纳米摩擦学研究进展

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1、第43卷第10期机械工程学报v01.43No.102007年10月CHINESEJ0UItNAL0FMECHANICALENGINEERINGOct・2007纳米摩擦学研究进展温诗铸（清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084）摘要：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。在20世纪90年代初期，我国摩擦学工作者开始该领域的研究，并取得可喜的成果。概述清华大学摩擦学国家重点实验室在纳米摩擦学主要方面的研究进展,包括薄膜润滑、受限液体特性与有序分了膜润滑、界面摩擦与粘滑现象、微尺度表

2、面工程与薄膜特性、磁头一磁盘纳米摩擦学研究以及试验测试仪器研制等，能对今后该领域的发展提供参考。关键词：纳米摩擦学研究进展中图分类号：TII117奠定了基础。0前言本文仅就清华大学摩擦学国家重点实验室的研究情况，概述在纳米摩擦学方面取得的研究进展。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、损伤及其控制。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特性之间的构性关系。因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发

3、展进入一个新阶段。纳米摩擦学研究有着广泛的应用需求。随着精密机械和高新技术装备的发展，特别是纳米科技所推动的新兴学科，例如纳米电子学、纳米生物学和微机电系统的研究都涉及到微观摩擦和表面界面行为。由于尺度效应和表面效应的影响，这些问题所遵循的规律已不再是宏观摩擦学原型11。在20世纪80年代，我国摩擦学工作者在科研实践中意识到未来摩擦学研究的发展趋势是由宏观性能的考察深入到微观机理、性能。因此，在20世纪90年代初期，当国际上开始兴起纳米摩擦学研究吋，我国摩擦学工作者就迅速启动该领域的研究，并取得可喜的成果。在国家自然科学基金资助下清华大学摩擦学国家重点实验室，在纳米薄膜润滑、受限液体流

4、变行为、有序分子膜润滑、微粘附与微摩擦机理、表面薄膜性能以及磁头一磁盘纳米摩擦学研究等方面取得重要成果。同时，还研制出多项试验研究装置和测试技术，以及发展了分子动力学模拟计算技术在纳米摩擦学研究中的应用软件，为纳米摩擦学研究200r70117收到初稿，20070615收到修改稿1薄膜润滑通过对弹性流体动力润滑（简称弹流润滑）研究的实践，我们认识到，润滑膜具有潜在的承载能力，可以实现以纳米膜厚为特征的薄膜润滑状态【2。31o根据对润滑理论体系的分析不难看出，无论从润滑膜厚度的连续性还是润滑膜特征由吸附边界膜转变到粘性流体膜都表明，在边界润滑与弹流润滑之间存在一个还不被完全认识的过渡区，即

5、薄膜润滑状态。现代制造技术的发展，机械加工的表面品质口益提高，再加上微观弹流润滑膜压力对粗糙峰具有展平作用，以及润滑膜高压下的固化现象，都大大地加强实现薄膜润滑状态的可能性。此外，薄膜润滑往往是保证现代一些高科技装备和超精密机械工作的关键技术。雒建斌等卜5】在自行研制的纳米膜厚点接触弹流润滑试验装置上对薄膜润滑进行了系统的研究。图1是薄膜润滑图，其中润滑剂为矿物油CN13604；庐4N；护一25°C。图1所示的试验表明，当膜厚薄到几个纳米时仍然可以实现全膜润滑状态。当膜厚小于30鲍左右时，膜厚随工况参数的变化规律不再遵循传统的弹流润滑理论，从而构成一种新的润滑状态。此外，薄膜润滑的膜厚

6、与摩擦副材料的表面能密切相关，图1中表面能最高的Ti02具有最厚的油膜。因此，表面效应是决定润滑行为的关键因素，这是薄膜润滑的主要特征。万方数据2机械工程学报第43卷第10期图1薄膜润滑图试验研究还揭示出薄膜润滑另一个重要特征一吋间效应，即油膜厚度随连续运行吋间而增加【6J。如图2所示，a、c分别为边界润滑和弹流润滑状态，它们的油膜厚度值稳定不变。b为薄膜润滑，其油膜随时间不断增厚，逐渐达到稳定数值。这是由于润滑油分子在固体表面能的作用下，向表面聚集并趋于有序排列，使有序层厚度逐渐增加。随着有序层厚度增加，表面力的作用也随之减弱，最终油膜厚度达到稳定值。运行吋间加in图2吋间效应a:十

7、二烷+3%棕櫚酸，，司N。乒30°C,硼毗眺,扣25.4鲍#b:十二烷+3%棕植］酸，，一N,参30°C,口•12皿曲，拢5.4mm；c:白油1,辟20N。乒20°C,?皇54.5mm/Bod=：喳.4鲍在系统考察特性的基础上，提出薄膜润滑的物理模型，如图3【71。爨勰…蕊一巢蠲豳溢褴裹熹墨弹流润滑膜是油分子排列无序的流体膜，其性能服从粘性流体力学规律。对于边界润滑状态，润滑膜是分子吸附在固体表面形成分子有序排列而呈类固态的吸附膜，通常是单分子