纳米织构化表面及其摩擦学
AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究
AlCrN涂层表面微/纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究本文将硬质涂层技术和表面微/纳织构技术两种效应有机结合,提出了微/纳织构化AlCrN涂层表面的设计思路,在研究分析了AlCrN涂层表面微/纳织构制备技术的基础上,采用激光技术在AlCrN涂层表面制备了微米级和纳米级沟槽型织构,系统研究了微/纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性,阐明了微/纳织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,并揭示了其磨损机理。
首先,采用脉冲光纤激光器在AlCrN涂层表面制备了微米级沟槽型织构,分别研究了脉冲功率、扫描速度和扫描次数对微织构深度和宽度的影响,并结合AlCrN涂层的表面特性,优化得到最佳的工艺参数：脉冲功率为12W,扫描速度为200mm/s,扫描一次,并在AlCrN涂层表面制备了深度为3μm,宽度为36μm,不同间距、不同角度的沟槽型微织构。
在分析了飞秒激光加工原理的基础上,采用钛宝石飞秒激光器在AlCrN涂层表面制备了周期性的纳米级沟槽型织构,分别研究了单脉冲能量、扫描速度、扫描间距和扫描次数对纳织构形貌的影响,优化得到最佳的工艺参数：飞秒激光的单脉冲能量为3.5μJ,扫描速度为1000μm/s,扫描间距5μm,扫描次数为1次,并在AlCrN涂层表面制备了深度是200nm,宽度是600nm,面积占有率为100%,50%和25%的三种纳米级沟槽型织构表面。
通过往复式摩擦磨损试验对不同角度、不同间距、不同表面粗糙度的微织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性进行了研究分析,系统分析了沟槽型微织构对AlCrN涂层的摩擦磨损性能的影响。
研究表明：微织构能够提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能,低载荷、高滑动速度和添加润滑剂的条件下,微织构能够更有效的提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能；微织构的形貌对表面摩擦磨损性能有很大的影响,与滑动方向平行的织构角度是最佳的减磨角度,400μm是最佳的微织构间距；降低微织构表面的粗糙度可以有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力,未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损体积。
表面织构改善摩擦磨损性能的研究进展
面都进入完全流体润滑状态 ，织构化钢盘和未织构化 钢盘 的摩擦 因数相差不大 ；织构化钢盘在高速 、高载 和高黏度 润 滑 油 下 有 更 好 的摩 擦 学 性 能。 吕文 斐 等 的研究表 明 ，在 Ｈ ｅ ｒ ｓ ｅ ｙ数较 小 时 ，纹理 表面试
样 的摩擦 因数不如光 滑表 面试样 ，随着润滑 剂黏度 、
ｏ ｏ ｏ Ｏ ● ， Ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ
模量 弹流润滑性 能 的影响 ，结果 表 明：在小 波数 区 ， 粗糙度 的峰高 、波长和相位 的变化对润滑各特征膜厚 的影响十分 明显 ，随着粗糙度的波数增 大 ，粗糙度 的 影 响趋于稳定 ；粗糙度峰高是使膜厚均值和幅值增加 的根本 因素 ，且膜厚均值和幅值基本上等于粗糙度 幅 值 。王顺等人 的实验研 究 表 明，表 面粗糙 度 幅值 在混合润滑时对摩擦力的影响较大 ，且 随速度增加而 增强 ，边界润 滑时影 响很 小。马 国亮等 对不 同粗 糙度条件下硅橡胶 表面织 构润滑特性 的研究表 明 ，在 较低的滑动速度下 ，表 面织构会增大光滑 Ｐ Ｄ Ｍ Ｓ试样 的摩擦 因数 ，但 是会 降 低粗 糙 Ｐ Ｄ Ｍ Ｓ试 样 的摩擦 因 数 ；当摩擦副 处 于混合 润 滑 时，粗 糙 度并 非 越小 越 好 ，而是具有一个最优粗糙度 的范 围。
运行速度 的增大和载荷的减小 ，纹理的引人才 能提高 材料 的摩擦 学性 能 。王顺 等人 的研究 表 明 ，在 弹 流润滑下 ，摩擦因数随着速度降低而减 小 ；在混合润 滑下 ，摩擦 因数 随着 速度 降低 而增 大 ；在边 界润 滑 下 ，摩擦因数随速度降低 变化很小并趋 于某一定值 。
２ ０ １ ３年第 ８期
邱孝聪等 ：表面织构改善摩擦磨损性能 的研究进展
目ｎ ／ 蕾 ｌ ｄ ｕ
表面织构化改善摩擦学性能研究综述
年首次提出， 其利用光刻蚀 的办法获得表面织构 ， 通 过 电流 的测 量 判 断 有 效 润 滑 膜 的存 在 ． 其后 ， Ｅ ｔ ｓ ｉ ｏ ｎ 等Ｌ ２ 通 过激 光 对 摩擦 副进 行 织 构 化 处理 ， 考 察 其 润
滑性 能 的变 化 ， 研 究 发现 ， 带微 孔阵 列 的表 面 比光 滑 表 面具 有更好 的润 滑性 能 ， 表 面 的部 分 织 构 化 能 够 十分有 效 地 增 加 流体 动 压 效 应 ． Ｔ ０ ｎ ｄ ｅ ” ｊ 将 表 面 织
密封等） 中得到成功应用 ． １ ９ ６ ６ 年， Ｈ ａ ｍ ｉ ｌ ｔ ｏ ｎ 等ｕ 最先通过蚀刻技术在机械
密封 件上制造 出一系列微 观 凸起 ， 并 通过理论 分 析和
构引发的流体动压效应归 因于 ２个方 面： 一是表面 织构区会产生类似 Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ 轴 承的阶梯效应 ， 二是
中图分类号 ： ３ ｔ ｔ ｌ １ ７ 文献标志码 ： Ａ
０ 前
言
多 年来 ， 表 面织构 化 作为 一种 改 善机械 零 件 、 微 ／ 纳 零件摩 擦 学性 能 的有 效手 段 已得 到 广 泛共 识 ． 目 前， 这 种 技术 已在 计算 机 磁 盘 存储 器 、 Ｍ Ｅ Ｎ Ｓ系统 及 机械 行业 （ 内燃 机 活 塞 与气 缸 套 系 统 、 齿轮 、 轴 承 和
实验验证 ， 获得 了最优 的表面织构尺寸， 其研究结果 表明， 这 些微 观 凸起 可 以起 到微 流体 动 压 轴 承 的作
用， 明显增强 了摩擦 副 的承载 能力 ， 降 低摩擦 系数 ． 之 后， 研究人 员又 推 出 了许 多新 的表 面织 构 技术 ， 并 运
用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能 ． 比如， Ｅ ｔ ． ｓ ｉ ｏ ｎ等 ｕ ２ 利用 激 光加 工 技 术 在 机 械 密封 件 接 触 面 上
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。
表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展
