PIV用于微尺度滑移长度测量的问题-中科院力学所
PIV 用于微尺度滑移长度测量的问题李战华、郑旭中国科学院力学研究所LNM 实验室，100190，北京摘要：本文简单介绍了滑移边界条件的基本概念、测量壁面滑移的实验方法，着重分析了焦平面厚度等几个重要因素在MicroPIV 壁面滑移测量中的影响。
根据实验发现的近壁粒子浓度非线性分布现象，解释了测量速度偏大的可能原因。
1 微尺度流动滑移问题微尺度流动中，由于比表面积增大，表面作用成为影响流动的主要因素，边界条件提法的研究受到关注。
边界条件分为滑移与无滑移两种提法。
在宏观尺度流体力学中常常采用壁面无滑移边界条件(图1a)，即认为接触固体表面的液体的速度与固体本身的速度一致。
1823年，Navier 率先提出了线性滑移边界条件(图1c)[1][2]，即：|slip wall u u b b zγ∂==∂ (1) 这里，u slip 为滑移速度，b 为滑移长度（液体速度降至零的位置到界面的距离）。
当b 为常数时，u slip 与壁面剪切率γ 成线性比例关系。
由于近壁面区的物理图象不清楚，Girard [3]在19世纪初提出过滞止层边界条件(图1b)，即认为液固界面处存在一固定的液体薄层。
20世纪末，微制造技术推进了芯片实验室的发展，促进微尺度流动研究。
在宏观流动中，边界无滑移假设给出足够精确的近似。
但在微/纳米流动中，流动特征尺度L 有可能接近滑移长度b 时，滑移问题显得十分重要。
为了研究滑移机理，滑移长度的大小是重要的物理参数之一。
图1 三种不同的边界条件：(a)无滑移BC 、(b)滞止层BC 和 (c)Navier 线性滑移BC [2]2 壁面滑移的测量常用测量滑移的实验手段主要包括：(1) 压力－流量(P-Q)关系测量[4]，(2) 表面力测量[surface force apparatus (SFA), atom force microscope (AFM)等] [5],[6]，(3) 速度剖面测量[MicroPIV/PTV ，全内反射隐失波(evevanescent wave, total internal reflection velocimetry, TIRV)等] [7],[8],[9]等。
(1) P-Q 关系测量。
这是一种间接测量u slip 的方法。
物理依据是滑移使得流量增大。
以半径为r 微圆管为例。
实验测量管道流量为Q exp ，Poiseuille 管流的无滑移理论流量Q P 与Q exp 之差即为滑移导致流量增加，因此滑移速度为：4exp exp 2211()(8slip p )pr u Q Q Q r r πππΔ=−=−Lμ (2) P-Q 关系测量虽然是一种简便的方法，但其测量结果受到很多限制。
因为理论上Q ~r 4，管径r 的测量误差成为最终测量误差的主要来源。
管道截面形状的规则程度，管径延长度方向分布的均匀性和管径测量的精度都对结果有重大影响。
(2) 表面力测量。
SFA 和AFM 测量表面力是根据相互接近的小球或平板之间的水动力学阻力的无滑移条件Taylor 解。
Vinogradova(1995)[5] 给出滑移修正：26h r v F f hπμ∗= (3) 其中，两物体间距h ，曲率半径r ，v 为两物体相对速度，f *是表征滑移的参数。
当f *=1时，即为无滑移时的Taylor 解(这是一个在h <<r 下的渐进解)；当f *<1，存在滑移，阻力变小。
实验中间距h 可以达到10nm 左右，这是其它测量技术目前无法达到的近壁距离。
而且可通过调节探针接近速度，考察剪切率对滑移的影响。
但AFM/SFA 是探头式测量，了解探头自身的影响是实验中的重要内容之一。
(3) MicroPIV 流速测量。
目前认为这是一种直接测量滑移速度u slip 的方法。
MicroPIV 技术最早由Santiago et al.[7]及Meinhart et al.[8]等人提出，近年逐渐用于微流动速度剖面测量。
MicroPIV/PTV 测量原理在文献中已经有了详细的介绍[5],[6]，这里我们就仅作简单介绍。
该方法一般通过控制CCD 一帧图象的曝光时间或者接连两帧的时间间隔(图2)，拍摄粒子运动的图象序列，再通过粒子图象确定示踪粒子在该时间段内的位移，运动速度即可由位移除以时间得到。
在图象中确定粒子位移的方法又主要分为2种：(1)相关方法，其又可细分为同一帧图象内对双曝光粒子的自相关(auto-correlation)和两帧图象之间的互相关(cross-correlation)；(2)直接跟踪粒子曝光时间内的运动轨迹。
在PIV 计算流场速度分布过程中，图象中流动区域要分成m×n 的判读区，对该区域内的相关计算得到该判读区的速度矢量结果。
而对于PTV 方法，不再使用相关计算，每个区域的速度矢量结果由对该区域内速度结果的平均得到。
图2 MicroPIV 原理示意图[2] 图3. MicroPIV 系统示意图.[14]3 MicroPIV 测量滑移的结果如表1所示，目前MicroPIV 方法给出的滑移测量结果的特点是[10][11][12]：(1) 滑移长度的测量结果分散在50nm －1μm 范围；(2)壁面附近测量速度常出现明显的突然偏大现象。
而现有理论一般认为在光滑亲水表面，滑移长度近似为0[2]。
AFM/SFA 的测量结果也显示亲水壁面滑移长度小于1.5nm [13]。
显然，MicroPIV 的已有测量结果并不能令人满意，值得我们重新推敲。
本文将就MicroPIV 近壁速度测量进行分析。
表3.1 已有MicroPIV 滑移测量结果溶液 粒子 剪切率 壁面接触角 滑移长度 与剪切率关系 Tretheway &Meinhart [10]Di-water 300nm 102－104s -190~100° OTS 1μm ±400nm 未比较Devasenathipathy [11]Di-water 200nm ~2000 90° 硅 ~500nm 未比较102－103s -1亲水玻璃 50 ±50nm 无关 Joseph et al. [12]Di-water 200nm 102－103s -195° OTS 57 ±100nm 无关 亲水玻璃20~50nm 有关 Huang & Breuer [9]Di-water 200nm200－2000120°OTS 20~100nm 有关4 MicroPIV 测量技术与误差来源4.1 实验装置以中科院力学所LNM 室的MicroPIV 系统为例，该系统主要由荧光倒置显微镜(Olympus IX71)、EMCCD(Andor 885)、纳米位移控制器(Physik Instrument LVPZT E665)、双脉冲激光器(New Wave 120XT)、同步控制器(北京立方天地Micropulse 710)等组成(图3)。
压力驱动装置包括高压氮气瓶、压力传感器、温度传感器、调压阀门和输气管路等。
该系统已进行了微流动相关的速度测量[14][15]。
4.2 误差来源MicroPIV/PTV 测量的误差分析已有文献进行了讨论[16],[17]。
人们已经注意到焦平面厚度的影响，以及微流动特有因素的影响。
以下我们对此进行讨论。
(1) 焦平面厚度。
MicroPIV 系统是体照明，无法提供真正的片光源，视野中看到的实际是物镜焦平面厚度范围内所有粒子的像。
MicroPIV 速度测量是对图象中所有粒子速度信息进行平均。
如果垂直方向焦平面厚度范围内，真实速度场非线性分布，会导致平均速度不再代表焦平面中心速度。
在剪切流中，这种误差将会比较明显。
焦平面厚度的确定一般有两种方法，(a)是由物镜的景深δz [8] (depth of field)给出:2n ne z NA NA Mλδ=+⋅ (4) 其中n 是物镜观测介质的折射率，λ为散射光波长，NA 为物镜数值孔径，M 为物镜放大倍数，e 为CCD 单象素尺度。
近来，也有学者认为[18]测量深度(depth of measurement)δz m 才是真正反映焦平面厚度的参数，其定义为：2 2.163tan p m d n z NA λδp d θ=++ (5) 式中θ为物镜观测半角。
如果microPIV 系统使用一般的物镜(20x/NA=0.5)，那么可以估算其δz ≈4.6μm ，δz m ≈11.3μm ；而使用100x/NA=1.35的物镜，δz ≈0.6μm ，δz m ≈1.8μm 。
可见，对于微米尺度的测量区域，比如1微米量级的微流动近壁区，焦平面厚度对于速度测量是有显著影响的。
(2) 示踪粒子速度相关的影响。
使用示踪粒子测速，需要考察示踪粒子的速度是否能很好地代表当地流场的速度。
在MicroPIV 里，人们容易忽视的有两个方面：(a)壁面的存在会施加给粒子额外的阻力。
对此Goldman [19]给出了渐进解，当粒子到壁面的距离z 大于粒子半径r 时，粒子速度u p 与当地流体速度u f 的关系为35116p f u r u z ⎛⎞≈−⎜⎟⎝⎠ (6) 在MicroPIV 中，使用的示踪粒子半径基本在100nm 到1微米的量级，可见在近壁区z 接近r ，此时粒子速度u p 与当地流体速度u f 的偏差会达到约30％。
