液体环境下表面电荷对微纳尺度摩擦磨损的影响.pdf

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1、硕士学位论文液体环境下表面电荷对微纳尺度摩擦磨损的影响EFFECTOFSURFACECHARGEONMICRO-NANOSCALEFRICTIONANDWEARINAQUEOUSENVIRONMENT龙洋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O363.2学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文液体环境下表面电荷对微纳尺度摩擦磨损的影响(学术型)硕士研究生：龙洋导师：赵学增教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔

2、滨工业大学ClassifiedIndex:O363.2U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEFFECTOFSURFACECHARGEONMICRO-NANOSCALEFRICTIONANDWEARINAQUEOUSENVIRONMENT(ACADEMIC)Candidate：LongYangSupervisor：Prof.ZhaoXuezengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeci

3、ality：MechatronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，微纳机电系统（MEMS/NEMS）在众多领域中都取得了十分广阔的应用，但由于系统尺寸的减小以及表面积-体积比的增大使得表面摩擦力成为制约其发展的重要因素。理论与实验研究

4、都指出，在液体环境下，固液界面的表面电荷会形成双电层，双电层之间的作用力对微纳米尺度的摩擦有着重要的影响，但是目前研究普遍集中在摩擦副为同种材料的情况，对于不同材料构成的摩擦副的研究很少，而且有关表面电荷对界面微纳米尺度磨损影响的研究并不充分。针对以上问题，本文应用原子力显微镜（AFM）研究了液体环境下表面电荷对于不同材料构成的摩擦副表面的摩擦性能以及磨损的影响。首先建立了AFM探针-样品双电层间静电力理论模型，推导了相应的计算公式，分析了SiO2、Al2O3、Si3N4三种样品固液界面表面电荷产生的机理，

5、测量了三种样品的表面电荷密度，研究了表面电荷对双电层间静电力的影响。最后基于探针-样品模型推导了范德华力计算公式，综合考虑静电力及范德华力的影响对摩擦力公式进行了修正。随后从分析AFM探针扫描样品表面过程中受力的变化入手，建立了一种将AFM电压信号转化为摩擦力的方法，并通过测量空气中Si3N4/云母表面间的摩擦系数，与前人研究进行对比，验证了该方法的准确性。建立了摩擦力转化方法后，利用AFM接触模式测量了不同pH值溶液中SiO2探针/Al2O3表面、Si3N4探针/SiO2表面以及Si3N4探针/Al2O3

6、表面三组摩擦副的摩擦系数，结合静电力理论计算结果，分析了非对称双电层间静电力对于两表面间摩擦系数的影响机理。最后，利用AFM接触模式进行了不同pH值溶液中云母以及MgO表面磨损实验，原位测量表面磨痕深度，分析了云母和MgO表面磨痕产生的机理，研究了表面电荷对于表面磨痕深度的影响。综上所述，本文测量了固液界面表面电荷密度，从理论上计算了双电层间静电力，建立了AFM测量摩擦力的方法，并利用AFM接触模式探究了双电层之间的作用力对于摩擦以及表面磨损的影响。关键词：微纳机电系统；表面电荷；原子力显微镜；摩擦力；磨痕

7、深度-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears,micro/nanoelectromechanicalsystems(MEMS/NEMS)arewidelyusedinmanyfields,duetothedecreasingdimensionandincreasingsurface-to-volumeratioofMEMS/NEMS,surfacefrictionhasbecomeanimportantfactorthatrestrictsitsdevelopment.

8、Theoreticalandexperimentalstudieshaveshownthatsurfacechargeonthesolid-liquidinterfacewillformanelectricdoublelayer(EDL)inaqueousenvironment,andtheforcebetweentheEDLsisbelievedtoaffectthemicro/nanofriction,but