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     

探索微纳米世界的手——原子力显微镜1)

显微镜的发展让人类看到了真实的微纳米世界,原子力显微镜的出现则让我们进一步直接接触并感知其中的力学相互作用。借助这只微纳尺度的手,原子力显微镜技术越来越多地帮助我们探索和理解微纳米世界,甚至是生命世界。本文介绍了显微镜的发展,原子力显微镜的力学测量原理,以及在活细胞力学研究中的应用。     

一种改进的原子力显微镜摩擦力标定方法

在传统标定AFM测力系统的楔形法基础上,通过线形加载的扫描方式,得到不同载荷下AFM针尖在平面和斜面上的切向力-位移循环曲线,并进一步计算出不同载荷下的摩擦力标定系数,进而根据该系数随载荷的变化趋势,选取高载下相对稳定的数据作为最终的标定结果.结果表明,由于改进的楔形法全面考察了摩擦力标定系数随载荷的变化趋势,避免了低载标定所引入的误差,标定结果更合理.     

MWCNTs复合物纳米流体的摩擦学性能

将油性剂油酸(OA)填充进多壁碳纳米管(MWCNTs)的空腔内制备复合物,再以复合物为添加剂制备一种纳米流体,考察了复合物的质量分数、MWCNTs的酸处理时间以及摩擦测试条件等对纳米流体摩擦学性能的影响,并分析了复合物的润滑机理.结果表明:油酸被成功填充到经酸处理的MWCNTs管内,填充率约20%;摩擦过程中,复合物制备的纳米流体的摩擦系数有不断减小趋势,其减摩效果甚至优于同等含量的油酸乳化液;当复合物的质量分数为0.1%左右时,纳米流体可获得最佳的减摩、抗磨效果;随着酸化处理时间的增加,复合物制备的纳米流体的减摩、抗磨性能会有所提高.摩擦过程中,复合物可释放出油酸并形成润滑膜,MWCNTs则能够在油酸形成的润滑膜上发挥"微轴承"的作用,从而使复合物获得更加优良的减摩、抗磨效果.     

沙水润滑下纳米改性NBR材料的摩擦学性能

丁腈橡胶(NBR)是一种优异的水润滑减摩耐磨材料,但硬质颗粒的介入对其产生较大的材料损失. 利用硅烷偶联剂TESPT改性纳米SiO₂颗粒,并填充至NBR基体,获得改性纳米SiO₂/NBR标记为NBR-1. 改性后的纳米SiO₂颗粒在NBR基体中均匀分散. 将纳米SiO₂颗粒、微米SiO₂颗粒填充至NBR基体标记为NBR-2、NBR-3作为对照组. 三种复合材料在武汉理工大学自制的SSB-100型摩擦磨损试验机上进行沙水润滑工况下的摩擦磨损试验. 结果表明:三种复合材料在沙水工况下摩擦系数均随载荷和转速的增加而下降. 在相同的载荷和转速条件下,NBR-1的摩擦性能最为优异. 对比三种材料的耐沙磨损性能,沙粒对NBR表面的磨损主要为犁沟磨损,NBR-2和NBR-3材料磨损量远远大于NBR-1,NBR-1材料更适用于含沙水区域.      

CdS纳米粒子的合成及其对PTFE基粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响

采用液相沉淀法制备了N,N-二辛基二硫代氨基甲酸修饰的Cd S纳米粒子,利用FTIR、XRD和SEM对其形貌与结构进行了表征,并利用MHK-500A环-块摩擦磨损试验机研究了Cd S纳米粒子含量和不同润滑条件对聚四氟乙烯基粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响.结果表明:所合成的Cd S纳米粒子大小均匀,粒径为20~30 nm;且Cd S纳米粒子能够改善涂层的摩擦学性能,当Cd S纳米粒子的添加质量分数为5%时,涂层的摩擦学性能最佳,摩擦系数和耐磨寿命分别为0.256和490 m/μm;与干摩擦相比,RP-3航空煤油润滑下涂层具有较低的摩擦系数和较长的耐磨寿命,且航空煤油有益于涂层承载能力的提高,使涂层在1 000 N的载荷下仍具有较好的摩擦学性能.     

陶瓷摩擦学

继陶瓷的摩擦与磨损的评述和讨论之后，从液体润滑、固体润滑、气相润滑、自润滑复合陶瓷、陶瓷表面改性和协同润滑技术几个方面，系统地讨论了陶瓷材料的润滑问题，阐明了这些润滑技术的优缺点，指出了陶瓷润滑研究中几个值得重视的发展方向。     

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.     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术...     

