微机械学中的纳米摩擦学_第三节_固液接触and固固接触
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微机械学中的纳米摩擦学_第二节续
办法是让光跑得更快——这显然不可能。 光学显微镜
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第二节 实验测试仪器
2.1 常用电子显微镜 LOGO
电子显微镜常用的有透射电镜（transmission electron microscope，TEM ）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）。
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中原子核反弹回来的散射角大于90°的那些入射电
子，其能量基本上没有变化。弹性背散射电子的能 量为数千到数万电子伏。 非弹性背散射电子定义：非弹性背散射电子
是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散
射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变 化。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出 样品表面，这就形成非弹性背散射电子。 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽， 从数十电子伏到数千电子伏
有效穿透深度：与入射电
子能量和样品性质有关。 当Eo＝10-1000 eV，时λ 不超过1.5*10^-9米；当 Eo＝40-100eV时，λ只有 6*10^-10米，
电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特
征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微
区成分分析。
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第二节 实验测试仪器
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第二节 实验测试仪器
2.1 常用电子显微镜
透射电镜缺点
1．破坏性样品制备。TEM需要很薄的样品使电子束能够穿过。对于大多数材料，
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要求在100微米以下。制样的问题，其技术难度很大，观察点的定位很难。
2．低采样率。由于TEM的观察范围很小（几个微米），而且样品很薄（小于100 nm），实验测试到的样品区域只占整体材料的极小一部分。这个微小的区域未必能真 实反映材料的性质。 3. 是分析周期长，一般商业分析服务周期为一星期左右。 4. TEM的成本大大高于SEM的成本。
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第二节 实验测试仪器
2.1 常用电子显微镜 LOGO
电子显微镜常用的有透射电镜（transmission electron microscope，TEM ）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）。
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中原子核反弹回来的散射角大于90°的那些入射电
子，其能量基本上没有变化。弹性背散射电子的能 量为数千到数万电子伏。 非弹性背散射电子定义：非弹性背散射电子
是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散
射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变 化。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出 样品表面，这就形成非弹性背散射电子。 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽， 从数十电子伏到数千电子伏
有效穿透深度：与入射电
子能量和样品性质有关。 当Eo＝10-1000 eV，时λ 不超过1.5*10^-9米；当 Eo＝40-100eV时，λ只有 6*10^-10米，
电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特
征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微
区成分分析。
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第二节 实验测试仪器
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第二节 实验测试仪器
2.1 常用电子显微镜
透射电镜缺点
1．破坏性样品制备。TEM需要很薄的样品使电子束能够穿过。对于大多数材料，
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要求在100微米以下。制样的问题，其技术难度很大，观察点的定位很难。
2．低采样率。由于TEM的观察范围很小（几个微米），而且样品很薄（小于100 nm），实验测试到的样品区域只占整体材料的极小一部分。这个微小的区域未必能真 实反映材料的性质。 3. 是分析周期长，一般商业分析服务周期为一星期左右。 4. TEM的成本大大高于SEM的成本。
摩擦磨损原理 2 固体表面接触
固体表面的接触力学
根据固体表面的接触特点，通常可将固体 表面的接触问题分为点接触和线接触两种情况 加以讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否 可逆，固体表面的接触又有弹性接触和塑性接 触之分。此外，还可根据外加载荷的方向，将 固体表面的接触问题分为单一法向载荷、单一 切向载荷和法向 -切向载荷联合作用等情况加以 讨论。
2 2
2R2 0.407 ln a
小结
1、定义了表面粗糙度的指标Ra、Rq、 Rz、Ry；
2、轮廓高度分布的概率密度函数和轮 廓的支承面积曲线；
3、固体表面接触——Hertz公式 4、分析了实际粗糙表面的接触。
2 固体表面接触
摩擦、磨损及润滑是在金属的表面进行的，
因此了解和研究固体表面的接触及其基本原理
是解决摩擦学各种问题的基础。例如，在计算
摩擦力时要知道实际接触面积的大小，在进行 摩擦和磨损机理的探讨时要考虑到接触的性质。 如果不了解两个固体表面接触时的情况，就无 法搞清摩擦和磨损的实质。
固体表面的接触过程
接触区为圆形，其半径为 ：
3WR a 4E
2
1 3
W
3WR Ae a 4E
2 3
Ae kW
2 3
W
其中：
R----当量曲率半径；
E----复合弹性模量。
1 1 1 R R1 R2
1 1 1 E E1 E2
P( z d ) f ( z )dz
d
设表面单位名义面积上具有η个微凸体，则接触点数量 n 可表示为：
n f ( z )dz
d
由于任何微凸体的法向接近量为(z-d) ，总的实际接触 面积 ：
纳米液滴撞击柱状固体表面动态行为的分子动力学模拟
4 结果与讨论
4.1 液滴接触角的计算
接触角是表征固体表面性能的重要参数. 为了
计算液滴在光滑铜表面的接触角, 用小立方体对
模拟体系进行划分, 立方体的尺寸为 1 Å × 1 Å ×
1 Å. 由 于 液 滴 在 x-y 平 面 投 影 的 对 称 性 , 故 只
分析右半部分. 计算每个立方体内水分子的密度
134704-1
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 13 (2021) 134704
的速度分布并提出粘性耗散机制. Yin 等 [20] 分析 了两个等大小的液滴撞击光滑表面后的动态过程, 发现当液滴速度较高时撞击后的液滴会在交界处 产生径向射流现象.
