摩擦学

2.3界面分子膜物理性态

Israelaohvih等人提出摩擦界面的分子薄膜 具有3种物理模型，即类固体(凝结状)，玻璃态、 类液体(熔融状)。并认为粘滑是薄膜在类固体与 类液体之间周期性相变的过程，凝结时粘着，熔 融时滑动。当超过临界速度时，分子膜因来不及 凝结而保持熔融状态的平滑运动。边界润滑状态 下的滑动摩擦反映分子膜在剪切中的能量消耗。 实验研究表明，摩擦副表面相对滑动使界面上分 子膜剪切所产生的能量消耗与润滑材料聚合物的 粘弹性行为以及表面粘着滞后现象密切相关。
纳米摩擦学的学科基础是现代表面科学，在理论分析中 主要采用计算机分子动力学模拟方法。其基本思路是建立一 个离散的粒子系统来模拟所研究的摩擦表面和界面行为，利 用嵌入原子模型或蒙特卡罗模型和数值分析技术，计算系统 中所有粒子的运动规律和相互作用，再由统计平均得到该系 统的宏观性质和行为。大尺度的分子动力学模拟系统可由上 千个粒子组成，模拟的空间尺度达到纳米，时间尺度达到毫 微微秒(fem-toseoond)。系统中各粒子间的作用根据量子力 学计算，而整个系统的轨迹则由牛顿运动方程来确定。分子 动力学模拟已经成功地应用于仿真相对运动表面间的接触粘 着、材料转移、相转变和分子薄膜的分子结构有序行为。纳 米摩擦学的实验测试仪器广泛采用表面力测量仪(SFA)和扫 描探针显微镜(SPM)，SPM包括扫描隧道显微镜(STM)，原子 力显微镜(AFM)和摩擦力显微镜(FFM)。用它们来测量表面原 子尺度的形貌和力学性能，揭示摩擦过程中表面微观动态行 为。这些仪器在微摩擦和粘着机理及其与形貌的相关性、表 面微划痕、磨损与超精加工以及分子膜边界润滑等的研究中， 已经发挥巨大的作用。

19 世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。
到了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”。 随着现代测试技术和计算技术的发展，到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。
2.4固体微摩擦或超滑状态
利用AFM对微摩擦的研究表明，分子光滑表面的微观摩擦因数远低于宏观摩 擦因数。微摩擦力直接与接触面积和粘着极限剪切应力有关。通过对摩擦力与 表面形貌二维分布图像的对照分析表明，二者分布相互对应，并具有相同的变化 周期。但是最大摩擦力与最大粗糙峰高度在位置上存在一定的偏移，这是由于零 件表面加工中粗糙峰的非对称性引起的。
2.5微划痕与微磨损
采用AFM的探针对表面的微压痕实验，根据压下载荷和 压痕投影面积可以测量材料纳米尺度的微硬度，还可以研究 材料微观弹性行为和材料粘着转移。实验表明，材料纳米尺 度的硬度和弹性都比宏观数值高，因而材料抗微观磨损能力 提高。微磨损的研究对象主要是磁记录装置。文献表明，微 磨损集中发生在表面划痕处，而划痕又萌生于表面缺陷，无 缺陷和初始划痕的地方抗磨损能力强，因而微磨损的分布是 不均匀的。Belak等人对于纳米切削加工的分子动力学模拟 表明，金刚石单点刀具切削金属铜时，切屑仍保持为晶体， 切削中的塑性变形机制是产生位错，刀刃构成直线位错源。 而切削共价材料硅时，硅原子粘附在刀具表面，切削中的应 力引起硅材料非晶化，切屑为非晶体。

纳米摩擦学的历 史回顾发展过程
摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会 生产要求和科学技术的进步密切相关。

有关摩擦学的研究可以追溯到十七世纪末，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。



到此后，它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视， 摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。 在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。

