原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展

近年来，原子力显微镜在纳米摩擦学研究中获得了越来越广泛的应用，已经成为进行纳米摩擦学研究的重要工具之一，有力地促进了纳米摩擦学的发展．因此，对应用原子力显微镜研究纳米摩擦、纳米磨损、纳米润滑、纳米摩擦化学反应和微型机电系统的纳米表面工程等方面所取得的主要进展作了系统的综合归纳与阐述，并且提出了原子力显微镜在纳米摩擦学应用中亟待解决的几个主要问题．     

摩擦学的进展与展望

对摩擦学近１０多年来在润滑与润滑剂和摩擦与磨损两个方面的进展作了综合介绍与评述，指出最引人注目的是采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜和超薄膜干涉仪等先进仪器设备对边界润滑和边界膜进行原位研究，以及纳米摩擦学、陶瓷摩擦学、空间摩擦学、核反应系统摩擦学、微观摩擦学和表面工程等的发展与各种新型摩擦学材料的开发。同时，还对本世纪末和下世纪初摩擦学的发展前景作了展望，认为在摩擦学设计、新的摩擦学系统、特殊的摩     

关于我国摩擦学发展方向的探讨

通过总结进入新千年以来召开的3次重要国际摩擦学学术会议上发表论文情况,分析了摩擦学发展的现状,指出当今国际摩擦学界研究的主题仍是摩擦、磨损与润滑,而且绝大多数研究都紧密结合工业应用,而表面工程、微观和纳米摩擦学、磁记录系统、生物摩擦学和生态/环境摩擦学等几个领域更加受到关注,在上述分析的基础上,提出了我国摩擦学发展的3个主要方向。     

重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势

阐述了橡塑密封系统摩擦学在"工业强基"战略以及智能制造装备(中国制造2025)的主要挑战.综述了目前橡塑密封的弹性体磨损、润滑、摩擦、界面失稳研究现状,概述了橡胶摩擦学在磨损润滑、摩擦接触研究的主要难题(包括基础理论、计算方法、仪器研制等),分析了我国与世界高端橡塑密封工业先进发达国家的差距,并就未来橡塑密封理论、技术、应用领域的重点提出了若干建议,为我国基础件研究和生产制造、工业摩擦学界提出了建议.     

摩擦学研究的发展概况与趋势

本文简要地综述了近年来摩擦学研究(包括摩擦与磨损的机理、润滑力学、材料与润滑剂、表面技术与工程和摩擦学设计等方面)取得的进展,并就摩擦学研究各领域的发展趋势作了预测。作者特别强调在今后的摩擦学研究中应当注意下述几个方向:摩擦学研究已从传统的力学向材料科学与技术转移;适合于高温应用的或具有低摩擦长寿命的摩擦学材料和润滑剂;磁记录和微型机械的微观摩擦学及纳米级材料摩擦学;摩擦学设计和摩擦学知识的转移。     

双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜的制备及其摩擦学性能研究

利用自组装和喷覆技术,在单晶硅(Si)表面制备了N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)-月桂酰氯(LA)-1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(ILs)双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜(DA-LA-ILs).采用接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和原子力显微镜(AFM)对复合润滑薄膜进行了润湿性能、分子组分、微观形貌和微尺度黏附行为的研究;利用球-盘摩擦磨损试验机研究了该薄膜的摩擦学性能.结果表明:经DA-LA-ILs复合润滑薄膜改性后,有效改善了Si表面的微观黏着性能;同时,相较于DA-LA双层自组装分子膜改性的Si表面和直接由ILs修饰的Si表面,该复合润滑薄膜具有良好的宏观减摩抗磨性能.研究为DA-LA-ILs复合润滑薄膜应用于微机电系统,降低微接触表面的黏着并提高耐磨性能提供了理论依据和试验基础.     

高速钢离子渗硫层的摩擦磨损性能研究

采用低温离子渗硫工艺在 W6 Mo5 Cr4 V2高速钢表面制备了硫化物固体润滑层 ,在 MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机上对渗硫层的摩擦学性能进行了干摩擦试验研究 ,用原子力显微镜及扫描电子显微镜和 X射线光电子能谱分析渗层表面、截面、磨面的形貌及成分 ,用 X射线衍射仪分析了渗硫层相结构 .结果表明 ,高速钢表面渗硫层由 Fe S、WS2 和Mo S2 等具有固体润滑特性的硫化物共同组成 .微观分析发现 ,渗硫层由直径 30～ 80 nm的硫化物球状颗粒随机叠嵌而成 .纳米结构有利于磨损过程中氧化物的产生 ,对提高摩擦磨损性能有利 .干摩擦条件下 ,渗硫层具有明显的减摩与耐磨效果     