2020年5月第4J卷第5期Vol.44No.5May2020 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING1X)1:1().11973/jxgccl202005009表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展李甜甜，孙耀宁，张丽，王国建（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047）摘要：表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸，且排列规律的图案.从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。
表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。
介绍了常见的表面织构加工技术，阐述了不同工况下表面织构的减磨机理，总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响.并展望了表面织构技术的未来发展方向。
关键词：摩擦学性能；表面织构；减磨机理；织构形貌；几何参数中图分类号：TH117文献标志码：A文章编号：1000-3738（2020）05-0044-05 Research Progress on Effect of Surface Texturing on Tribological PropertiesLI Tiantian.SUN Yaoning.ZHANG Li,WANG Guojian(School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi830047,China)Abstract:Surface texture technique is a new type surface modification technique*which can effectively improve the tribological properties of materials through machining patterns with a certain shape and size,and with regular arrangement on the surface of materials by micro-fabrication technique.Surface texture plays an important role in mechanical friction pairs because of its outstanding advantages in improving the tribological characteristics of materials.The common texture preparation methods are introduced；the wear reducation mechanism of surface texture under different working conditions is described；the influence of surface texture topography and its geometric parameters on the wear resistance is summarized.The development direction of surface texture technology is prospected.Key words:tribological property；surface texture；wear reduction mechanism；texture topography；geometric parameter0引言摩擦磨损是机械系统中普遍存在的问题，约2/3工程材料损失量和80%机械零部件失效事故都是由摩擦磨损造成的据统计，英国、美国、日本、德国等发达国家每年因摩擦磨损而造成的经济损失占国民生产总值的1%〜2%。
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）。
激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展
激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展李文轩;段海涛;李国政;詹胜鹏;章武林;马利欣;贾丹【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)9【摘要】表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。
近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。
综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。
综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。
总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。
最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。
【总页数】18页(P85-101)【作者】李文轩;段海涛;李国政;詹胜鹏;章武林;马利欣;贾丹【作者单位】武汉材料保护研究所有限公司特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室;湖北隆中实验室【正文语种】中文【中图分类】V261.8;TH117【相关文献】1.激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展2.激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展3.激光表面织构化与固体润滑技术复合处理改善表面摩擦学性能的研究现状4.激光织构对材料表面摩擦学性能影响的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
Nano-patterns of PMMA with three different aspect ratios on silicon wafer were fabricated using a simple capillarity-directed soft lithographic technique called capillary force lithography（CFL）. PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 聚氨酯丙烯酸酯（PUA）模板
Friction measurements at nano-scale
接触角越小，亲水性越强，这是由于大气 中水冷凝产生的毛细管力在粘着力中贡献 最大。接触角越大，疏水性越强，接触表 面的粘着力越小，摩擦力就越小。另外摩 擦力还与接触面积有关： Ff = τAr, τ is the shear strength, an interfacial property and Ar the real area of contact.