(b)粒子流向电势导致的电泳的影响。
由于示踪粒子表面总是会带电荷，那么即使在压力驱动流动中，流向电势会导致粒子产生一个额外的流向电泳速度。
Lauga [20]分析了这种因素的影响，给出了此电泳速度的表达式：2222()3r w p w E c dp u dx εεζζζσμ−=− (7)其中ε0 是真空介电常数, εr 是流体相对介电常数, dp/dx 是压力梯度, μ是流体粘度， σc 是流体电导率，e 是电子电荷，ζw 和 ζp 分别是壁面和粒子表面的zeta 电势。
由此图4. 200nm 粒子近壁速度测量结果.可以估计，u E 可以达到0.1mm/s 的量级，这在微流动里有可能有较大影响。
[15]。
(3).3 实验测量结果改进们提出了改进速度测量和分析实验结果的方法。
度[14][15]，由此 的示踪粒子理论速度u(z)按照浓度分布c(z)加权平均，[15] 图5. 200nm粒子预期平均测量速度结果近壁区粒子浓度的分布。
Zheng & Silber-Li [14][15]通过MicroPIV/PTV 分别使用200nm 和50nm 示踪粒子对亲水玻璃壁面附近进行速度测量(壁面剪切率约1200s -1)，发现近壁区约1微米以内，测量速度明显偏大(图4)。
基于里德堡原子的微波全信息测量
基于里德堡原子的微波全信息测量贾凤东1，郝建海1，崔越1，王宇翔1，刘宇晴1，王宇2，尤建琦2，白金海2，钟志萍1，3*（1.中国科学院大学 物理科学学院，北京 100049；2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；3.中国科学院大学 中国科学院拓扑量子计算卓越中心，北京 100190）摘 要：介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理，阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点，分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状，探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难，指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量；并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。
分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势，提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。
关键词：微波电场传感器；里德堡原子；电磁感应透明中图分类号：TB939；TP212；O56 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2024）01-0001-22Microwave full information measurement based on Rydberg atomsJIA Fengdong 1, HAO Jianhai 1, CUI Yue 1, WANG Yuxiang 1, LIU Yuqing 1,WANG Yu 2, YOU Jianqi 2, BAI Jinhai 2, ZHONG Zhiping 1,3*(1.School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ；2.Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China ；3.CAS Center for Excellence in TopologicalQuantum Computation, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: This paper introduces the principles of the Rydberg atom microwave electric field sensor, elucidating the technical features of measuring the information of microwave electric field strength, phase, polarization, and frequency based on Rydberg atoms. Then it analyzes the current state of microwave full‐information measurement based on Rydberg atoms and discusses the challenges faced by absolute self‐calibration measurements and continuous broadband high‐sen‐sitivity measurements. It points out that measurement sensitivity enhancement and continuous broadband frequency mea‐surement can be achieved through external field modulation. Various modulation and demodulation techniques are sug‐gested to simplify phase and polarization measurements and data reading. The paper also explores the potential advan‐tages to eliminate Doppler broadening effect by adopting multiphoton excitation in atomic vapor cell systems and adoptingcold atomic systems to enhance microwave measurement sensitivity. It proposes the possibility for future exploration of such characteristics of Rydberg atoms as high orbital angular momentum states and strong correlations to further improvedoi ：10.11823/j.issn.1674-5795.2024.01.01收稿日期：2023-12-20；修回日期：2024-01-24基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFA0304900、2017YFA0402300）；北京市自然科学基金项目（1212014）；中国科学院重点研究计划项目（XDPB08-3）；中央高校基本科研业务费专项资金项目引用格式：贾凤东， 郝建海， 崔越， 等. 基于里德堡原子的微波全信息测量［J ］. 计测技术， 2024， 44（1）： 1-22.Citation ：JIA F D ， HAO J H ， CUI Y ， et al. Microwave full information measurement based on Rydberg atoms ［J ］.Metrology & Measurement Technology ， 2024， 44（1）： 1-22.the performance of Rydberg atom microwave electric field sensors.Key words: microwave electric field sensor; Rydberg atom; electromagnetic induction transparency0 引言对量子状态的主动调控和操纵引发了第二次量子革命，发展出量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿领域。
粒子影像测速技术概述
粒子影像测速技术概述粒子影像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是一种非侵入式流体力学测量方法，用于研究流体的运动和流场。
该技术通过在流体中悬浮微小颗粒，并利用激光照射和相机拍摄的方式，获得颗粒在不同时间间隔内的位置信息，从而推导出流体的速度场。