超低温摩擦学研究进展

近年来，随着深空探测、超导和量子计算等技术的发展，越来越多的装备需要在极端低温工况下服役，超低温引起的润滑问题日益显现.目前超低温摩擦学研究相对较少，主要集中在材料摩擦学性能的变化研究方面，对其背后作用机制的研究并不深入.超低温下大多数固体润滑材料的耐磨性能变差，难以满足长时间服役需求；材料的摩擦学行为受环境、制备方法以及材料种类等众多因素影响，摩擦学性能变化趋势和程度有所不同，难以形成统一的认识.本文作者从超低温对材料原子和电子运动抑制作用的本质出发，归纳分析了超低温对润滑材料摩擦学性能的影响机制，从超低温引起力学性能变化、摩擦界面间的化学反应活性变化、相结构及界面结构变化以及电子-声子耦合等微观能量耗散形式等4个方面的影响机制进行了介绍，并对未来超低温摩擦学的发展方向和亟需解决的问题进行了展望.     

空间摩擦学研究的前沿领域

综合论述了根据新一代长期空间计划要求形成的空间摩擦学研究新的前沿领域：大幅度延长摩擦学系统的寿命；提高可靠性；大幅度降低摩擦力矩及力矩噪声；在间歇运行条件下的润滑和防止真空冷焊；在极端（低温、高温、高速和重载等）条件下的磨擦学。归纳提出了进行这些前沿研究需要采取的主要技术途径，即立足于现有基础研究解决航天工程上的重点摩擦学问题，加强空间摩擦学的探索性研究以发现或发展新的备用润滑剂和新技术，满足新的     

玻璃表面全氟聚醚衍生物润滑膜的自组装及性能研究

利用自组装技术将两种不同分子量的全氟聚醚衍生物分别组装在玻璃表面，然后采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、接触角测量仪、原子力显微镜(AFM)、椭圆偏振测厚仪对自组装润滑膜的化学结构、润湿性能、微观形貌和膜厚进行了表征，并用TRB摩擦试验机考察了自组装和非自组装两种全氟聚醚衍生物润滑膜的摩擦学性能. 结果表明:全氟聚醚衍生物在玻璃表面的自组装明显降低了玻璃基底的摩擦系数，分子量的大小、自组装溶液的浓度对润滑薄膜的润湿性和耐磨性均有重要影响；而且自组装的分子与玻璃基底的化学键合力更强，热处理后的自组装润滑膜更为致密，因此摩擦学性能更优. 利用三维轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)分析润滑膜磨痕的形貌及对偶钢球表面的磨斑形貌、元素组成及化学状态，显示润滑膜与对偶钢球摩擦的过程中发生分解，形成了含有有机氟氧化物和有机氟碳化物等的碎片，并发生了转移，进而导致摩擦失效.      

微观摩擦磨损研究的新进展

随着纳米科学与技术的发展，微观摩擦学越来越受到人们的广泛重视，并且已经成为当前摩擦学研究中的相当活跃的前沿领域之一。研究表明，在超精密机械或微型机械中，微观尺度上的摩擦磨损在很大程度上决定着各相对运动部件能否产生运动，以及整个运动系统的性能和寿命，因此，研究微观摩擦磨损至关重要，其最终目的是实现零磨损，为了推动和加速微观摩擦磨损研究的开展，对近几年国内外微观摩擦磨损研究的新进展作了综述与讨论，介绍     

溅射二硫化钼膜在不同润滑条件下的摩擦学性能分析

通过MoS2膜/钢、钢/钢摩擦副分别在干摩擦、油和脂润滑条件下的球-盘式摩擦学试验,对比分析了润滑条件、载荷、滑动速度对MoS2膜摩擦系数的影响.利用原子力显微镜(AFM)对膜层磨损形貌进行表征,研究润滑条件对膜层磨损寿命的影响.结果表明:在4122仪表油和FAG脂润滑下,MoS2膜在零速启动、中低速情况下的动、静摩擦系数均比MoS2干膜和钢/钢摩擦副的要低;固-液复合润滑时的MoS2膜的耐磨性均比干膜摩擦时有所降低,MoS2干膜的磨损率约为8.1×10-7mm3/(N.m),在油和脂润滑时其磨损率分别约为2.4×10-5mm3/(N.m)和5.5×10-6mm3/(N.m).     

