diǎn)，從而提高了磁頭防腐蝕能力。由于降低了表面粗糙度，經(jīng)使用表面，其輸出信號(hào)增大，加強(qiáng)了磁頭的讀寫性能。Lei等人針對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤超精密加工中化

24、學(xué)機(jī)械拋光CMP工藝過程，成功研制了磁盤表面原子級(jí)光滑表面的拋光液和拋光技術(shù)，使得主要質(zhì)量指標(biāo)波紋度和粗糙度降至0.05nm和0.041nm，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，應(yīng)用生成。另外，為減少磁頭飛行過程中的磨損、碰撞和污染、腐蝕，需要在磁頭表面添加保護(hù)膜。為此，研制了多種磁頭表面超薄膜有機(jī)分子膜，顯著改善了磁頭表面的潔凈程度，降低硬盤啟動(dòng)時(shí)的摩擦力。用AFM的探針對(duì)材料表面做微壓痕實(shí)驗(yàn)，根據(jù)壓下載荷和壓痕投影面積測(cè)量納米尺度的微硬度和塑性變形機(jī)理；根據(jù)壓痕過程的加載和卸載曲線還可以研究彈性模量和材料轉(zhuǎn)移規(guī)律。此外，在納米材料和表面微觀改性及摩擦化學(xué)等研究領(lǐng)域都取得了一系列進(jìn)展。五、應(yīng)用在工程應(yīng)用方面

25、，表面改性和實(shí)現(xiàn)薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)可以改善摩擦學(xué)性能。5.1 納米摩擦在磁盤存儲(chǔ)介質(zhì)中的應(yīng)用例如，在大容量、高密度的計(jì)算機(jī)磁記錄裝置中，通常要求磁頭與磁介質(zhì)間的距離小于50nm，軟磁盤每運(yùn)行10100KM的磨損量應(yīng)小于一層原子，而硬磁盤磨損率應(yīng)為零。近年來，利用納米顆粒材料和表面改性技術(shù)研制的表面分子涂層，如類金剛石膜、NI-P非晶膜和非晶碳膜等作為磁盤表面保護(hù)膜，以及利用LB（Langmuir-Blodgett）膜技術(shù)在固體表面組裝成有序分析潤(rùn)滑薄膜，獲得了優(yōu)異的減摩耐磨性能。5.2 納米摩擦在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用1988年第一個(gè)微型靜電馬達(dá)誕生，MEMS的研究受到了人們極大的關(guān)注。但含有驅(qū)動(dòng)器的M

26、EMS裝置，存在因?yàn)槟Σ?、磨損造成的性能及壽命的問題。微機(jī)械構(gòu)件接觸時(shí)的機(jī)械作用力很小，幾乎不對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生作用和影響。摩擦將取決于表面間的分子作用力，表面力和表面粘著能是產(chǎn)生粘著和變形的主要原因。因此控制MEMS系統(tǒng)表面特性是改善摩擦、降低磨損、提高運(yùn)行穩(wěn)定性的有效途徑。圖12 MEMS 陀螺儀5.3 納米潤(rùn)滑針對(duì)納米潤(rùn)滑油添加劑摩擦學(xué)性能的研究也受廣泛的關(guān)注，并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。例如，將納米Cu粉加入到發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中，發(fā)現(xiàn)在高載荷及高速下，納米Cu能有效地提高潤(rùn)滑油的抗磨性能，且能降低摩擦。俄羅斯利用納米金剛石作潤(rùn)滑油添加劑生產(chǎn)了牌號(hào)為N-50A磨合潤(rùn)滑劑，專門用于內(nèi)燃機(jī)磨合。該產(chǎn)品可使磨

27、合時(shí)間縮短50%90%，同時(shí)提高磨合質(zhì)量，節(jié)約燃料，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。若用于精密加工機(jī)床的潤(rùn)滑，該油品較普通機(jī)床油減少用油50%。圖13 常見納米潤(rùn)滑油5.4 其他大規(guī)模集成電路的制造需要潔凈的環(huán)境，排除由軸承摩擦磨損而產(chǎn)生的尺寸10nm以上的塵埃。塵埃產(chǎn)生于軸承表面的損壞，可通過表面改性或修飾，以減小軸承表面的摩擦、降低磨損。對(duì)于尺寸在毫米以下甚至微米級(jí)范圍的微型機(jī)械，如可清除血管內(nèi)壁沉積物的微型機(jī)器人等，此時(shí)表面效應(yīng)非常明顯，摩擦則是重要的因素之一。在通訊衛(wèi)星中，天線需要精確的定位機(jī)構(gòu)和展開機(jī)構(gòu)，要求軸承扭矩在710年內(nèi)不變，經(jīng)過一百萬次循環(huán)后精度不變，此時(shí)必須研制新型潤(rùn)滑劑以減少微觀尺度的摩擦力和磨損變化。納米摩擦學(xué)的產(chǎn)生提供了一種新