PIV技术的基本原理是利用流体中的颗粒作为标记物，在连续拍摄的图像序列中跟踪颗粒的运动轨迹，从而得到流体速度场的空间分布情况。
其中，激光光束被用来照射流体中的颗粒，通过相机拍摄颗粒图像，并计算相邻两幅图像中颗粒位置的变化，从而计算颗粒的位移和速度。
PIV技术的实施过程主要包括以下几个步骤：1.准备实验环境：选择合适的流场实验装置和流体介质，并在流体中悬浮微小颗粒，以便在图像中能够清晰地观察到颗粒的运动轨迹。
2.激光照射：通过激光光源照射流体，形成一个平面光束，并在流体中的颗粒上产生散射，从而在图像中形成明亮的颗粒光斑。
3.图像拍摄：使用高速相机或摄像机对照明的颗粒图像进行连续拍摄，并以一定的时间间隔记录图像序列。
4.图像处理：对连续的图像序列进行处理，包括背景校正、图像配准、颗粒定位等步骤，以获得颗粒位置信息。
5.数据分析：通过比较颗粒在不同时间间隔内的位置信息，计算颗粒的位移和速度，并进一步推导出整个流体区域的速度场分布。
PIV技术的优点在于它能够提供全场的速度信息，而不仅仅是单点或线性的数据。
这使得PIV技术在研究流体湍流、气动性能以及流体工程等领域具有广泛的应用。
同时，PIV技术还可以与其他测量技术相结合，如激光雷达、压力传感器等，以提供更加全面和准确的流体力学数据。
然而，PIV技术也存在一些局限性。
首先，要求流体中应有足够数量和密度的微小颗粒，以便在图像中清晰可见，这对于一些实验环境下的流体可能是困难的。
其次，由于颗粒在流体中的多次散射，会造成颗粒在一些位置上的位置模糊，从而影响速度计算的准确性。
总的来说，粒子影像测速（PIV）技术作为一种先进的非侵入式流体力学测量方法，具有高时空分辨率、全场测量等优点，被广泛应用于航空航天、水力学、气动学等领域的流体力学研究。
三维piv测量原理
三维piv测量原理
三维PIV测量原理：
①三维粒子图像测速技术作为流体力学实验中一种先进手段能够实现对湍流边界层复杂流动结构非接触式全场测量；
②技术核心在于利用激光光源照射流场中播撒粒子通过高速相机记录粒子运动轨迹图像分析获得速度矢量信息；
③与二维PIV相比三维系统需至少三台不同角度布置的相机同步拍摄同一时刻流场确保获取空间立体视角；
④激光源通常采用平面激光诱导荧光PLIF技术产生薄层光束照射流体使其中粒子散射或荧光发光；
⑤为提高信噪比激光脉冲能量强度需达到一定水平同时要求粒子浓度适中过密会导致遮挡过稀则影响跟踪精度；
⑥相机镜头光圈快门速度等参数需精心调试以捕捉清晰粒子图像背景光干扰需降到最低；
⑦图像处理阶段首先进行预处理包括去噪配准拼接等操作然后采用相关算法计算粒子位移；
⑧常用方法有窗口相关全局相关特征点匹配等其中窗口相关法因其实现简单应用最为广泛；
⑨通过分析相邻时间步长图像间粒子位移变化即可得到该位置平均速度瞬时速度脉动速度等参数；
⑩三维PIV技术在航空航天汽车设计水力学等领域有着广泛应用如模拟翼尖涡结构优化发动机内部气流组织；
⑪随着硬件性能提升算法优化三维PIV正向着更高时空分辨率实时在线监测方向发展；
⑫正确理解和掌握三维PIV测量原理对于深入研究流体动力学现象指导工程实践具有重要意义。
临界外推滑移长度的解析、测量及其流变学意义
临界外推滑移长度的解析、测量及其流变学意义吴其晔;李鹏;慕晶霞;张娜【摘要】给出用恒速型毛细管流变仪研究熔体挤出畸变时,计算熔体壁滑速率和外推滑移长度的原理和方法,采用2种聚合物样品HDPE(高密度聚乙烯)和EPDM(三元乙丙橡胶)验证计算方法.求得样品的壁滑速率在每秒几厘米的量级,临界外推滑移长度在毫米数量级.由此进一步探讨壁滑的分子机理和界面机理,指出发生显著熔体壁滑、压力振荡和挤出物表面畸变的前提条件是,熔体具有线形分子链且发生强缠结以及熔体/模壁间具有强吸附边界.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(035)003【总页数】6页(P294-298,303)【关键词】挤出畸变;壁滑;外推滑移长度;高密度聚乙烯;三元乙丙橡胶【作者】吴其晔;李鹏;慕晶霞;张娜【作者单位】青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】TU45分子链拓扑结构不同的聚合物熔体，高速挤出流变行为明显不同。
其中线形分子链聚合物，如HDPE（高密度聚乙烯）、LLDPE（线形低密度聚乙烯）等熔体挤出时，当口模壁处剪切应力超过临界剪切应力会发生“壁滑”，熔体／口模壁边界状态发生“黏－滑转变”，使挤出过程失稳，挤出物外观出现畸变［1-2］。
采用恒速型流变仪挤出时，发生“动态黏－滑转变”，挤出压力出现振荡，挤出外观交替出现一段光滑、一段粗糙的黏－滑畸变（竹节畸变）。
采用恒压型流变仪挤出时，发生“全壁滑”，出现喷射现象，流量突增［3］。
为理解畸变机理，需要对“壁滑”及边界状态变化进行定量研究，但壁滑速率vs难以测量，于是人们引入“外推滑移长度b”描述熔体在模壁的滑动，b定义为式中为熔体在壁面处的剪切速率，而最初开始壁滑的滑移长度称临界外推滑移长度bc。
新型分析仪器：光谱椭偏成像系统研制成功
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在中国科学院重大科研装备研制项的资助下， 力学所国家微重力实验室靳刚课题组成功研制出“光 谱椭偏成像系统”及其实用化样机。
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该研究是利用高灵敏的光学椭偏测量术，同时结合光谱性 能及数字成像技术，具有对复杂二维分布的纳米层构薄膜样品 的快速光谱成像定量测量能力。在中科院专家组对仪器性能和 各项技术指标进行现场测试的基础上，4月1日，验收专家组一 致认为：系统为复杂横向结构的大面积多层纳米薄膜样品的快 速表征和物性分析提供了有效手段，是一种纳米薄膜三维结构 表征的新方法。
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该系统既可应用于单光束光谱椭偏仪所覆盖的领域，也 可应用于单波长或分立波长的椭偏成像仪所涉及的领域，适 合同时需要高空间分辨和光谱分辨测量的纳米薄膜器件测量 的场合，这将为椭偏测量开拓新的应用方向。已成功应用于 “863”项目“针对肿瘤标志谱无标记检测蛋白质微阵列生物 传感器的研制”等研究工作中，并将在微/纳制造、生物膜构 造、新型电子器件、生物芯片及高密度存储器件等领域中发 挥重要作用。
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促进专业化协作，建立以大带小、以小保大的“哑铃 型”产业结构，集中必要财力发展重点、关键领域和高新 技术产业，实现仪器仪表工业技术进步和产业升级。 —— 不断扩大仪器仪表行业的高新技术企业，积极发展一批有 技术创新能力、有特色专业产品的高新技术企业、自动化 软件公司和自动化系统集成服务公司。
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光谱椭偏成像系统的特点在于：信息量大，可同时测量 大面积样品上各微区的连续光谱椭偏参数，从而可以获得相 关材料物理参数(如厚度、介电函数、表面微粗糙度、合成材 料中的组分比例等)及其空间分布;空间分辨率高，对纳米薄 膜的纵向分辨和重复性均达到0.1nm、横向分辨达到微米量 级;检测速度快，单波长下获得图像视场内各微区(42万像素 以上)的椭偏参量(ψ和Δ)的采样时间达到7秒，比机械扫描式 光谱椭偏仪提高2-3个量级;结果直观，形成视场内对比测量 ，可准确定位和排除伪信号，这是单光束光谱椭偏仪所不具 备的;并且系统自动化程度高，操作简便。
微纳尺度固体超滑研究进展
