纳米摩擦学简介

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1、纳米摩擦学一、综述摩擦、磨损与润滑是材料表面和界面上的微观动态行为。它涉及到金属、离子固体、半导体、陶瓷和有机材料等组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、热力学等物理化学过程、以及在非平衡条件下的非线性流动、变形等力学行为。仅从宏观的、连续介质的角度进行研究，难以深入地了解摩擦学现象和揭示其机理。纳米摩擦学或称微观摩擦学是在纳米尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及控制。摩擦学就其性质而言属于表面科学范畴，摩擦过程中材料表面所表现的宏观特性与其微观结构密切相关。纳米摩擦学研究提供了一种新的思维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构与宏观

2、特性的构性关系。因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发展进入一个新的阶段。Dowson在总结20年来摩擦学的重大发展后指出人们已认识到亚微米厚度的润滑膜和表面涂层的重要作用。现代摩擦学研究正向表面与界面科学和技术的方向发展。纳米摩擦学（NanoTribology）又称之为分子摩擦学（MolecularTribology），迅速成为机械学科的前沿领域。随着纳米科技的发展而新兴的纳米摩擦学是在原子分子尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及其控制，成为超精密机械和微型机械研究的重要技术基础之一。对纳米摩擦学的研究主要集中在纳米润滑与纳米摩擦两方面。纳米摩擦学旨

3、在原子、分子和纳米尺度下研究摩擦界面之间的摩擦、磨损与粘着行为及机理，设计和制备纳米尺度上的润滑剂和分级薄膜润滑膜，利用LB膜技术、AFM或FFM等现代表面分析技术揭示边界润滑剂的作用机理，并用计算机进行分子动力学模拟，即建立一个包含大量粒子的离散系统，建立数学和物理模型来模拟摩擦界面。二、实验仪器为了测量原子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行为，纳米摩擦学的实验常采用表面力仪（Surfaceforceapparatus）和扫描探针技术。具体有扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和摩擦力显微镜（FFM）。它们用于测量原子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行

4、为，在微摩擦、微划痕、纳米磨损与超精加工，以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨大的作用。图1扫描探针显微镜家族框图原子力显微镜AFM已成为研究微观形貌、微摩擦的主要工具。它是利用微悬臂梁作为检测探针针尖与样品表面原子间力的灵敏元件，因此构成一个微系统。图2原子力显微镜的工作原理在研究中发现，在用原子力显微镜进行横向扫描时，有些工况下会出现粘滑现象，而另一些条件则无粘滑。Zang等采用微尺度粘着接触理论的M-D模型，根据原子力显微镜探针针尖与样品表面弹性接触和运动中探针的扭转变形以及针尖与样品表面的接触变形能和粘着能，分析了扫描过程中的能量和耗散过程，推导出量纲一的粘滑数

5、n。当n<1时，扫描过程无剧烈变化；当n=1时，出现针尖跳跃现象和轻微粘滑，但无能量损耗；当n>1时，针尖跳跃加剧，粘滑现象显著，如图1所示。图3AFM针尖粘滑示意图（在过去的20年里），扫描隧道显微镜、原子力显微镜和计算机模拟技术作为摩擦学研究的强大工具，发现了很多纳米尺度上新的摩擦学现象。Bushan等做了很多实验，发现了一些微观摩擦力和纳米尺度上相关因素之间的新关系。为了探讨摩擦的本质，钱林茂等用原子力显微镜发现摩擦力与探针的形状及弹性模量、表面形貌、湿度等因素有关。王慧和胡元中等用分子动力学模拟研究了摩擦的起源，并认为原子组成的振子系统的稳定性取决于弹簧的刚

6、度和势的波动。如果增加弹簧刚度越大或势波动小，整个系统将变得更加稳定，使得摩擦力小能耗低。三、研究方法纳米摩擦学研究技术主要有两种，一是依实验技术突破口，进行纳米现象研究。另一种是采用计算机进行数值模拟研究。3.1实验技术在纳米摩擦学领域，隧道扫描显微镜、原子力显微镜和摩擦力显微镜虽已被广泛应用并取得了不错的进展，但是仍然难以跟进薄膜润滑的进展。表面力仪采用云母作为摩擦副达到了表面原子量级的平整，为纯理论研究提供了大量数据。垫层法和相对光强法较表面力仪更为接近实际润滑工况，揭示出薄膜润滑的一些纳米特性。随着纳米科技的迅速发展，需要发展一种工况与实际更为接近，表面粗糙

7、度又能达到原子级平整的动态膜厚、摩擦力测量仪。3.2计算机模拟技术摩擦学中计算机模拟研究方面主要有2种方法：一种是以连续介质力学为基础的流体数值模拟计算法，该方法在近年来已经深入到了亚微米量级的微弹流和薄膜润滑。另一种是以分子和原子间力为基础的突破了连续理论的分子动力学模拟计算法（MDS）。分子动力学计算机模拟是进行原子、分子量级计算和材料性质研究的一种新型工具。它是由统计物理学衍生的分析方法，具有沟通宏观与微观的作用。其基本原理是建立一个粒子系统以模拟研究对象和材料，通过数值方法计算系统中所有粒子的运动规律，再由统计平均得到该系统的宏观性质和行为。目前已经能够