基于DMT模型的金刚石表面纳米摩擦学研究

基于DMT接触模型,在理论上计算金刚石表面纳米摩擦的摩擦力和摩擦因数;采用原子力显微镜,以金刚石探针和片状金刚石试件作为摩擦副,在大气环境下分别研究机械抛光和聚焦离子束(FIB)刻蚀的金刚石试件的摩擦学特性,并比较实验结果和DMT接触模型计算结果。结果表明:金刚石试件的摩擦因数均随着载荷的增加而减小,这与以往对金刚石微观摩擦的研究结果相符合;DMT接触模型计算结果与机械抛光表面试验结果吻合较好,而略高于FIB刻蚀表面试验结果,验证了DMT模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性。通过表面粗糙度和碳原子化学状态分析,得出粗糙表面对探针滑动的阻碍作用和FIB刻蚀过程中生产的非晶碳的减摩作用是DMT模型应用于上述2种加工表面产生差异的原因。

从经典摩擦到纳米摩擦

８０年代末期纳米科学技术的诞生与发展使人们有可能研究纳米尺度上的摩擦．本文着重介绍９０年代纳米摩擦的新进展和新成果．

石墨烯的纳米摩擦与磨损性质

采用乙醇溶剂剥离的方法制备石墨烯.通过对溶剂温度、超声时间、超声功率和溶剂离心速度及时间的控制,从高定向热解石墨(HOPG)制备得到少层石墨烯.用原子力显微镜(AFM)研究了云母基底上不同层数石墨烯在真空中的纳米摩擦过程,发现从约4个原子单层(4ML)起,摩擦系数基本不再变化,但摩擦力仍随着厚度的增加而显著减小,7ML之后,其摩擦系数基本接近于零.在磨损实验中,少层石墨烯表面存在刮坏的现象,且不同厚度的石墨烯的磨损现象明显不同,其中2ML石墨烯相比4ML石墨烯表现出较好的耐磨损性能,且不具有摩擦方向依赖性.测试了真空下少层石墨烯和云母表面的粘附力,发现不同层厚的石墨烯相差不大,因此认为基底效应并不是磨损性质差异的主要原因.相对于单层石墨烯,少层石墨烯在抗磨损涂层等领域有着很大的潜在应用价值.

影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素

利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响,并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响.结果表明:对Si3N4针尖而言,表面净电荷对摩擦特性有一定的影响,不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同,正电荷影响相对较大;在较小载荷和粘附力的条件下,针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关;单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大,分子沉积膜的表面高度同摩擦力,即时测量值并不存在对应关系,摩擦力受表面形貌的影响较小.

汽车发动机正时链试验中的纳米摩擦

在汽车发动机正时链系统工作性能试验中,通过对链条滚子、套筒、销轴等表面SEM形貌失效分析,发现在间隙配合的中链板与销轴之间的工作结合面出现了细小的皱纹,而同一销轴两端与两个外链板过盈配合的结合面却不存在这种现象。这种接触表面的形成,是位移在纳米条件下,并且在垂直交变载荷与表面切向力的合力所导致的结果,最终导致配合面的微小变形。这表明微动磨损在纳米级别的微动磨损初期应首先是表面的晶界变形,而不一定微动磨损的结果就是接触表面的破坏。这种大面积接触的微动不同于一般小面积接触的微动,试验中出现的微动磨损现象也是纳米摩擦学中的另一典型的初期特征。

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性,并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为.结果表明,同硅基体相比,聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱,薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关;碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移,从而对针尖起修饰作用,以减轻微观摩擦磨损.

载荷、相对湿度和气氛对硅表面及金表面纳米摩擦特性的影响

利用分子沉积技术 ,在不同修饰的硅表面上考察了载荷对纳米摩擦学性能的影响 ,同时在阴、阳离子化金表面上考察了湿度、气氛对纳米摩擦学性能的影响。结果表明 ,不同修饰的硅表面在较低的载荷下 ,摩擦力均随着载荷成线性增加 ,同时发现单层磺化酞菁铜MD膜修饰的硅表面没有改变硅的摩擦特性 ;试验表明 ,在阳离子化金表面上 ,相对湿度越大 ,摩擦力和摩擦系数越低 ;阴离子化金表面在氮气保护下 ,体系的摩擦学特性不同于大气环境。

粘附对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响

利用原子力显微镜(AFM)分别对带正电荷的阳离子型2巯基乙基二甲基氯化铵化金表面(AuSR+)、单层磺化酞菁铜(CuTsPc)分子沉积膜(MD)硅表面和单层CuTsPc MD膜金表面进行了纳米摩擦试验,考察了粘附现象对具有纳米级厚度的MD膜摩擦特性的影响。结果表明,在纳米摩擦过程中粘附的存在,不仅会改变表面的性质,造成摩擦因数等摩擦学特性的变化,而且还会因增大法向力,致使摩擦力增加。并进一步证明卸载是验证摩擦过程中存在粘附力的另外一种方法。

基于LFM的类金刚石膜纳米摩擦现象研究

使用原子力显微镜(AFM)中的侧向力(LFM)模式对类金刚石膜纳米尺度的摩擦现象进行了研究,主要考察了载荷、微观形貌、粘附对类金刚石膜纳米摩擦性能的影响。首先结合粘附的影响提出了适用于外加载荷在100nN以下类金刚石膜纳米摩擦力表征的修正Amonton公式。其次,试验发现摩擦过程中表面接触峰的斜率对薄膜的微观摩擦力的影响较大,微观摩擦系数与倾角θ成正比例关系,最后结合两者给出了综合考虑载荷、表面形貌、粘附且可用于类金刚石膜纳米尺度摩擦力表征的数学方法。

扫描速率对硅表面分子沉积膜纳米摩擦特性的影响

The change of frictional force was studied with the increase of scan rate on different Si surface by atomic force microscopy.The results showed that frictional force had different effect with the increasement of scan rate on different surface.To Si surface and hydroxylate silicon surface,it became bigger.It first decreased and then increased on aminopropylsilanixed(APS)silicon surface,taking on conic section relation.It declined on monolayer copper phthalocyaninetetrasulfonic,tetrasodium salt(CuTsPc)molecular deposition film.In the process of scan,frictional heat greatly affected friction and may even change the shape of the film so that plastic flow arouse.