孙军辉, 张鑫, 张金璐, 葛蒲宇, 程子文, 蒲吉斌, 鲁志斌, 钱林茂. 微纳尺度固体超滑研究进展[J]. 摩擦学学报（中英文）, 2024,44(4): 437−459. SUN Junhui, ZHANG Xin, ZHANG Jinlu, GE Puyu, CHENG Ziwen, PU Jibin, LU Zhibin, QIAN Linmao.Current Development of Solid Superlubricity at the Microscale[J]. Tribology, 2024, 44(4): 437−459. DOI: 10.16078/j.tribology.2023011微纳尺度固体超滑研究进展孙军辉1,2, 张 鑫1, 张金璐1, 葛蒲宇1, 程子文1*, 蒲吉斌3, 鲁志斌2, 钱林茂1*(1. 西南交通大学 机械工程学院 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031;2. 中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000;3. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 中科院海洋新材料与应用技术重点实验室，浙江 宁波 315201)摘 要: 超润滑，指摩擦阻力极低的状态，是润滑技术发展追求的终极目标. 超滑能够大幅度减小甚至消除滑动界面的摩擦磨损、抑制摩擦能量耗散，有效延长运动部件的可靠性和服役寿命，具有重要的基础研究和工程应用价值.鉴于微纳尺度固体超滑是实现宏观工程超滑的基础，是可能解决现代制造业超精密、微型化发展面临严重摩擦磨损瓶颈问题的有效途径，因此有必要对学术界目前实现微纳尺度固体超滑的原理和典型方法进行探讨，深化认识固体超滑的实现策略，提高摩擦学研究服务现代文明的支撑能力. 从早期的生活生产经验总结，到近代的机械啮合理论、黏着学说乃至当代原子分子水平摩擦理论，人们对摩擦和润滑的认识不断提高，但都不曾回避“摩擦总是伴随着动能/机械能消耗”的观点，即摩擦是界面滑动发生能量耗散的力学体现，滑动势垒的存在是滑动产生摩擦阻力的本征原因. 因此，本文中将围绕如何降低滑动势垒、减小摩擦耗散的思辨理念，介绍当前固体超滑研究的发展和现状，着重探讨实现微纳尺度超滑的一般策略，简要综述学术界目前典型固体超润滑的原理和方法等. 首先，介绍了结构超滑的提出、发展及其应用；其次，探讨了连续滑动超低摩擦行为的基础原理及应用等；此外，阐述了近年来提出的压力诱导超滑的理念，着重从现象发现、基本原理、试验观测方法及其可能的基础和应用价值等方面，介绍了压力诱导超滑的研究进展. 最后，从基础研究和应用技术开发方面提出了超滑研究可能需要加强的几方面内容.以期通过当前综述，丰富学术界对超润滑的基本问题、科学意义及其应用价值的认识，阐明固体超滑的微观机理、实现策略，指出固体超滑面临的挑战及发展方向，助力固体超润滑从基础研究向工程应用迈进.关键词: 超润滑; 超低摩擦; 结构超滑; 连续滑动; 压力诱导超滑中图分类号: TH117.1文献标志码: A文章编号: 1004-0595(2024)04–0437–23Current Development of Solid Superlubricity at the MicroscaleSUN Junhui 1,2, ZHANG Xin 1, ZHANG Jinlu 1, GE Puyu 1, CHENG Ziwen 1*,PU Jibin 3, LU Zhibin 2, QIAN Linmao1*(1. State Key Laboratory of Traction Power, School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031, China;2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Gansu Lanzhou 730000, China;3. Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies, Ningbo Institute of Materials Technology andReceived 18 January 2023, revised 21 March 2023, accepted 22 March 2023, available online 10 April 2023.*Corresponding author. E-mail: ****************, Tel: +86-183********; E-mail: ****************.cn, Tel: +86-28-87600287.This project was supported by National Natural Science Foundation of China (12002289, 52250005, 52235004, 51991373).国家自然科学基金项目(12002289, 52250005, 52235004, 51991373)资助.第 44 卷 第 4 期摩擦学学报（中英文）Vol 44 No 42024 年 4 月TribologyApr, 2024Engineering, Chinese Academy of Sciences, Zhejiang Ningbo 315201, China)Abstract: Superlubricity, which refers to a state of extremely low frictional resistance, is the ultimate goal pursued by the development of lubrication technology. It can significantly reduce and even eliminate the wear at sliding interfaces and inhibit the energy dissipation induced by friction, effectively extending the life of moving components. The studies of superlubricity are thus of both fundamental and engineering importance, as the frontier of tribology. On the one hand, all frictional dissipation and wear are macroscopic manifestations of microscopic frictional actions at the sliding interfaces, so the understanding and realization of superlubricity at micro/nano-scale is the basis to restrain or even eliminate friction dissipation and wear failure at macroscopic scale. On the other hand, with the continuous improvements in manufacturing and processing technologies, miniaturisation and miniaturisation have led to an increase in the specific surface area of moving parts, which makes ultra-precision mechanical equipment and electronic devices face a more severe challenge of microscopic frictional wear and tear. Hence the understanding and realization of superlubricity at micro/nano-scale is also driven by the development of modern manufacturing miniaturization and nanotechnology revolution. From the early experience summaries of life and production and the classical Amonton’s law, to the modern doctrines of interface adhesion and mechanical engagement, to current tribological theory at the atomic or molecular scale, the understandings of friction have always improved with the progresses of science and technology. Although these understandings of friction vary from one period to another, it has never avoided the view that all frictional behaviors are always accompanied by kinetic or mechanical energy consumption, i.e., friction is the mechanical manifestation of the energy dissipation occurring in interface sliding. Precisely, the existence of sliding energy