ห้องสมุดไป่ตู้
* 国家自然科学基金 (批准号: 51875105, 51875106)、福建省产学合作项目 (批准号: 2020H6025) 和晋江市福大科教园区发展中心 科研项目 (批准号: 2019-JJFDKY-54) 资助的课题.
† 通信作者. E-mail: panling@
© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society
距离, qia , qjb 分别为 a 和 b 处的电荷量; ε0 为真 空中介电常数. 氧的相互作用参数 εO = 0.1628 kcal/mol; σO = 3.1644 Å; 铜的相互作用参数εCu = 0.2379 kcal/mol, σCu = 2.3400 Å[30].
水和铜之间的 LJ 相互作用参数 σmn 和 εmn 由 Lorentz-Berthelot 规则 [31] 获得
Lennard-Jones(LJ) 势函数描述相互作用 [18,20]. 水
纳米摩擦学讲座.ppt.deflate
大小为3～15 nm。但有0.5～1.0 μm 的团 聚颗粒。 (2) 在试验范围内，含NGAW添加剂在不同 油品、不同负荷下均能有效地改善油品的 抗磨减摩性能，特别是在较高负荷下改善 效果更为明显。 (3) 含NGAW添加剂润滑条件下的摩擦表面 存在含纳米金刚石的表面膜。
尽管将纳米微粒加入到润滑材料中显示了优 良的性能，但是其中也有问题存在，如纳 米微粒的分散。因为纳米微粒具有大的比 表面积，它们很容易就团聚在一起，而且， 只要它们团聚在一起，再次分散就会非常 的困难。团聚在一起的纳米微粒，非但不 能改善润滑油的摩擦学性能，反而会造成 很严重的破坏
常是在排除粘着力的条件下测定摩擦系数， 分析表面球形粗糙表面产生的犁沟摩擦系 数取决于球形半径和压入的深度，锥形粗 糙峰的犁沟摩擦系数只与锥角度有关。 在微观摩擦学的研究中发现，用圆锥探针 在氯化纳基片上滑动，发现犁沟力随时间 波动变化，同时前方的材料也出现不均匀 移动。
粘着效应
Guo等人采用摩擦力显微镜对高真空条什下
俄罗斯利用纳米金刚石作润滑油添加剂生产了 牌号为N—50A磨合润滑剂，专门用于内燃 机磨合。该产品可使磨合时间缩短50％-90 ％，同时可提高磨合质量，节约燃料，延长 发动机寿命。若用于精密加工机床的润滑， 该油品较普通机床油减少用油50％。
军事装备中的应用：
（1）炸药爆炸法生成的纳米金刚石，颗粒
三、纳米材料
纳米材料是80年代初发展起来的新材料，它 的奇特性能和广阔的应用前景，被誉为跨 世纪的新材料，引起了科学界和企业界的 极大关注和一些政府的高度重视，先后被 列入国内外高技术研究计划。纳米粒子 (<100nm)是介于宏观物质与微观原子或分 子之间的过渡亚稳态物质，具有小尺寸效 应、量子尺寸效应、表面效应与宏观量子 隧道效应等，从而表现出了一些特殊的性 质。
微机械学中的纳米摩擦学_第三节_微观摩擦
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1989年，Homola 和Israelachvili利用表面力仪SFA 对云母材料的界面摩擦特性 进行了实验研究。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
c
F c1 c 2 c 3 A
τc1——为两表面相互作用的界面力引起的极限剪切应力 τc2——为外加载荷形成的极限剪切应力 τc3——为Hertz 弹性变形引起的极限剪切应力
纳观摩擦机理的研究——独立振子模型
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VS=VAB+VBB
d 到e ，此处出现了局部极小值。此时B0必须突然地跳到势能的底部，从而激烈
地振动起来，振动能量被不可逆地在固体中以声子的形式耗散掉。
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第三节 微观摩擦研究
3.3 微观摩擦
纳观摩擦机理的研究——独立振子模型
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法国阿蒙顿（G. Amontons） 1663-1705年
1967年，Bowdon 和T abor提出，粘着接触表面的 摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要克服的阻力。
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第三节 微观摩擦研究
3.3 微观摩擦
微观摩擦理论
法国阿蒙顿（G. Amontons） 1663-1705年 1967年，Bowdon 和Tabor提出，粘着接触表面的摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要 克服的阻力。
A ——简化为强度为λ的一维周期势场；
B ——表面原子之间无相互作用，通过柔性单
键(即刚度为k 的弹簧，其势能为抛物线势V BB ) 连接到代表B 其余部分的刚性支撑上, 这些弹 簧通过向支撑传递能量代表对B 表面原子激发
态能量的耗散。
纳米材料与制备07
