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1、清华大学学报(自然科学版)27/311997年第37卷JournalofTsinghuaUniversity(Sci&Tech)第11期第104～109页超滑研究进展与机理分析雒建斌,史兵,钱林茂,温诗铸,沙耀武清华大学精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室;清华大学化学系,北京100084文摘从低温超流理论,宏观力学超滑理论,有序与分子[5～8]条件研究。这两方面都已取得了初步进展。刷理论等方面着手,介绍了超滑态方面研究的最新进展。分1超滑机理研究的发展过程析了超滑的产生机理以及尚需进一步解决的问题。根据低温超流的本质以及流体与固体界面特
2、性,探讨了实现超滑态的目前超滑的产生机制有四种:一是处于宏观量可能性。子态的低温超流问题;二是特定对偶面和特定滑移关键词超滑;薄膜润滑;润滑机理方面的超滑问题;三是高速剪切导致润滑剂分子有分类号TH117序排列而出现的超动滑动问题;四是高分子膜造成的界面斥力场而出现的超滑问题。随着现代机械科学的发展,出现机电一体化、超1.1超流精密化和微型化的趋势,许多高新技术装置如微电超流现象先是由·卡皮察于1938年在一次子设备、微型机器人、生物医疗微型器械等的摩擦副低温实验中发现液氦(4He)在2.17K以下时出现无间隙常处于纳米量级。由于它们具有质量轻
3、(毫克量[9]摩擦的流动现象。在2.17K时发现盛在陶瓷容器级),载荷小(微克量级),表面比大,间隙小(纳米量中的超流氦会象水经过滤网一样漏出来。盛在玻璃级)等特点,从而使表面力、润滑分子间的作用力对容器中的超流氦会沿容器的壁“爬”出容器。Kubota摩擦力的影响相对于传统机械中的体积力而言显得最新研究表明临近固体表面的是一层正常流体,而非常突出。在此背景下,提出的超滑和零磨损概超流层仅仅是正常流体最外层的厚度为零点几纳米[1,2]念,引起了摩擦学、机械学、物理学和化学等各界[10]的薄层,如图1所示。从而纠正了人们普遍认为的研究学者的关注。超滑
4、是实现摩擦因数为零的润滑超流层是最临近固体而且比较厚的想法。状态。但是,一般认为摩擦因数在0.001量级或更低超流的机理是玻色子在低温下会发生玻色凝聚(与测试干扰信号同一量级)的润滑状态即为超滑现象,大量的离子都会处于同一最低的能态上。当有[2]态。对超滑技术和机理进行深入的研究,不但对探宏观量级的离子处于这一能态时,这个态的量子性索润滑和摩擦的本质具有很大的意义,而且也是对质就表现为宏观量子效应。于是,处于最低能态的离润滑理论体系的一种丰富。超滑机理的研究发展和子构成的流体就是超流体。而在基态上发生了元激超滑润滑材料的研制成功,将为人们逐渐地摆
5、脱摩[11]发的流体就是正常流体。如图2所示,一宏观物擦和磨损的束缚以及现代高新技术装备和纳米技术体M在超流体中以初速度v运动。如果有摩擦阻的发展提供可能。力,必然产生能量和动量的变化。在激发一个动量为超滑概念提出后,国外已有一部分摩擦学家、物p的元激发后,M的速度为v1,根据能量和动量守理和化学家投身到超滑机理和技术的研究中去。一恒定律可知[3,4]方面从理论上研究超滑的产生条件和存在机理,1212另一方面进行超滑材料的配置研究和超滑态的存在2Mv=2Mv1+(p)Mv=Mv1+p收稿日期:1996-09-20两式联立,消除v1得第一作者:雒
6、建斌,1961年生,副教授2*国家自然科学基金(59575032)和(p)-pv+p/2M=0清华大学青年基金项目M相对很大,最后一项可以忽略。设p与v之雒建斌,等:超滑研究进展与机理分析105特定方向(如塑性变形中的滑移方向)。在一些实验中,如采用云母、高真空下特定滑移方向的二硫化[3,5,6][12]钼,高取向热解石墨作摩擦副;已观察到沿特定方向滑移时,摩擦因数迅速减少(MoS2在真空[13～15]下摩擦因数小于0.001)的现象。Hirano等人在1993到1997年间,运用晶体结构和表面能的理论对二硫化钼等固体润滑剂的超滑现象作了有益的
7、探索。他们用扫描隧道显微镜观察到净洁的Si图1液氦超流模型(001)面与探头表面W(011)之间摩擦力消失的现间的夹角为,于是有象,从而证明在强粘附力作用下,加载表面间仍然存pvcos=(p)在摩擦力消失的现象。遗憾的是由于其实验精度不太确切,他们的研究结果未得到世人的公认。另外,在两接触面最不匹配的情况下是否会发生摩擦力为零的超滑现象是摩擦学界乃至物理学界正在关注的问题。特别是实验验证方面尚需做大量的工作。图2超流模型由于液体处于宏观量子态,能量不连续,存在一个势垒,即(p)存在一大于0的最小值。当传递给宏观量子态的液体一个小于(p)
8、最小值的能量时,不会引起该液体的能量变化。也就是说物体M存在一临界速度Vc=[(p)/p]min。当运行速度v小于Vc时,其在宏观量子