barriers is the intrinsic cause of friction. In view of this, this paper will focus on the idea on how to reduce the sliding potential barriers and reduce frictional dissipation, introduce the development and status quo of mainstream theories of solid superlubricity, discuss the general strategy for achieving micro-nano-scale solid superlubricity, and review the principles and methods of typical solid superlubricity in academia, etc. Firstly, the proposal, development and applications of structural superlubricity are introduced; secondly, the underlying principles and applications of continuous sliding ultra-low friction behaviors are also discussed; in additions, the concept of pressure-induced superlubricity proposed by the author's team in recent years is described, focusing on the research progress of pressure-induced superlubricity in terms of phenomenological discovery, basic principles, experimental observation methods and its possible foundations and applications. Finally, several aspects of superlubricity research that may need to be strengthened are proposed. It is hoped to enrich the academic community's understanding of the fundamental issues, scientific significance and its application value, elucidate the microscopic mechanism and realization strategy, point out the challenges and development direction of solid superlubricity, and make the studies of solid superlubricity moving forward from fundamental science to engineering applications through our current review.Key words: superlubricity; ultralow friction; structural superlubricity; continuous sliding; pressure-induced superlubricity众所周知，摩擦是物质世界的普遍物理现象，广泛发生在接触并发生相对运动或运动趋势的表面间，与人类生产生活关系密切. 摩擦的存在会导致能量耗散以及诱发运动部件表面的材料迁移产生磨损，最终导致部件功能退化甚至丧失，对当今世界的资源、环境和经济等消耗极大. 据统计[1]，人类社会所使用能源的1/3最终为克服不同形式的摩擦而被消耗，80%的机械部件因摩擦磨损而失效，造成的损失不可估量，为工业社会国民生产总值的5%左右. 然而，值得庆幸的是，这些不利结果理论上均可能通过运用摩擦学知识科学设计滑动界面通过润滑得到缓解乃至解决[2-3].超润滑表示摩擦力极低、甚至消失的界面滑动状态，具有重要的基础研究和工程应用价值，因此如何实现超润滑成为摩擦学研究的前沿课题之一. 鉴于认识摩擦的来源是抑制摩擦产生乃至消除摩擦实现超滑的基础，因此在介绍超润滑的研究进展前，有必要对摩擦的来源进行简单探讨，以期增加我们对超润滑设计原理的认识.直观的生活经验告诉我们，粗糙接触表面间的相对滑动摩擦阻力较大[4-5]，这主要由相对运动过程粗糙峰的啮合、变形和剪切等造成，即摩擦起源的古典微凸体变形学说. 实际上，对于粗糙度较小，甚至物理粗糙度接近零的原子级光滑表面，在发生相对滑动时摩擦阻力依然存在，甚至可能更大. 这说明，除了物理粗糙峰的啮合变形导致的摩擦之外，摩擦的产生还可能存在其他更为本征的原因. 表面间黏着作用也会显著438摩擦学学报（中英文）第 44 卷影响相对滑动的摩擦行为，通常黏着较大的物体间相对滑动会产生较大的摩擦力[6]. 英国学者据此提出了黏着摩擦理论，并指出摩擦力产生的真正原因在于摩擦表面间上存在着分子或原子间作用力. 如上所述，减小接触表面间的物理粗糙度、在接触表面间实现较弱的相互作用，如构筑范德华界面、钝化表面悬键等，可能是获得低摩擦的有效途径. 如下文中所述，现有超滑的实现方法，与上述抑制摩擦产生的论断途径密切相关. 同时，由于摩擦本质上是1个机械能被耗散转化为其他形式能量的过程，摩擦的能量耗散途径可能是摩擦产生的重要原因. 基于此，近代学者从不同角度提出了关于摩擦产生的声子学说、电势起伏学说和分子缠绕学说等，并由此衍生了通过控制摩擦耗散，实现超低摩擦状态即超滑的有效策略.实际上，对于超润滑研究的首要问题，即“超润滑”的概念，尚缺乏科学的定义. 通常所谓的超润滑可以认为是滑动界面摩擦阻力极低或接近为零的状态，其科学概念在学术界和工程界尚未明确界定. 由于信号干扰，当前摩擦测试仪器精度难以准确测量摩擦系数小于10−4及其以下的摩擦状态[7]. 所以一般认为，滑动体系的摩擦系数在10−3量级及更低的摩擦状态即可认为是超滑态[8]. 显然该“超润滑”概念，不同于其他领域量子效应引起的临界状态，如超导、超流分别表示在特定临界状态下电阻或流体的黏滞系数绝对为零的量子状态. 因此，为了避免术语的混乱，习惯上将摩擦系数在10−3以下的超低摩擦行为[9-11]称为超润滑，这种定义随着2007年专著《Superlubricity》[7]的出版逐渐沿用开来.在微观尺度认识摩擦的产生和消除机理对理解宏观摩擦行为具有基础重要性，同时也是现代纳米科技发展和现代制造业微型化发展对纳米润滑研究提出的科学和技术需求[12-13]. 因此，微纳尺度超滑成为摩擦学研究的热点方向. 目前，结构超滑[14]和连续滑动[11]是当前学术界获得超润滑状态的重要方法，其中结构超滑可能是研究更为广泛的方法之一. 1990年，日本学者Hirano等[14]基于Frenkel-Kontorova模型预测在原子级接触的非公度接触界面可能实现静摩擦力接近零的超润滑状态，后续研究将该超滑行为在多种材料和不同工况下得到推广[15-23]. 鉴于非公度接触界面产生超低摩擦状态主要源于界面失配下的几何结构效应，学者Müser等[24-25]建议将Hirano等[14, 26-27]发现称为“结构润滑”或“结构超滑”. 此外，研究发现，对于刚性较大的滑动体系，在低载荷条件下，界面滑动容易避免高能量耗散的“黏—滑”滑动模式[11]，实现连续滑动，这种极低摩擦状态，习惯上也被冠以“超润滑”[28-30].能量耗散是衡量材料表/界面相对运动产生摩擦阻力的基本原理，滑动势垒的存在是界面滑动发生耗散、产生摩擦力的关键原因. 尽管结构超滑和连续滑动在原理上存在不同，但二者均遵从减小界面滑动能垒实现低摩擦的一般原理. 基于此，作者团队近年来的研究发现，对于多种不同类型的摩擦体系，法向接触压力均可能引起摩擦势能面褶皱状态发生反转，在临界压力下实现势能面平坦，产生压力诱导的超滑行为.据上述讨论可知，减小滑动能垒是实现低摩擦乃至超滑的关键，本文中将以如何降低滑动势垒减小摩擦的思辨理念为主线，探讨学术界目前典型超滑实现方法的一般特征和基本原理，以期丰富对超润滑的认识，为最终实现宏观工程尺度超滑奠定基础. 首先，介绍了结构超滑的原理、试验验证及其发展和应用；其次，探讨了连续滑动的超低摩擦行为的基础原理及应用等；此外，阐述了作者团队近年来提出的压力诱导超滑. 最后，提出了超滑研究可能需要加强的内容.1 结构超滑结构超滑可能是目前超滑研究最为活跃的课题方向之一，主要来自相互作用较弱表面在非公度接触时相对滑动产生的协同效应. 