第三节固相方法机械合金化法(高能球磨法)实验室固相反应的主要设备马弗炉和管式炉两步法制备纳米材料液相法制备前驱体固相法得到产物λ-MnO 2LiAl 0.1Mn 1.9O 4LiMn 2O 4Nano Letters, 2009,9,4109-4114.λ-MnO 2LiAl 0.1Mn 1.9O 4LiMn 2O 4被电解液侵蚀情况①②③Mn2O3Mn3O4Li1.12Mn1.88O4第四节特殊形态纳米材料的制备4.1 特殊形态纳米材料的制备4.1.1 单分散纳米材料的制备单分散纳米材料的制备为配位剂，第一次合成了高质量、单进一步发展Alivisators研究组进一步采用不同的有机配位分子包覆剂调节纳米晶体的表面能、不同的单体浓度、体系的化学势，可以调控不同晶面的生长速度，从而实现CdSe纳米晶维度的化学控制。
Nature, 2000, 404: 59-61.The average aspect ratio increases quickly just after injection, while thelength of the short axis remains nearly constant (Fig. 1a, b, d and e).As the monomer concentration depletes during growth, the aspect ratio gradually decreases to nearly one (ordinary quantum dots), but the short axis grows significantly (Fig. 1c, f and g).单分散过渡金属及氧化物的制备具体过程为：在溶有无机盐的水溶液中同时加入油酸、油酸钠和乙醇将会形成三相共存的体系，即固相的油酸钠，液相的乙醇和油酸以及溶液相的包含金属离子的水/乙醇溶液。
金属离子会在溶液相-固相以及固相-液相界面处转移并发生共沉淀或氧化还原等反应(相转移)，原位得到的纳米晶会立即被油酸或十八胺等表面活性剂所包裹形成疏水表面，在重力和表面性质的共同作用下从体系中分离而沉积在反应容器底部(相分离)。
摩擦学原理第3章固体摩擦课件
4
表1.2 各种摩擦状态的基本特征
摩擦状态 流体动压润滑 液体静压润滑 弹性流体动压润滑
薄膜润滑 边界润滑 干摩擦
典型膜厚 1~100m 1~100m
摩擦膜形成方式
由摩擦表面的相对运动 所产生的动压效应形成
流体润滑膜
通过外部压力将流体送 到摩擦表面之间，强制
形成润滑膜
0.1~1m 与流体动压润滑相同
• 预位移问题对于机械零件设计十分重要。 • 各种摩擦传动以及车轮与轨道之间的牵引能力都是基于相互紧压表面在产
生预位移条件下的摩擦力作用。 • 预位移状态下的摩擦力对于制动装置的可靠性也具有重要意义。
摩擦学原理第3章固体摩擦
3.2 摩擦理论
3.2.1 粘着摩擦理论
这一理论是由Bowden和 Tabor在系统的实验研究基础上于20世 纪40年代提出来的，他们以这一理论为核心撰写的专著《The Friction and Lubrication of Solids》至今仍然是摩擦学领域的经典 著作。 粘着摩擦理论的基本要点包括： 1．真实接触点与真实接触面积 由于表面粗糙度的存在，两物体接触时，真正的接触只发生在 个别的粗糙峰（即微凸体）的顶部，接触点呈离散分布状态，而 大部分区域都是有间隙的。这些真正发生接触的点称为真实接触 点，各接触点的接触面积的总和称为真实接触面积。
常数。 也可以用下列幂律方程来描述：
式对中于f，静(tA止)、接Bf触为0 时实A间验tB的常延数长。导致静摩擦系数增加的机理，目前
还不很清楚，但普遍认为这与粗糙峰接触点的塑性变形导致 新鲜表面的出现以及表面间的粘着有关。
摩擦学原理第3章固体摩擦
3.1.3 stick-slip phenomenon (粘滑现象)
纳米摩擦学简介
纳米摩擦学一、综述摩擦、磨损与润滑是材料表面和界面上的微观动态行为。
它涉及到金属、离子固体、半导体、陶瓷和有机材料等组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、热力学等物理化学过程、以及在非平衡条件下的非线性流动、变形等力学行为。
仅从宏观的、连续介质的角度进行研究，难以深入地了解摩擦学现象和揭示其机理。
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展进入一个新的阶段。
Dowson在总结20年来摩擦学的重大发展后指出人们已认识到亚微米厚度的润滑膜和表面涂层的重要作用。
现代摩擦学研究正向表面与界面科学和技术的方向发展。
纳米摩擦学（Nano Tribology）又称之为分子摩擦学（Molecular Tribology），迅速成为机械学科的前沿领域。
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。
对纳米摩擦学的研究主要集中在纳米润滑与纳米摩擦两方面。
纳米摩擦学旨在原子、分子和纳米尺度下研究摩擦界面之间的摩擦、磨损与粘着行为及机理，设计和制备纳米尺度上的润滑剂和分级薄膜润滑膜，利用LB 膜技术、AFM或FFM等现代表面分析技术揭示边界润滑剂的作用机理，并用计算机进行分子动力学模拟，即建立一个包含大量粒子的离散系统，建立数学和物理模型来模拟摩擦界面。
二、实验仪器为了测量原子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行为，纳米摩擦学的实验常采用表面力仪（Surface force apparatus）和扫描探针技术。
