纳米摩擦学浅析

纳米摩擦学

引言

纳米摩擦学（ nano tribology），也称为微观摩擦学（micro tribology）或分子摩擦学（molecular tribology），它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大差别。主要有以下几点：在研究仪器方面，主要是扫描探针显微镜，它包括原子力显微镜、摩擦力显微镜以及专门的微型实验装置；在理论分析方面，由分子、原子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力模型。而宏观摩擦学，通常是根据材料表明的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳理论作为分析的基础。

1 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。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。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 纳米摩擦学的研究点与研究进展

纳米摩擦学研究集中在揭示摩擦表面和界面原子、分子尺度范围内的结构、行为及其变化，它涉及一系列材料(包括金属、离子固体、半导体、陶瓷、聚合物和有机材料等)组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、动力学等过程，以及在非平衡条件下的非线性流动、形变等力学行为。显然在纳米摩擦学研究范围内，材料的物理化学特性及其对环境变化的响应发生了很大的变化。因此，纳米摩擦学在研究方法和理论基础、测试技术及应用对象等方面都与宏观摩擦学不同。作为宏观摩擦学主要基础的连续介质力学以及材料的体相性能均不再适用。

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。

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。据此，文献[14)提出滑动摩擦力的鹅卵石模型。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。

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。

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。

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。

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。

3 纳米摩擦学的研究意义和特点

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。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。