关于非公度界面结构的摩擦研究，可以追溯至Dowson[31]在1979年提出的球形粗糙峰组合的晶体表面，以及Israelachvili等[32]在1989年关于接触表面的鹅卵石模型. 其原理如图1所示[33]，蛋盒模型可以让我们根据生活经验直观的想象非公度界面产生的超低摩擦行为. 当两晶面的晶格常数和取向完全一致时，称为公度界面[图1(a~b)]，由于跨界面原子之间的同步咬合，系统滑动势垒总体较大[图1(e)]，相对滑动将产生较大的摩擦阻碍；反之，则为非公度界面[图1(c~d)]，此时在确定方向的晶格常数比值为无理数. 非公度界面由于原子间的协同效应，导致界面总体咬合抵消，系统滑动势垒总体协同抵消[图1(f)]，此时相对滑动的摩擦阻力极低，理论上可以逼近零.需要特别指出的是，非公度界面并非一定产生超低摩擦的超滑态，其摩擦力大小与结构的非公度程度、结构的刚性和相互作用等密切相关，后文讨论可知结构超滑的试验和应用仍面临巨大挑战的原因可能正在于此.对于结构超滑的摩擦学研究，1990年日本科学家Hirano等[14]较早从理论上推测了非公度界面的超低摩擦状态，并称之为超润滑(Superlubricity)，与此前Aubry[34]第 4 期孙军辉, 等: 微纳尺度固体超滑研究进展439提出的非公度过渡密切相关. 结构超滑的超低摩擦状态来源于晶面失配状态下，界面原子协同作用有效降低了滑动势垒.如图2所示[35]，形象展示了界面滑动的能垒随界面失配程度的增加而降低行为. 如果周期性单个原子或等晶格常数晶面组成公度界面时，界面结构自发处于能量最低的最稳定界面结构状态，滑动将需要克服较高的能垒；对于存在晶格失配的界面结构，由于界面结构的不匹配，多原子协同作用下，体系的滑动势垒被降低，同时系统总体相互作用能量增加；随着原子数目的增加或接触尺度的扩大，系统能量不断升高，滑动能垒将不断减小，在极限条件下消失，因此产生极低摩擦状态[36]，即结构超滑.如上原理所述，非公度的界面堆叠虽然能够有效减小滑动能垒，但也天然造成表面间接触处于高势能的不稳定状态. 这种不稳定结构容易在热激活和污染物吸附等作用下发生结构扭曲及形变等而恢复到局部公度接触状态，导致超滑行为失稳、甚至丧失. 对于同质界面的结构超滑，非公度结构更容易在能量趋低原理的作用下扭转复位，导致超滑失效[37]. 所以，这种超滑行为对外界约束和材料自身的力学性质存在一定的依赖性. 由于现实中材料的刚性有限，对于既定的滑动体系，维持结构超滑的最大尺度存在一定的临界尺寸[38]；同时，由于这种高能量状态的低稳定性堆叠是1种低概率事件. 如此苛刻的实现条件，可能是导致自然条件下难以发现结构超滑行为的主要原因.可能正是由于上述原理，导致结构超滑天生相当脆弱，试验和应用上较难实现. 实际上， Hirano等提出结构超滑的理论模型之后，结构超滑研究经历了相当长的沉寂期. 尽管Hirano等提出模型后，试验证实了云母等的摩擦各向异性行为，但很遗憾由于试验观测到的摩擦力仍旧较大，无法认定其归属超滑态. 如图3所示，十几年之后即2004年，Dienwiebel等[39]率先在试验中观察到了纳米石墨片之间的摩擦各向异性及其结构超滑行为，被认为是结构超滑研究的里程碑进展.实际上，早在2000年左右，加州大学伯克利分校Zettl 团队[18,40-42]即发现了碳纳米管层间由于摩擦力极低发生的轴向自缩回行为，并提出了线性轴承和纳米超滑转子概念，此后衍生了纳米管超高频振荡器等新发现[43].但可能是由于摩擦学研究的滞后，文中并未指出该超(a)(b)(c)(d)(e)(f)Fig. 1 Geometry of commensurable (a~b, e) and incommensurable (c~d, f) contacts andtheir stress conditions at graphene interfaces[33]图 1 基于石墨烯界面的公度(a~b, e)和非公度(c~d, f)的几何结构和相应的界面晶格的受力情况[33]E(a)(b) (c)(d)EE EFig. 2 The decreasing energy barrier underlying the lattice mismatch[35]图 2 界面结构失配协同降低滑动能垒[35]440摩擦学学报（中英文）第 44 卷低摩擦产生的根源，更无法认定其源于结构超滑. 十数年后，我国学者试验验证了超长碳纳米管的层间结构超滑行为[19]. 多壁纳米管[18]界面的高刚性、有效约束和天然无污染可能是其容易实现稳健结构超滑的关键支撑. 实际上，笔者认为在构筑非公度界面结构时，难以避免的气氛污物分子在表面的吸附可能是结构超滑试验研究存在挑战的重要因素之一，推测Dienwiebel 和Zettl 等[44]的试验成功可能得益于获得了天然无污染非公度界面. 因此，若有效避免污染物分子吸附的干扰，异质界面的天然失配将可能为稳健结构超滑的实现提供便利，近期的试验进展对此进行了验证[22]. 近年来我国学者通过巧妙推开刚性层状结构，原位获得非公度界面，将结构超滑的试验观测成功推广到了微米尺度、大气气氛、高速、重载以及长寿命等苛刻服役工况[45]，对结构超滑的发展做出了重要贡献.尽管结构超滑研究蓬勃发展，但可以看出其实现仍旧局限于微纳接触尺度. 为了实现满足宏观工程应用的超滑，Anirudha 等[23]提出基于纳米尺度界面结构设计的宏观超滑. 如图4所示，他们在DLC 摩擦对偶和二氧化硅基底的滑动体系中预先在基底表面附着3~4层石墨烯，形成基底部分被覆盖，同时加入纳米金刚石微球，在滑动过程由于机械热应力激活作用使石墨烯在金刚石微球表面逐渐包覆缝合，并与对偶类金刚石形成非公度界面，协同金刚石滚珠的滚动效应及其减小的接触面积，可以在多种工况中实现超润滑，这种持续稳定的超润滑在工程应用尺度能够完美实现[23]. 当然，这种超滑效应的非公度界面接触结构需试验考证. 结构超滑的本征原理决定了结构超滑的实现更容易在单峰接触的微纳尺度实现. 基于此，我国学者巧妙的通过织构化的表面处理，将宏观尺度接触转换为粗糙峰为单位的微纳尺度接触，实现宏观工程尺度结构超滑[46]，类似的这种基于微观结构设计获得结构润滑的尝试可能推动其进入宏观工程应用. 结构超滑作为1种实现超低摩擦状态的有效策略，被广泛研究，详见综述文献[8,16].随着结构超滑工程应用的不断探索，其实现的形式必将愈加丰富. 但其本质都是通过各种技术手段消除、破坏弱相互作用滑动界面的公度性，保持滑动界面的非公度接触，以抵消界面原子之间的相互作用、极大地降低滑动势垒，从而实现超低滑动阻力的超滑态. 简言之，结构超滑技术正是通过非公度结构设计极大地降低了界面滑动势垒的超润滑策略.2 连续滑动超低摩擦事实上，除了微/纳机械器件中存在像结构超滑那样在原子级平整的摩擦界面上以面接触模式滑动外，在实际工况中，更多固体润滑发生在粗糙峰接触的滑动界面. 因此，在粗糙峰接触模式下实现超低摩擦、甚至超润滑，对固体润滑的工程应用同样是非常重要的.多粗糙峰摩擦可以看作是多个单峰摩擦的综合效果，所以我们以单峰摩擦为例，探讨单峰接触的超滑行为.在单峰接触模式的滑动过程中，接触峰在滑动界面上常常存在不稳定的运动—类似“跳动”的“黏—滑—黏”行为，而这正是单峰摩擦过程中能量耗散的主要形式.V V lat (V spr )为了帮助理解滑动中单峰滑动能量耗散的基本过程，如图5所示[47]，我们给出了宏观摩擦基元单峰摩擦及其试验中的原子力显微镜针尖在基底表面的滑动过程[48-51]. 并由此衍生了能够演示原子级摩擦及其能量耗散基本特征的P-T 模型，如图6所示：假定针尖与样品间的相互作用是正弦势，滑动体系的材料刚性用-弹簧线性弹性表达. 其中，滑移体系的能量()为针尖-样品相互作用能()与针尖-弹簧线性弹性恢复能之和，即总能量：V =V lat +V spr =−E 02cos (2πx tip a )+12k (x tip −x spr )2(1)E 0x tip x spr ∂V /∂x tip =0其中，为针尖与周期性基底的相互作用能的幅值，a 为周期，为针尖位置，为弹簧平衡位置. 针尖在受力平衡时的位置由确定，因此：πE 0a sin (2πx tip a)=k (x spr −x tip )(2)F lat F spr F lat =F spr 方程左侧表示针尖-样品之间相互作用力，右侧表示针尖收受弹簧的弹性恢复力，因此上式可写作：.当滑动体系只有1个稳定平衡点时，针尖的滑动处−200Rotation angle, Φ/(°)F r i c t i o n /p N5010015020025030035040020406080Fig. 3 Friction anisotropy in nanoscale graphite sheets[39]图 3 石墨片层间的结构超滑行为[39]第 4 期孙军辉, 等: 微纳尺度固体超滑研究进展441F lat (x )F spr (x )[∂F lat (x )/∂x tip ]min >k 于连续滑动的超低摩擦状态[52]，此时，与只有1个交点，则要求斜率.