原子力显微镜探针振动的简化模型分析

为对原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)的微悬臂梁进行定性动力学特性分析,建立AFM微悬臂梁的简化模型,探讨AFM探针的受迫振动.通过理论计算得出AFM探针简化模型的运动方程,并得到振动波形,证明了AFM实际应用中的对称问题和"频漂"问题,并发现AFM简化模型的间歇式碰撞现象.用负弹簧模拟探针针尖与样品之间的长程引力,并通过理论计算探讨长程引力对AFM测量的影响.     

纳米级稠化剂颗粒沉积膜在乏脂润滑中的作用机制研究

利用双光束干涉法对点接触区乏脂润滑成膜特性规律以及接触区附近润滑剂的微观迁移特性进行了观测.在试验条件下,接触区会经历充分润滑—乏脂—沉积膜润滑—分离油润滑等润滑状态.借助原子力显微镜,探测到沉积膜是润滑脂的稠化剂被碾压破碎而沉积在滚压轨道表面的一层纳米级颗粒薄膜;而分离油是在剪切过程中润滑脂内逐渐释放基础油.试验初始,接触区周围的润滑脂池因乏脂而迅速消失,但分离油会逐渐形成"第二相油池"以实现回流补给.沉积膜增大了基础油在滚动轨道表面的接触角,阻碍回流补给,但其会随运动逐渐磨损,此后分离油将进入接触区补充润滑膜.初步发现,当分离油不充足时,沉积膜有利于保护润滑轨道.     

铝基复合材料超精密加工中的刀-屑摩擦磨损性能及模型研究

通过金刚石PCD刀具对非连续SiC增强铝基复合材料的超精密车削加工试验,考察了刀具第二切削变形区(刀具前刀面-切屑间)的摩擦磨损性能,并提出了相应的模型;采用爆炸式快速落刀装置制备出切屑根并分析了积屑瘤的影响因素;采用原子力显微镜对PCD刀具的刃口磨损形貌进行观察,并分析其磨损机理.结果表明:在超精密切削加工非连续增强铝基复合材料的过程中,前刀面仍然有极小的楔型积屑瘤产生;铝基复合材料的摩擦磨损性能明显优于铝合金,且当SiC增强相达到最佳体积分数(20%～25%)时,其摩擦磨损性能最佳;从刀具的耐磨性角度考虑,在超精密加工非连续增强铝基复合材料时适宜采用金刚石刀具.     

Influence of atomic force microscope (AFM) probe shape on adhesion force measured in humidity environment

In micro-manipulation, the adhesion force has very important influence on behaviors of micro-objects. Here, a theoretical study on the effects of humidity on the adhesion force is presented between atomic force microscope （AFM） tips and substrate. The analysis shows that the precise tip geometry plays a critical role on humidity depen- dence of the adhesion force, which is the dominant factor in manipulating micro-objects in AFM experiments. For a blunt （paraboloid） tip, the adhesion force versus humidity curves tends to the apparent contrast （peak-to-valley corrugation） with a broad range. This paper demonstrates that the abrupt change of the adhesion force has high correla- tion with probe curvatures, which is mediated by coordinates of solid-liquid-vapor contact lines （triple point） on the probe profiles. The study provides insights for further under- standing nanoscale adhesion forces and the way to choose probe shapes in manipulating micro-objects in AFM experiments.     

基于第一性原理的固体界面摩擦学性能高通量计算研究

基于第一性原理提出了自动构建计算构型-自动提交计算任务-智能分析计算数据的固体界面摩擦性能自动化计算方法,并通过并发-并行同时计算约1 000个计算任务,实现了固体界面摩擦性能的高通量计算. 以石墨烯/石墨烯滑动体系为例,测试了高通量计算方法的可靠性. 结果表明:通过该方法计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致,摩擦系数也与试验结果相符合,从而验证了该方法的可靠性. 该方法能够极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间.      

Simulation of planar flexible multibody systems with clearance and lubricated revolute joints

Modeling of clearance joints plays an important role in the analysis and design of multibody mechanical systems. Based on the absolute nodal coordinate formulation (ANCF), a new computational methodology for modeling and analysis of planar flexible multibody systems with clearance and lubricated revolute joints is presented. A planar absolute nodal coordinate formulation based on the locking-free shear deformable beam element is implemented to discretize the flexible bodies. A continuous contact-impact model is used to evaluate the contact force, in which energy dissipation in the form of hysteresis damping is considered. A force transition model from hydrodynamic lubrication forces to dry contact forces is introduced to ensure continuity in the joint reaction force. A comprehensive study with different lubrication force models has also been carried out. The generalized-α method is used to solve the equations of motion and several efficient methods are incorporated in the proposed model. Finally, the methodology is validated by two numerical examples.