具体有扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和摩擦力显微镜（FFM）。
纳米摩擦学
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。
13
2.微观摩擦
28
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
29
4.总结
纳米科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。
➢ 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的半球体与平面接触，
➢ 接触面积A与载荷P的关系为:
2
A A0
1 2
1
y 2
1
y
1 2
3
(2-3)＝-P／Ps
➢ Ps＝3πrω
➢ 计算表明, 由JKR公式(2—3)计算的接触面积大于Hertz弹性接
18
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 摩擦系数和微观摩擦系数进行了对比实验。结果如下 表所示。
19
2.微观摩擦
纳米摩擦学
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。
纳米摩擦学是在原子、分子尺度 （0.1～100mm）上研究相对运动界面的摩 擦、磨损与润滑行为和机理。它是一种新 的研究模式与思维方式，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， 因此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。
2014-7-23
例如：在空气中破碎诸如糖、云母等结晶性介电固体，就会 出现一种强烈的发光现象，而且在高真空中发光更加增强； 金属材料通过表面摩擦产生强烈的晶体振动直接激发品格原 子而引起光子和电子辐射．形成摩擦发光。 摩擦发光就其能量转换而言，存在多种形式。 （a）摩擦过程中在界面上形成电场放电 （b）摩擦表面产生的高温而导致热辐射 （c）在机械激发下，通过晶格振动而离散晶格组分，从而 向周围辐射化学能。
2014-7-23 5
纳米摩擦学的历史回顾
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缘学科，从 此开创了多学科综合研究的模式。 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”。
纳米摩擦学是在原子、分子尺度 （0.1～100mm）上研究相对运动界面的摩 擦、磨损与润滑行为和机理。它是一种新 的研究模式与思维方式，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， 因此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。
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例如：在空气中破碎诸如糖、云母等结晶性介电固体，就会 出现一种强烈的发光现象，而且在高真空中发光更加增强； 金属材料通过表面摩擦产生强烈的晶体振动直接激发品格原 子而引起光子和电子辐射．形成摩擦发光。 摩擦发光就其能量转换而言，存在多种形式。 （a）摩擦过程中在界面上形成电场放电 （b）摩擦表面产生的高温而导致热辐射 （c）在机械激发下，通过晶格振动而离散晶格组分，从而 向周围辐射化学能。
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纳米摩擦学的历史回顾
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缘学科，从 此开创了多学科综合研究的模式。 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”。
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YOUR SITE 2 液体与固体的接触
毛细现象 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管 内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现 象称为毛细现象。 能够产生毛细现象的细管称为毛细管。毛细现象是由于润湿或不润湿现 象和液体表面张力共同作用引起的。 如果液体对固 体润湿，则接触角 为锐角。 如果液体对 固体不润湿，则 接触角为钝角。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿现象 这个在固、液、气三相交界处，自固-液界面经过液体内部到气-液界面 之间的夹角称为接触角，通常以θ表示。
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Young方程：
接触角的大小可以反映液体对固体表面的润湿情况。接触角越小，润湿 得越好。习惯上将液体在固体表面上的接触角θ＝90°时定义为润湿与否的 界线。θ＞90°时为不润湿，θ＜90°则为润湿。 1）σS-G >σL-S时， cosθ为正值， 即θ< 90°称为液体能润湿固体。 θ= 0°时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。