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。
2.1表面接触与粘着
宏观摩擦学认为，滑动摩擦过程中存在的表面 接触、粘着、磨损等现象是由载荷作用下材料的体 相变形所致，而不考虑界面间的分子作用。纳米摩 擦学的近期研究结果表明，表面力或表面粘着能是 产生变形和粘着的主要原因，某些材料甚至在零载 荷时由于表面力作用将出现接触和变形。Landman 等人进行大尺度的分子动力学模拟，研究硬的镍探 针向软的金基片之间的法向移动过程。在法向趋近 过程中，当接近到4人时，基片表面逐渐向探针鼓 起，尔后突然向探针形成金的单分子粘着层。当探 针插入基片后，基片晶格出现滑移和大范围的塑性 流动。在分离过程中，基片材料韧性拉伸，形成丝 状的“颈缩”，最后断裂。以上分析已被AFM实验 所证实。
人们在摩擦研究中试图最大限度地降低摩擦，寻求实现零摩擦或超滑 (superlubri)状态的可能性。
Hirano和Shinio对零摩擦问题进行了系统的研究。1990年他们根据Frenkel 一Kontorova动能方程计算了固体摩擦中原子运动的能量变化，得出对于三维系 统，非绝热运动条件不存在，即原子运动属于绝热过程的结论。同时，根据一维 原子运动系统的准稳态滑动(即极低速滑动)分析证明超滑区存在，并指出滑动速 度越高，粘着作用强度越低，就越容易实现超滑。随后Shinjo和Hirano又分析计 算了多维运动系统固体摩擦中原子运动的能量变化。得出多维系统原子运动具有 柔性，此时更容易获得超滑条件;固体摩擦还具有各向异性性质，摩擦系数与两 表面晶格方向之间的错位角有关等结论，并通过实验验证。
例如：大容量、高密度计算机磁记录装置中，磁头与磁介质 之间的距离小于50nm，而软磁盘磨损率应该小于一层原子 /10～100km，硬磁盘磨损率要求为零。为此，人们利用纳米 材料和表面改进技术研究磁盘表面图层，如：类金刚石膜、 Ni-P非晶膜和非晶碳膜等硬盘材料作为磁盘表面膜以及应用 LB膜技术在固体表面通过单分子膜组装构成分子有序润滑薄 膜，这些表面图层具有优异的减摩耐磨性能。研究表明单分 子层的LB膜可使金属薄膜的动摩擦因数由0.8降至0.2。 现代机械科学的发展出现机械一体化、超精密化和微型 化的趋势，许多高新技术装备（如微电子装置、微型机器人、 医疗器械和精密测试仪器）的摩擦副间隙常处于纳米量级。 此外，微型机械中受尺寸效应的影响使表面黏着力、摩擦力 和润滑膜粘性力相对于传统机械中的体积力而言显得十分突 出，因而微摩擦磨损和纳米薄膜润滑就成为这些设备研制中 的关键问题。
纳米摩擦学的研 究意义和特点
Hale Waihona Puke 纳米摩擦学是90年代兴起的纳米技术的重要分支，有着 广泛的应用需求。随着精密机械和高新技术装备的发展，特 别是纳米科技所推动的新兴学科，例如：纳米电子学、纳米 生物学和微机电系统的研究都涉及到微观摩擦和表面界面行 为。由于尺度效应和表面效应的影响，这些问题所遵循的规 律已不再是宏观摩擦学原理。 纳米摩擦学是摩擦学学科的创新与拓展，具有重要的理 论意义和应用价值，主要表现在以下几个方面。 首先在基础理论研究方面，纳米摩擦学提出了一种新的 思维方法，由于摩擦副材料和润滑膜的宏观特性与它们的纳 米尺度的结构密切相关，纳米摩擦学从原子、分子的微观结 构出发，研究材料的宏观摩擦学特性，从而建立其构性关系， 必将深入揭示摩擦学机理、推动性能模化和量化研究，进而 建立符合工程应用的摩擦学设计理论与方法。 在应用研究方面，纳米研究学还包括在纳米尺度上有目的地 排布原子，以及进行表面和界面分子工程研究，通过表面改 性和实现新的润滑状态来改善材料的减磨抗磨性能。
S．Tarasov将纳米Cu粉加入到发动机润滑油中，发现在高 载荷及高速下，纳米Cu能有效地提高润滑油的抗磨性能，且能 降低摩擦。这些结果说明纳米金属粉具有显著改善润滑油抗磨 减性能的效果。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％。 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。 所以解决诸如此类的问题也是迫在眉急的。
纳米摩擦学的研 究现状和前景
目前,针对纳米润滑油添加剂摩擦学性能的研究已经受 到了广泛关注。随着微观摩擦学的进展，纳米级金属粉作为 新型润滑介质添加剂在近年来得到广泛研究和应用，有研究 表明纳米金属粉作为添加剂加入润滑油中表现出了极好的极 压性能，超细金属粉以适当方式分散于各种润滑油中可形成 一种稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超细金 属粉末颗粒，它们与固体表面相结合，形成一个光滑的保护 层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在 重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。纳米金属粉制 成的浓缩液具有许多一般润滑油添加剂不可比拟的优良性能、 作用机理，有以下几种观点： (1)、吸附、渗透和摩擦化学反应观点。 (2)、滚珠观点。 (3)、载体作用观点。 (4)、沉积膜观点。
2.2边界润滑中的粘一滑现象
近期关于边界润滑状态下的粘滑现象的微观研究取得重要 进展。通过SFA研究静摩擦特性，得出粘滑过程中滑动发生时， 相应于在该润滑膜厚度下分子层数具有的界面粘着能处于最小 值。极限剪应力(单位面积的静摩擦力)与分子层数存在着定量 关系，而且各个分子层之间的剪应力不同，彼此可相差一个量 级。此外，当润滑膜的分子层数不变时，极限剪应力的数值与 滑动速度、载荷无关。体相状态完全不同，它是一种分子有序 排列的“约束流体”。当膜厚小于5一10个润滑剂分子直径时， 连续介质和牛顿粘度的概念已不适用，界面间的作用主要是 “结构化”力，即迫使液体分子规律排列的力。“结构化”力 随间隙改变在吸力和斥力之间振荡，周期等于液体原子平均直 径。粘滑交替是滑动摩擦的固有特征。当边界膜分子层数减少 时，静、动摩擦交替的幅值增加，而变化频率减少。随着滑动 速度增加，幅值降低，频率增加，直到临界速度时，粘滑现象 完全消失。某些聚合物如乙酸双十六烷氯化二甲基钱的单分子 层边界润滑膜在更高的滑动速度下，将出现超动(superkineti) 摩擦，呈现出比通常的动摩擦更低的摩擦力。