纳米摩擦学

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1、1,纳米摩擦学,2,目录,1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑 4.总结 5.参考文献 6.结束语,3,1.纳米摩擦学及其发展历史,纳米的概念,纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技。 纳米是一个长度单位，一纳米是一米的十亿分之一，相当于人类头发直径的万分之一。因此，纳米科技是在和微观世界“打交道”。,4,1.纳米摩擦学及其发展历史,纳米摩擦学和宏观摩擦学,纳米摩擦学：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。,宏观摩擦学：通常是根据材料表明的体相性质在摩擦 界面上的反应来表征其摩擦磨损行为， 并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳 理

2、论作为分析的基础。,5,1.纳米摩擦学及其发展历史,研究仪器： 表面力仪SFA 扫描隧道显微STM 原子力显微AFM 摩擦力显微镜FFM 以及专门的微型实验装置,6,1.纳米摩擦学及其发展历史,表面力仪SFA,扫描隧道显微STM,原子力显微AFM,摩擦力显微镜FFM,7,1.纳米摩擦学及其发展历史,纳米摩擦学历史回顾：,十七世纪末，Amontons 在1966年通过对现象的观察与实验， 首次归纳出固体摩擦定律。 18世纪摩擦学的特点是以试验为基础的经验研究模式。 19 世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。 20 世纪20年代以后，摩擦学发展成为涉及力学、热处理、材 料科学和物理化学等的边

3、缘学科，从此开创了多学科综合研 究的模式。,8,1.纳米摩擦学及其发展历史,1965 年首次提出 Tribology(摩擦学)一词，简要地定义 为“关于摩擦过程的科学”。 20世纪80年代，我国摩擦学工作者在科研实践中意识 到未来摩擦学的发展趋势是由宏观性能的考察深入 到微观机理、性能，从而发展了纳米摩擦学。 20世纪90年代初期，当国际上开始兴起纳米摩擦学研 究时，我国摩擦学工作者迅速启动该领域的研究，并 取得可喜的研究成果。,9,1.纳米摩擦学及其发展历史,小结：,（1）纳米摩擦学是在原子、分子尺度（0.1100mm）上研究相对运动界面的摩擦、磨损与润滑行为和机理。 （2）它是一种新的研究

4、模式与思维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构和宏观特性之间的构型关系。 （3）更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发展到一个新阶段。,10,目录,1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑 4.总结 5.参考文献 6.结束语,2.微观摩擦,11,本节将从原子、分子尺度上讨论极光滑固体表面在不施加液体润滑介质条件下的干摩擦特性和机理，包括洁净表面以及经表面处理或被污染而形成固体膜的表面。,12,2.微观摩擦,现代精密机械和微型机械中的摩擦副通常处于纳米量级的间隙， 它们的表面极光滑，接触时达到分子密合程度。 对于这类表面的摩擦问题，以表面宏观粗糙

5、度和材料体相变形 分析为基础的经典摩擦理论已不再适用。 在微型机械中，由于尺寸效应的影响，使得表面摩擦力的作用 远远超过体积力，降低摩擦以节约能耗就成为关键问题。同时， 微型机械中的传动和步行机构以及微电子测试仪器的微动装置， 通常都是利用摩擦力作为驱动力，因此要求对摩擦实现严格的主 动控制。,13,2.微观摩擦,在1989年第五届欧洲摩擦学国际学术会议上，Homola和Israelachvili等人提出摩擦研究中应当区分两类摩擦副的接触状态： （a）有磨损的常规摩擦。此时，界面上宏观尺度的磨粒将两表面隔开，实际接触面积仅占表观接触面积很小的比例； （b）无磨损的极光滑表面组成的摩擦副，两表面

6、密合而形成分子接触，他们称这类摩擦为界面摩擦(interfacial frction)。界面摩擦对于电子计算机硬件、空间装置和纳米科技的发展日益重要，也是纳米摩擦学研究的主要对象。,14,2.微观摩擦,由滑动摩擦的宏观研究得出固体摩擦遵循 Amontons摩擦公式，即摩擦力F与载荷P成正比， 其比例常数为摩擦系数 F=P (2-1) 1967年Bowdon和Tabor提出，粘着接触表面的摩 擦即界面摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要 克服的阻力 FcA (2-2) 其中，A为粘着接触面积，它可以根据Johnson等 人建立的考虑表面粘着能影响的弹性接触公式 JKR公式计算。对于半径为r的半球体

7、与平面接触， 接触面积A与载荷P的关系为：,(2-3),15,2.微观摩擦,y-PPs Ps3r 计算表明，由JKR公式(23)计算的接触面积大于Hertz弹性接 触理论的计算值。式(22)中的c为粘着接触面积上的极限剪 切应力。 Homola和Isrnelachvili等利用表面力仪SFA对于云母材料的界面 摩擦特性进行了实验研究。两块云母片分别粘结在两个硅材料 制成的圆柱表面，再将两个圆柱正交放置形成点接触摩擦副， 接触面积为正圆，模拟单个粗糙峰的接触情况。实验表明，在 表面处于分子接触状态的滑动中，极限剪切应力由三部分组成， 即:,16,2.微观摩擦,通过引用Hentz弹性接触理论中AP