式中S 称为铺展系数，当 S > 0，液体可以在固体表面上 自动铺展。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿的分类 固体的临界界面张力 表征固体表面润湿性质的特征量或经验参数。 固体表面可分低能固体表面与高能固体表面。主要依据是表面能的大小， 一般以表面能为100尔格／厘米2为界，表面能高于此值的为高能表面，低于 此值的为低能表面。 在对低能表面的润湿研究中，W.A.齐斯曼 等人发现，同系物的液体在固体表面上的接触 角随液体表面张力的降低而单调下降。以接触 角θ的余弦 cosθ对液体的表面张力γL作图， 可得一直线。将此直线延长到cosθ＝1处,其 对应的液体表面张力值即为此固体的临界表面 张力，也称临界润湿张力，以γc来表示。
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液面正面图
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
表面张力引起的附加压力 （2） 在曲面上
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在曲界面两侧有压力差，或者说表面层处的液体分子总是受到一种附
加的指向球心的收缩压力Ps。附加压力总是指向液面的曲率中心，液面突 向的一侧压力小。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿的分类 1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。
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（2）浸湿
浸湿是指将气-固界面转变为液-固界面的过程,而液体表面在这个过程中 没有变化。在等温,等压可逆情况下,该过程的Gibbs自由能的变化值为
Wi称为浸湿功，它是液 体在固体表面上取代气体能 力的一种量度， Wi > 0是液 体浸湿固体的条件。
其中：0与n为经验常数。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
影响表面张力γ的因素： 1. 物质本身的性质（极性液体比非极性液体大， 固体比液体大） 2. 与温度有关。对绝大多数液体来说， T↑,γ↓。
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3. 与压力的关系。 P↑，γ↓。影响不大
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润湿 亲液性固体
不润湿 憎液性固体
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
自然界的润湿现象
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿的分类 1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
水膜存在对粘附力的影响
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第三节 微观摩擦研究
3.3 固体之间的微观接触
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界面上的粘着能和表面力对于表面接触和变形起着重要影响，不同材料 组合的粘着能大小不同，表现出不同的接触状态。因此，在表面接触和变形 研究中必须考虑它们的影响。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿的分类 1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。
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（3）铺展
铺展是表示当液-固界面在取代气-固界面的同时,气-液界面也扩大了同 样面积的过程。在等温等压下可逆铺展一单位面积时,系统Gibbs自由能的变 化值为：
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第三节 微观摩擦研究
3.3 固体之间的微观接触
AFM研究——“突跳”现象
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Erts等给出的当AFM逐渐趋近Au样品时，Au变形过程的TEM照片：
AFM的“突跳”现象是由于样品表面在粘着引力的作用下发生拉伸变形，并与
针尖“突跳”接触引起的。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
表面张力引起的附加压力 由于表面张力的作用，在弯曲表面的液体与平面不同。 （1）在平面上 研究以AB为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面 张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。 液面上、下的压力均为Po，附加压力Ps= Po–Po