微机电系统(MEMS)纳米摩擦学研究进展

随着微型机电系统(MEMS)的快速发展,MEMS摩擦学已成为当前纳米摩擦学研究中最活跃的前沿领域之 一。微观尺寸上的摩擦磨损和润滑对整个MEMS系统的性能、稳定性和寿命起着决定作用,因此研究MEMS的微观摩 擦学性能至关重要。本文对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述,介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性, 讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况,提出了 当前相关研究的几个重要问题。

PAH/PAA(TiO_2)分子沉积膜及其纳米摩擦学行为的研究

用分子沉积技术制备了PAH/PAA(TiO2)多层聚合物复合纳米粒子薄膜,为了增大薄膜自身的结合强度,采用加热的方式使其成膜动力发生转变。用紫外光谱及原子力显微镜(AFM)研究了薄膜的微观结构及其纳米摩擦学性能。结果表明,加热后薄膜中纳米粒子的长大导致薄膜表面粗糙度降低,同时提高了表面硬度,降低了薄膜表面摩擦力。

纳米摩擦学研究进展

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子膜润滑、界面摩擦与粘滑现象、微尺度表面工程与薄膜特性、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。

微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应

建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行形貌修饰,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验.结果表明:硅表面经过形貌修饰后,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关,而且与接触副的等效曲率半径相关;在纳米尺度下,粗糙峰斜率对摩擦力的影响较大;在微米尺度下,等效曲率半径对摩擦力的影响较大;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的情况,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规律.

掺氮类金刚石薄膜的纳米力学及纳米摩擦特性研究

利用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了不同氮掺杂量的类金刚石(DLC)薄膜,采用俄歇电子能谱仪、R am an光谱仪和Hys itron型纳米力学测试系统对掺氮类金刚石薄膜的化学成分和结构、纳米力学及其纳米摩擦特性进行研究.结果表明:反应气体中氮气流量比例越大,类金刚石薄膜中的氮含量越高;随着薄膜中氮含量增加,掺氮类金刚石薄膜中sp3比例下降,sp2比例明显增加,而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量明显下降;纳米划擦试验中的划痕深度与薄膜中氮含量有关,当载荷相同时,氮含量越高,所对应的划痕深度越深;名义摩擦系数(LF/NF)随着载荷增加而增大;当载荷相同时,摩擦系数与沉积膜中的氮含量无关.

基于微纳米摩擦学的超精密加工技术研究进展

回顾了超精密加工机理研究的几种主要方法,重点介绍了结合微观摩擦磨损和分子动力学模拟的微纳米加工材料去除机理的研究现状。在此基础上,简单讨论了微摩擦磨损与微纳米切削加工的关系,试图说明当切削深度小到接近于刀具的刃口半径时,微纳米切削加工中刀具与工件的作用过程近似于滑动摩擦作用过程,基于微摩擦学的微纳米加工机理的研究是合适的、有意义的。

基于原子尺度的摩擦学研究──纳米摩擦学

在评述摩擦学发展趋势的基础上，从现代纳米科学技术的需要出发，阐述纳米摩擦学兴起的背景及其在理论和应用上的意义；提出纳米摩擦学的研究特征和学科基础，以及加速其发展的有效途径。论述基于原子尺度的微观研究在固体表面接触与粘着行为、界面分子膜与边界润滑特性、微观摩擦、纳米刻划与微磨损机理等领域取得的主要进展，并提出以发展微型机械一电子系统和实现超滑和零磨损为目标的研究方向，包括微观表面工程和有序分子膜润滑研究等。

热压碳化硼材料的纳米摩擦性能研究

用原子力/摩擦力显微镜对碳化硼样品进行了表面形貌的微观分析。在载荷为1～6μN下,研究了Si_3N_4探针扫描碳化硼表面时摩擦力的分布。结果表明,摩擦力的变化与扫描处的试样表面形貌有关,表面形貌变化斜率越大处,摩擦力增加得越多。由于试样较平整,摩擦力的分布也是比较均匀的。碳化硼材料纳米摩擦因数随载荷的增加而显著增加。

扫描探针显微镜应用于材料纳米摩擦学研究的若干技术问题

扫描探针显微镜已经成为材料纳米摩擦学研究的主要工具之一,本文探讨了扫描探针显微镜应用于材料纳米摩擦学研究的若干测试技术问题,并用摩擦力显微镜对DLC薄膜的纳米摩擦学行为进行了研究.

硼酸的纳米摩擦学研究

具有层状结构的硼酸是一种有良好润滑特性的固体润滑材料,特别是在氧化硼表面上,硼酸有很好的自润滑特性.本文以原子力显微镜为工具,对不同湿度环境下氧化硼表面上形成的硼酸进行研究,初步揭示了其纳米摩擦学特性.