8、2/3的关系式，上式可以改写成: FC1P2/3十C2P十C3P4/3 (2-4) 式中，C1，C2，C3分别为与粘着能、弹性常数K、球体半径r等有关的函数。 由式(2-4)分析可知，在组成界面摩擦力的各项因素中，通常第三项所占比例较小，可以忽略不计。当表面粘着强度较大时，第一项是界面摩擦力的主要成分，此时可以近似地采用式(2-2)计算摩擦力，并用Hertz弹性接触理论计算接触面积，即AP2/3。而当外加载荷P相对较大时，界面摩擦力将以第二项为主，接近于描述常规摩擦的Amontons公式(2-1)。,17,2.微观摩擦,图 2-1,实验证明，在界面摩擦过程中，一旦出现表面损伤而产生磨粒时，就立

9、即转变到常规摩擦的规律。下面为Homola A M的实验结果，分为两种工况： 图(a)为云母表面在干燥空气中的摩擦特性 图(b)为云母表面涂抹有硬脂酸钙单分子层的摩擦特性。,18,2.微观摩擦,图中，曲线1表示无磨损的界面摩擦；曲线2表示有磨损的常规摩擦。由图可知，当出现磨损时，界面摩擦迅速转变为常规摩擦。同时还证明，对于(a)、(b)两种摩擦工况，式(2-1)和式(2-2)与实验结果吻合较好，而且JKR公式计算值也与实验数据相一致。,19,2.微观摩擦,宏观摩擦系数和微观摩擦系数,下面是Bhushan和Koinkar做的相关实验。实验中采用球-盘摩擦实验机和摩擦力显微镜FFM，对材料的宏观摩

10、擦系数和微观摩擦系数进行了对比实验。结果如下表所示。,20,2.微观摩擦,表 2-1,表2-1中说明，微观摩擦系数远远低于宏观摩擦系数， Bhushan等认为，在纳米摩擦学实验中，根据微小尺度和极轻载荷测量的材料硬度和弹性模量都比宏观测量的数值高，因而微观摩擦过程中，材料的磨损极少，从而摩擦系数低。同时，微观摩擦中，嵌入表面的磨粒少，也减少了梨沟效应对摩擦力的影响。实验还证明，当载荷增加时，微观摩擦系数和微观磨损都显著增加，因而经典的Amontons公式中摩擦系数与接触面积和载荷无关的结论显然不符合微观摩擦规律。他们还进一步推论，在轻载荷作用下微小面积的滑动表面将具有实现极低摩擦和零磨损的可能

11、性。,21,目录,1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑 4.总结 5.参考文献 6.结束语,22,3.薄膜润滑,机械及精密机械工作中，摩擦副之间的润滑膜 常处于十几个到几十个纳米厚度的薄膜润滑状 态，这种厚度的润滑薄膜即为纳米润滑薄膜。 润滑膜厚度与表面粗糙度处于同数量级，以致 润滑特性不仅取决于润滑剂的黏性，还与润滑 剂物理化学性质和摩擦表面特性有关的润滑。,23,3.薄膜润滑,图3-1 各种润滑状态情况,24,3.薄膜润滑,流体动压润滑：10，0000纳米500,1000纳米 弹流润滑： 100纳米1000纳米（点线接触摩擦副） 薄膜润滑： 10纳米100纳米（特定工况条

12、件下各类摩擦副） 边界润滑： 5纳米10纳米,润滑状态的转化,25,3.薄膜润滑,图3-2 Stribeck曲线,根据摩擦系数 与无量纲参数 的变化，将润滑状态划分为流体动力润滑、混合润滑、边界润滑三个区域。 为润滑油粘度， 为轴颈旋转角速度， 为单位投影面积上的载荷。,26,3.薄膜润滑,60年代发展的弹流润滑是流体润滑状态的一种特殊形式。考察流体膜润滑状态转化可以用膜厚 和摩擦系数 两个量的变化来分析，将它们表示为：,a和b为与表面接触形状有关的常数。,27,3.薄膜润滑,Dowson根据线接触弹流润滑计算结果，将流体动力润滑和弹流润滑中h和u的变化组成图3-3，图中的u的变化与Strib

13、eck曲线类似。在图3-3基础上， Dowson进一步提出图3-4所示润滑状态图。,图3-3 流体膜润滑,图3-3 流体膜润滑,28,3.薄膜润滑,小结：,对于精密加工表面，并考虑粗糙表面微观弹流润滑的展 平作用，近年来新出现的薄膜润滑应是介于弹流润滑和 边界润滑之间的状态。在图3-3中，它包容混合润滑，并 且出现在相当宽的范围内。 从弹流润滑向薄膜润滑转化的条件主要取决于润滑膜厚度， 当弹流膜厚减薄到一定数值时，膜厚变化规律偏离弹流润 滑理论，该膜厚值即为转化膜厚。,29,目录,1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑 4.总结 5.参考文献 6.结束语,30,4.总结,纳米科

14、学技术的出现无疑是现代科学技术的一个重大突破，由此派生出一系列新的学科，纳米摩擦学便是其中之一。纳米摩擦学的出现不但为现代超精密机械与微型机械的设计、制造与运行提供技术基础，也对宏观摩擦学理论的深化有很大促进作用，进而对机械工业水平的提高将产生重大影响。所以纳米摩擦学的研究既有重要的理论意义，也有广泛的应用前景。,31,目录,1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑 4.总结 5.参考文献 6.结束语,32,5.参考文献,1 温诗铸，纳米摩擦学M，北京：清华大学出版社，1998 2 温诗铸，纳米摩擦学研究进展，机械工程学报,第43卷第10期, 2007年10月 3 温诗铸,清华大学学报，1994,34(s3):18 4 温诗铸,杨沛然，弹性流体动力润滑，北京：清华大学出版社， 1992,33,谢谢大家！,