η=2π2E 0/ka 2>1η=1η<1η因此，如图6(c)所示[29]，当体系的滑动参数时，针尖滑移表现出黏-滑状态，容易出现在材料刚性较小而滑动能垒较高的运动体系；处于临界状态；时，针尖在样品表面表现出连续滑动的超低(非零)摩擦. 因此，可以认为是表达能量耗散的摩擦判据，体现了针尖与样品相互作用势的褶皱强度与滑动体系刚性之间的竞争关系，能够反映滑动体系的一般特征. 因此，连续滑动的超低摩擦行为与结构超滑的实现原理异曲同工.事实上，Tománek 等[53]早期即指出摩擦力显微镜测试获得的摩擦力不仅与针尖-样品的相互作用势相关，并与该显微镜构建参数如悬臂刚性有关. 尽管连续滑动能够有效避免黏滑失稳通过声子耗散造成的高能量耗散通道，但由于滑动势垒仍旧存在，无法避免其他诸如来自电子激发和声子-电子耦合等其他形式的耗散. 因此，连续滑动的超滑态是1种无法接近零摩擦的极低摩擦状态.从P-T 模型表达的摩擦基本特征可知，摩擦行为主要取决于界面相互作用产生的滑动势垒和材料自身的刚性这2个重要参量. 滑动势垒的大小与表面间相互作用或材料力学物理形变等直接相关，而材料的本征刚性受接触相互作用的影响较小. 因此，尽管理Nanodiamond(a)(b)(c)(e)(d)Sliding directionGraphene patchesSiO 20.40.30.20.1 1 000Cycles0F r i c t i o n c o e f f i c i e n t 0.02 0003 0004 0000.80.60.40.2 1 000Cycles 0F r i c t i o n c o e f f i c i e n t 0.02 0003 000DryGraphene+nanodiamond Graphene NanodiamondHumidGraphene+nanodiamond0.020.010.003 0004 0000.004SuperlubricityFlat wearFlat wear1 000I n t e n s i t y2 000D G2DRaman shift/cm 3 000200x /μmy /μm−104006000102030−201 000I n t e n s i t y2 000D GRaman shift/cm 3 0002000x /μmy /μm0.44006000.81.21.60.0−0.4200 μm200 μmFig. 4 Superlubrication for macroscopic engineering applications based on structural superlubricity [23]:(a) structural schematic of superlubrication experiments; (b) friction experiments under dry nitrogen atmosphere; (c) Raman spectra of abrasion marks defective graphene under superlubrication; (d~e) experiments under humid atmosphere, friction curves, wear abrasion marks,and Raman spectra of graphitized carbon abrasion chips with a friction coefficient 0.27图 4 基于结构超滑的宏观工程应用超滑[23]：(a)超润滑试验的结构示意图；(b)干燥氮气气氛下的摩擦试验；(c)超润滑下磨痕缺陷石墨烯拉曼光谱；(d~e)潮湿气氛下试验，摩擦系数为0.27时的摩擦曲线、磨痕及石墨化碳磨屑的拉曼光谱442摩擦学学报（中英文）第 44 卷论上可以通过降低滑动势垒和增加体系的接触刚度2种途径来实现连续滑动的低摩擦行为. 但由于滑动体系的刚性通常是材料的固有性质，所以，通常情况下的低摩擦主要是通过降低滑动势能面的褶皱来实现，其主要包括调控界面压力和界面结构设计等方式.如图7所示，巴塞尔大学Socoliuc 等[11]通过调控减小滑动针尖的载荷，实现摩擦模式由“黏—滑”滑动到能量耗散极小的连续滑动的转变，验证了基于P-T 模型的数值预测.根据摩擦判据可知，若体系的刚性足够大，即使在高载荷的高滑动能垒条件下，高刚性材料在一定载荷范围内也应能实现本征的超低摩擦状态，这对于润滑材料的筛选和应用具有重要意义. Ciraci 等[29]基于此推测层状材料，比如石墨烷、氟化石墨烯、二硫化钼和二硫化钨等，由于本身具有较高的刚性，在一定载荷范围内很容易实现超低摩擦，其中二硫化钨最适合作为超润滑材料. 而且，进一步研究发现，由于石墨烯较高的刚性和对铜表面的钝化/屏蔽作用，可以在作为金属基底防护材料的同时实现超润滑[28].连续滑动的低摩擦行为也在多方面实现了应用.如图8所示，Socoliuc 等[54]和Lantz 等[55]发现在对偶界面施加周期性外场激励，能够使有效滑动能垒降低、避免黏滑失稳而实现连续滑动状态，最大限度减小摩擦实现超低磨损，延长滑动针尖的服役寿命. 值得注意的是，类金刚石薄膜材料兼具高硬度和化学惰性于一体，可实现摩擦系数在0.001量级的超滑特性. 尽管其超润滑机理目前主要归于石墨化理论或钝化理论，笔者认为金刚石材料优异的宏观摩擦学特性与当前连续滑动的微观超滑机理吻合，可能与其自身较高的刚度和惰性滑动界面下的低滑动势垒密切相关. 关于类金刚石材料超滑机理的深入探讨，详见相关综述[2, 56-58].综上讨论可知，通过抑制单峰滑动中的黏-滑行为而实现连续滑动是除结构超滑外又一行之有效的固体润滑策略. 但与预设非公度界面的结构超滑不同，连续滑动超滑强调在运动过程中通过协调滑动界面属性(相互作用)与界面材料固有属性(刚度)之间的竞争关系，抑制黏-滑失稳产生的高能量耗散，从而实现超低摩擦. 尽管如此，无论是预设界面结构、还是在滑动中控制界面相互作用，都有效降低了界面滑动势垒. 因此，可以认为，极低的滑移能垒是连续滑动和结构润滑2种典型途径实现超低摩擦的基础原理.3 压力诱导超滑如上所述，现有实现超滑态典型策略的共性原理进一步说明，滑动势垒的有效降低是实现结构润滑或C a n t i l e v erTip apexSubstrateCantileverTip apex axXV tVU 0Support KMkmFig. 5 Simulation of the slip of the needle tip of an atomicforce microscope on a sample with a single-peaked slide[47]图 5 模拟单峰滑动的原子力显微镜的针尖在样品的滑移过程[47]ZSGBAF 1F 2ME n e r g ymmk kv ev e2πafaF o r c eStick-slip regime Sudden jumpSurface Cantilever+surfaceE =k s x 2/2E =−k c x 2/2Continuous slidingCantileverk s < k ck s = k ck s > k c Critical transition (a)(b)(c)Fig. 6 P-T (Prandtl-Tomlinson) model for tip-sample sliding and its analysis: (a) a schematic diagram of the mechanism proposedby Prandtl to describe the behaviour of stick-slip friction [48]; (b) the P-T model [49]; (c) analysis of the P-T model to express theviscous-slip of a needle tip on a sample surface, continuous sliding and critical states[29]图 6 尖端样品滑动的P-T (Prandtl-Tomlinson) 模型及其分析：(a) Prandtl 提出的描述黏-滑摩擦行为的机械装置示意图[48]; (b) P-T 模型[49]；(c) P-T 模型表达针尖在样品表面的黏-滑、连续滑动和临界状态的分析[29]第 4 期孙军辉, 等: 微纳尺度固体超滑研究进展443。
带导流体的旋流非接触吸盘仿真及PIV实验验证