第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
表面张力引起的附加压力 （2） 在曲面上 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式： 在任意弯曲液面上取小矩形ABCD(红色面)， 其面积为xy。曲面边缘 AB 和 BC 弧的曲率半径 分别为R1’和R2’。作曲面的两个相互垂直的正截 面，交线Oz为O点的法线。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿现象
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1）σS-G >σL-S时， cosθ为正值， 即θ< 90°称为液体能润湿固体。 θ= 0°时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2）σS-G <σL-S时，cosθ为负值， 即θ> 90°液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。 θ= 180°为完全不润湿。 所以θ角又称为润湿角。
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第三节 微观摩擦研究
3.3 固体之间的微观接触
AFM研究——“突跳”现象
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Erts等给出的当AFM逐渐趋近Au样品时，Au变形过程的TEM照片：
(a) 当AFM与样品尚未接触时，样品表面在引力的作用下产生拉伸变形;
(b) 随着AFM的逐渐趋近，样品的拉伸变形量迅速增大，并与AFM“突跳”接触; (c) AFM进一步趋近，则样品的中心区域开始在斥力的作用下产生压缩变形。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
润湿的分类 固体的临界界面张力
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凡是液体的表面张力大于γc者，该液体不能在此固体表面自行铺展；只 有表面张力小于γc的液体才能在表面上铺展。因此γc值愈高，能够在其表 面上展开的液体就多，γc愈低，则能够在其表面上展开的液体就愈少。
切线方向；
表面张力的方向： 对平液面来说，表面张力的 方向与液面平行，
对弯曲液面来说，表面张力
的方向总是在弯曲液面的切面上 。
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
表面张力的几个特点： ☼ 只要有表面存在，其上面就有表面张力； ☼ 在液体表面的边界上，表面张力的合力垂直于边界线； ☼ 表面张力总是作用在表面上，如果表面弯曲，则表面张力就沿着曲面的 切线方向； ☼ 表面张力是普遍存在的，不仅液体表面有，固体表面也有。在固-液、液液以及固-固界面处也存在相应的界面张力；
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
表面张力引起的附加压力 （2） 在曲面上
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对指定液体，在一定温度下， 为一定值 则：
A. 对球面 R1 = R2 =R' ps = 2 /R' B. 对凸面 R' 取正值 ps 0 对凹面 R' 取负值 ps 0 对平面 R' = ps= 0 ps = 4 /R' C. 球形液膜（两面）如肥皂泡
微机械学中的纳米摩擦学
主要内容
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第1节. 绪论 第2节. 实验测试仪器 第3节. 微观摩擦研究 第4节. 微观磨损研究
第5节. 微观润滑研究
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第三节 微观摩擦研究
3.2 液体与固体的接触
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表面分子所受合力不为零，受到被拉入体相的作用力，导致液面出现自 动收缩的趋势，这种收缩力称为表面张力。 表面张力的力学定义是作
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（1）沾湿
沾湿是将气-液界面与气-固界面转变为液-固界面的过程。设当各个界面 都为单位面积时,从热力学的角度,在等温等压可逆条件下过程的Gibbs自由能 的变化值为：
Wa称为粘附功,它是液固粘附时系统对外 所作的最大功。 Wa值愈大，液体愈易润湿固 体，液、固界面结合得愈牢固。
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/(10-3
N·m-1) 72.75 22.75 28.88 23.7 8.5 27.5 51.1 18.4 50.8 21.8
T/K
293 293 293 293 293 293 293 293 293 293
物质 W(固) Fe(固) Fe(固) Hg(液) NaCl(固) KCl(固) MgO(固) CaF2(固) He(液) Xe(液)