微加工中原子力显微镜金刚石针尖的磨损研究

考察了用原子力显微镜对单晶硅进行微加工时金刚石针尖的磨损行为 ,对针尖的磨损率、磨损机理以及针尖磨损对微加工过程的影响进行了实验研究和理论分析 .结合对单晶硅所进行的摩擦磨损试验 ,应用计算模型得出针尖的磨损率为 1.7× 10 - 1 0 m m3/(N·m) ;通过对针尖磨损特征的原子力显微镜观察 ,结合金刚石针尖上应力集中的有限元计算及单位切削力计算 ,推测其磨损机制主要为化学磨损     

Complex Dynamics of a Pyranose Ring Structure Molecule Attached to an Atomic Force Microscope

Dynamic numerical simulations were performed for a pyranose ring structure molecule attached to an Atomic Force Microscope (AFM) using a standard semiempirical potential energy surface model. The fundamental static force-extension behavior was first determined using a slow pulling base excitation at the AFM probe. The static force-extension curve displays a stiffness nonlinearity, both softening and hardening, that depends upon level of the pulling force. For the dynamic analysis, a single harmonic base excitation is applied to the AFM probe. A typical evolution process from periodic to aperiodic or chaotic motion obtained by varying the excitation frequency and amplitude is discussed. A strong chaotic response motion was generated for certain system parameters. The numerical analysis shows this chaotic response arises from a molecular structure conformational change.     

扫描探针声学显微技术研究进展

纳米科技的快速发展迫切需要对材料小尺度下的力学性能进行定量化测试与表征.将声学和原子力显微镜相结合的扫描探针声学显微技术(Atomic Force Acoustic Microscopy,AFAM)是近年来发展的一项定量化纳米力学测试方法,具有高分辨和无损的优势.论文围绕AFAM这一测试技术,首先详细论述了AFAM弹性力学性能和粘弹性力学性能定量化测试的基本原理以及两种成像模式;随后对AFAM方法研究相关的进展进行了分析和归纳;接着对AFAM在纤维增强复合材料、智能材料、生物材料、纳米材料和薄膜中的应用进展进行了综述;最后对AFAM进行了总结和展望.     

AFM稳定性研究

“突跳”现象严重影响着原子力显微镜(AFM)的性能。根据W igner-Seitz模型微观连续介质理论,建立了AFM针尖同试样面接触力包含斥力的数学模型;由分析力学的稳定平衡条件,发现了引起AFM“突跳”的本质是不稳定平衡点的存在;通过增加AFM悬臂梁刚度,提出了一种避免AFM“突跳”现象发生的方法,并给出仿真结果。     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性，并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为．结果表明，同硅基体相比，聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱，薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关；碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移，从而对针尖起修饰作用，以减轻微观摩擦磨损．     

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     

核壳结构PS/CeO2复合微球弹性模量的AFM测定

利用原子力显微镜测定了聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球和核壳结构PS/CeO₂复合微球的力-位移曲线,并根据Hertz接触理论计算了微球样品的弹性模量.结果表明:粒径在120 nm左右的PS微球的平均弹性模量约为2.80 GPa,其数值略低于聚苯乙烯块体材料的弹性模量.复合微球的弹性模量随CeO₂壳层厚度的增加而增大,当CeO₂壳厚分别约为8、12和16 nm时,其平均弹性模量依次约为7.93、8.25和10.67 GPa.与纯氧化铈相比,PS/CeO₂复合微球的弹性模量更接近于聚苯乙烯微球.     

Microfabricated Force Sensors and Their Applications in the Study of Cell Mechanical Response

Living cells are sensitive to their mechanical environments and they transduce mechanical stimuli into biological responses. Developing suitable experimental techniques is essential to explore the question on how cells respond to mechanical stimuli. The current major techniques normally induce small cell deformations and measure their corresponding cell force response (small) in the range of 1 pN to 10nN. However, in many physiological conditions, cell deformations can be large (comparable to the cell sizes) inducing large force response. In order to explore cell mechanical behavior under large deformations, we introduce a class of microfabricated force sensors. The sensors, consisting of a probe and flexible beams, normally measure cell force response in the range of 1nN to 1μN. Both the one- and two-component force sensors have been developed, and have been used in cell experiments. These experiments showed the versatility of the force sensors. Representative experimental results on cell stretch force response, cell indentation force response, and in situ observation of the actin cytoskeleton during indentation, will be given. These results provide significant insight on cell mechanical response under large deformations.