带导流体的旋流非接触吸盘仿真及PIV实验验证周君瑜;叶骞;吴琼【摘要】PIV(Particle Image Velocimetry)技术是一种流场可视化光学方法,经过十年的发展,该技术已经成为研究流场的基本测试手段.由于旋流非接触搬运器内部流道很小,传统的侵入式测量方法很难对搬运器内部流场进行测量.针对这个问题,该文设计了一套PIV实验测试方法,用PIV技术来获得旋流吸盘内部流场的流动规律,采用三种基本旋涡模型对旋流非接触吸盘进行一维数值建模,并且以三种数学模型为目标函数,应用最小二乘拟合方法对PIV数据进行拟合.通过比较拟合效果,辨识出了能够准确描述吸盘内部流场流动特性的数学模型.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】6页(P37-42)【关键词】PIV;旋涡模型;最小二乘;旋流非接触吸盘【作者】周君瑜;叶骞;吴琼【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030【正文语种】中文【中图分类】TH137引言通常为了拾起和搬运一件工件都需要与搬运设备直接接触，这种接触式搬运设备与工件表面就容易造成表面划伤和静电。
例如在半导体加工过程中，晶片需要被频繁地装载与卸载，应用接触式搬运就容易导致次品增多［1］。
为了避免搬运设备和工件的直接接触，磁、静电、近场和气动等多种非接触式搬运方法被提出，气动悬浮方法运用气流对工件的提升力，具有几乎不产生热量，可以搬运任何材料的工件［2］，不需要控制回路而达到稳定状态和易于维护等优点。
现有的气动非接触搬运方法包括基于伯努利原理的伯努利悬浮法和漩涡悬浮法。
伯努利悬浮法空气消耗量较大，并导致供应管道中的能量损失［2］，旋涡悬浮法的空气消耗量则小得多［3］，因此旋涡悬浮法的非接触式搬运方式应用前景较好。
气动悬浮吸盘是一种采用旋涡悬浮方法的非接触式搬运设备，目前对吸盘研究的重点是研究吸盘的内部旋涡流场。
粒子图像测速互相关中亚像素位移定位的改进方法
粒子图像测速互相关中亚像素位移定位的改进方法第一章：引言- 研究背景- 研究意义- 文章结构第二章：粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）简介- PIV原理- PIV系统构建- PIV数据处理第三章：互相关算法及其存在的问题- 互相关算法原理- 亚像素位移定位问题- 互相关算法存在的问题第四章：改进的互相关算法- 基于插值的亚像素位移定位方法- 基于重叠区域的滑动窗口互相关算法- 比较分析改进算法与传统算法第五章：实验与分析- 实验流程- 实验结果分析- 结论与展望第六章：结论- 文章主要贡献- 可能存在的局限性- 进一步研究的建议第一章：引言研究背景：随着精密制造技术和精密测量技术的不断发展，实验测量技术得到了广泛的应用。
粒子图像测速（PIV）技术是一种常用的非接触式测量流场速度的方法。
PIV技术通过先对流场内的流体进行标记，然后利用两个不同时间间隔内的流场图像进行对比，最终得到流场速度场分布。
然而，由于PIV技术采用的是像素级别的图像采集和处理方法，因此在像素级别上存在位置测量误差，这使得精度受到了限制。
研究意义：为了提高PIV技术的精度和准确性，在PIV技术的研究中，亚像素位移定位技术是一个重要的挑战。
互相关算法是一种广泛应用的位移测量方法，被广泛应用于PIV算法的亚像素位移定位中。
然而，传统的互相关算法存在着一些问题，例如：由于互相关算法是基于像素级别的方法，因此在像素尺度上无法进行亚像素位移测量，这限制了PIV技术的精度和准确性。
因此，本文将探讨基于插值的亚像素位移定位方法和基于重叠区域的滑动窗口互相关算法，以提高PIV技术的测量精度和准确性。
文章结构：本文将包括五个章节：第一章：引言，主要介绍了PIV技术及其测量精度的限制，以及本文研究的意义和阐述了文章的结构。
第二章：将介绍PIV技术的基本原理、系统构建、数据处理等方面的知识。
第三章：将介绍互相关算法及其存在的问题，包括亚像素位移定位问题等。
微纳米尺度的力学行为
微纳米尺度的力学行为杨卫(清华大学工程力学系,北京100084)摘要:本文展述微纳米尺度力学行为的若干新进展:(1)微纳米尺度的断裂行为)侧重于从离散位错区到无位错区再到原子运动混沌区的纳观断裂力学描述;(2)微纳米尺度的塑性行为)探讨位错机制被抑制后的塑性变形机制;(3)纳米晶体中的扩散)以不均匀晶界和三晶交网络的扩散为主导;(4)微纳米尺度的接触与摩擦)讨论由于接触区域小而引起的反常行为;(5)微纳米尺度的碰撞)介绍新发现的超音速激波的机理;(6)跨层次算法2从原子/连续介质的可透越区模型到握手区连结的物质点/分子动力学方法。
关键词:微纳米尺度力学断裂塑性扩散摩擦跨层次纳米晶体The Mechanics Characteristic of Micro2nanoscaleYANG Wei(Tsinghua University,Beijing100084)微纳米尺度力学是国际理论与应用力学联合会确立的5个力学发展新方向之一,近年来得到飞速发展。
本文仅讨论与著者10年来的科研工作有密切关系的6个相关的前沿科学问题。
1微纳米尺度的断裂行为微纳米尺度的断裂行为是一个多层次的问题[1,2]。
近年的研究结果表明:由外至内,裂纹尖端由下述嵌套区域所包围:(1)弹性区、(2)连续介质经典塑性区、(3)基于几何必需位错的应变梯度区、(4)离散位错区、(5)无位错弹性区、(6)裂尖原子运动混沌区。
前三个外层区域是连续介质力学的研究范畴。
我们近年的工作主要集中在后三个内层区域。
在离散位错区,我们利用位错堆积模型论证了受约束金属薄层的断裂韧性随层厚的下降[1],建立并提出了由裂纹DFZ前位错反塞积所驱动的准解理断裂理论[3]。
该理论解释了裂纹钝化后再出现脆性解理断裂的有趣现象,定量地表达了由于裂纹钝化时位错发射而造成的应力双峰分布,导致在裂纹前方的纳米裂纹形核并随之与主裂纹汇合的机制。
利用纳米云纹法,我们得到了单晶硅从离散位错区到无位错区的纳观变形场,见图1[4]。
气液两相流动粒子成像测速技术_PIV_研究进展汇总
气液两相流动粒子成像测速技术(PIV 研究进展3许联锋, 陈刚, 李建中, 金上海(西安理工大学水力学研究所, 西安710048 摘要:粒子图像测速技术(PI V 作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法, 已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定。
对于两相流PI V 技术, 目前还处于起步与发展阶段。
本文对近年来两相PI V 技术的发展及取得的成就进行了回顾, 简要地分析了PI V 技术在两相流测量中的潜在优势及存在的困难, 着重对目前两相流PI V 技术中的关键技术-相分离方法进行了较为详尽的总结与评述, 并对PI V 技术在分散相颗粒尺寸及浓度测量方面的应用进行了讨论。
关键词:多相流体力学; 两相流;PI V ; 相分离方法; 粒径分析; 浓度测量中图分类号:T V13113+4文献标识码:AR esearch advances of particle im age velocimetry forgas 2liquid tw o 2phase flowX U Lian feng ,CHE N G ang ,LI Jianzhong ,J I N Shanghai(Institu te o f hydraulics , Xi ’an Univer sity , Abstract :As a new method for non2intrusive velocity measurement ,particle image velocimetry (PI V is widely used in as well as in gas flow , but the tw o 2phase PI V measurement technique is in In recent years ,many researchers have made great efforts in this field and gets ,superiority ,difficulty of PI V used in tw o 2phase flow measurement and the recent of separation methods a key technique in tw o 2phase PI V measurement are presented in this paper. The particle size and concentration measurement methods are als o discussed in this paper.K ey w ords :multiphase fluid mechanics ; tw o 2phase flows ; PI V ; phase separation ; size analysis ; concentration measurement收稿日期:2004203223基金项目:国家自然科学基金项目(50079020 ; 陕西省教育厅科研计划项目(00JK 190作者简介:许联锋,1971年出生, 男, 讲师, 博士1引言气液两相流作为两相流中的一种, 广泛应用于水利、动力、化工、核能、石油、冶金等领域。