举例：采用聚二甲基硅氧烷 polydimethylsiloxane(PDMS)为 弹性体模板，聚合物用聚苯乙 烯polystyrene (PS)或苯乙烯-丁 二烯-苯乙烯styrene-butadienestyrene (SBS)共聚物。用硅 （100）面作为基底。 通过photolithography or the electron-beam method来得到 PDMS模板。
Friction of chemically and topographically modified Si (1 0 0) surfaces R. Arvind Singh, Eui-Sung Yoon Wear 263 (2007) 912–919
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在硅（100）面上旋转涂胶聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA），利用聚氨酯丙烯酸酯（PUA） 形成印章得到图案化的PMMA图案。
SEM image of nano-patterned polymeric surface (40,000×).
Tribological properties of bio-mimetic nano-patterned polymeric surfaces on silicon wafer E.-S. Yoon, R.A. Singh, H. Kong, B. Kim, D.-H. Kim, H.E. Jeong and K.Y. Suh Tribology Letters, Vol. 21, No. 1, January 2006
An ultraviolet-curable mold for sub-100-nm lithography Se-Jin Choi, Pil J. Yoo, Seung J. Baek, Tae W. Kim, and Hong H. Lee J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 7744-7745
Friction of chemically and topographically modified Si (1 0 0) surfaces R. Arvind Singh, Eui-Sung Yoon Wear 263 (2007) 912–919
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
制备模板：利用带有 丙烯酸酯基团的预聚 物，在光引发剂作用 下，发生聚合反应， 产生模板，加入释放 剂是为了，使模板容 易分离下来。 制得聚氨酯丙烯酸酯 （PUA）模板。
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Introduction：莲花效应（荷花效应）
在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可 以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。 而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的 “小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在 “山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气 层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气， 只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球 在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。
Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
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纳米织构化表面及其 摩擦学
2012.08.20
Contents
1 2 3 4
Introduction
Topographically modified Si
Chemically modified Si
Experimental
Company Lo断追求制造出尺度越来越小，而性能越来 越完善的微型装置。80年代中后期兴起的微型机械（micro machine）或称 微型机电系统（micro electro-mechanical system, MEMS）的研究集中反映 了这一发展趋势。微型机械具有体积小、质量轻、能耗低、集成度高和智 能化程度高等一系列特点，而被认为在生物、医学、通信、工业、农业、 航空航天、军事等方面有着广阔的应用前景。相对于传统机械而言，微型 机械的摩擦问题显得十分突出，由于尺寸效应的影响，作用在表面上的摩 擦力和润滑膜粘滞力对于微型机械性能的影响要比体积力大很多 。大量研 究表明，有序分子膜技术的发展为解决这一问题提供了新的机遇。根据成 膜的机理不同，主要分为：LB(Langmuir-Blodgett)膜、自组装膜 (selfassembled monolayers，SAMs)、分子沉积膜 (molecular deposition film， MDF)等。由于自组装膜通过化学键与基底结合，因此与LB膜相比，稳定 性较好，其在摩擦学中有更好的应用前景。
Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
第二种方法：利用莲叶和芋叶的复 制法。 PDMS：聚二甲基硅氧烷 PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯 PUA：聚氨酯丙烯酸酯 The step-wise processing sequence of (A) Lotus-like and (B) Colocasialike polymeric surfaces using capillary force lithography.
Friction of chemically and topographically modified Si (1 0 0) surfaces R. Arvind Singh, Eui-Sung Yoon Wear 263 (2007) 912–919
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Chemically modified Si (1 0 0) surfaces
第一种方法：作者采用射频等离子体辅助化学气相沉积的方法，以苯作为反应气体，在硅（ 100） 面沉积碳膜，依据沉积时间来确定沉积膜的厚度，制得厚度为 100nm和1μm的diamond-like carbon (DLC) films。 第二种方法，作者在羟基化得硅（100）面，通过化学气相沉积二甲基二氯硅烷（DMDC，40℃， 4h）和二苯基二氯硅烷（DPDC，185℃，3h），制得DMDC-SAM和DPDC-SAM薄膜。
修正的Amonton定律：FL=μFN+F0
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Friction measurements at nano-scale
Nano-scale friction tests were conducted using a commercial atomic force microscope (Multimode SPM, Nanoscope IIIa,Digital Instruments).摩擦实验在横向 力显微镜下，应用一个半径为0.5μm的玻璃硼硅酸盐球安装在三角悬臂上（接触 模式，氮化物针尖，弹性常数：0.58 N/m）；载荷：0-80nN，扫描速度2μm/s，扫 描区域：5μm×5μm，每次试验重复15次。 of Si (1 0 0) wafer and DLCs with the applied normal load at nano-scale. Amongst the DLCs, 1μm thick sample has lower contact area than the 100 nm thick sample, which is due to its higher elastic modulus (Table 1).
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Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14