MoS2摩擦表面氧化与电子转移

利用电子自旋共振谱（ＥＳＲ）和Ｘ射线光电子谱（ＸＰＳ）研究了ＭｏＳ２摩擦表面的氧化行为和摩擦表面氧化的电子转移,发现Ｍｏ２在摩擦失效过程中Ｍｏ＾４＋与氧作用生成稳定的Ｍｏ＾６＋终态氧化物,其间经过Ｍｏ＾５＋过渡态。深入揭示了ＭｏＳ２摩擦表面氧化过程的复杂性,指出Ｍｏ在摩擦表面氧化过程中以多种化学状态存在,Ｍｏ原子的氧化是Ｍｏ４ｄ轨道上的单电子转移过程。     

电场下悬浮六方氮化硼摩擦特性的研究

六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)因其良好的润滑性和绝缘性,在微纳机电系统中有巨大的应用潜力.本文通过基底刻蚀的工艺,在SiO_2/Si基底上制备了微孔阵列,然后将h-BN转移到微孔基底上形成悬浮结构,利用原子力显微镜研究电场对悬浮h-BN摩擦特性的影响.结果表明:悬浮状态的h-BN的表面摩擦力小于有基底支撑的h-BN的表面摩擦力,原因是更大的面内拉伸削弱了褶皱效应.电场作用下,针尖与h-BN之间的静电相互作用增强,悬浮h-BN表面的摩擦力随偏压的增大而增大,且正偏压的影响大于负偏压的影响.同时,在电场下针尖在悬浮h-BN表面的黏滑行为出现单步黏滑向多步黏滑的转变.此外,与有基底支撑的h-BN相比,悬浮状态的h-BN受电场的影响更大,这是由于针尖与基底界面距离的缩小以及基底氧化层的缺失导致静电力增强.本文提出了通过施加外电场来调节悬浮h-BN表面摩擦的方法,对研究二维材料摩擦特性提供了一定的理论指导.     

运动颗粒流中的摩擦起电

绝缘颗粒系统的摩擦带电现象是一种普遍现象,但至今仍未得到很好的认识.月球及火星表面漂浮着大量尘埃颗粒,这将严重影响探测设备的太阳能帆板、散热和观察系统等的正常工作.近年来,电帘除尘方法被认为是在月表进行尘埃防护的有效手段,研究表明颗粒表面摩擦带电对月尘静电来源贡献最大,因此正确理解颗粒摩擦带电的机理对分析尘埃颗粒的运动规律至关重要.本文建立了一个基于高能态电子假定的分析模型来预测颗粒间的摩擦电荷分布.计算了颗粒摩擦生电与颗粒粒度的依赖关系,以及粒度范围对摩擦电荷产生的概率大小的影响.揭示了电荷分布的一个上限,并讨论了可能的原因.对粒子碰撞过程中的电荷转移进行了粒子动力学模拟,验证了理论预测结果.     

纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究

表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的.由于摩擦表面形貌的随机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定.通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源. 关键词： 随机粗糙表面 Lennard-Jones势能 微滑动摩擦力 微摩擦     

摩擦导致的聚合物表层微观结构改变

应用大规模分子动力学方法, 模拟了锥形探头在非晶态聚合物薄膜表面的滑动摩擦过程, 研究了摩擦导致的聚合物薄膜表层微观结构改变, 以及探头与基体间黏着作用、滑动速度和分子链长度对基体表层微观结构改变的影响. 当探头与基体之间为黏着作用时, 摩擦导致基体表面滑痕区域的键取向沿滑动方向重新取向, 导致表层分子链回转半径沿滑动方向伸长, 并且这些表层微观结构的改变程度随滑动速度的减小而增大. 在摩擦导致结构改变的过程中, 链端单体和链中单体的贡献作用不同, 形成了不同的分子链拉伸变形机制. 当样本缠结度较大或探头滑动速度较小时, 相比于链中单体, 探头对链端单体的拖曳作用使更多分子链发生拉伸变形. 研究还发现, 在探头与聚合物薄膜系统中, 使薄膜表层微观结构发生改变是摩擦能量耗散的重要途径.     

搅拌摩擦焊准稳态热力耦合过程数值模拟研究

搅拌摩擦焊接过程中的材料塑性变形流场与温度场对焊接接头的组织演化及最终的力学性能有着十分重要的影响,许多学者对此进行了大量的研究.近年来的研究结果表明,该过程是一个极其复杂的热力耦合过程,温度场与材料塑性变形流场之间具有相互耦合效应.运用流体力学和传热学原理对准稳态热力耦合过程进行了数值模拟研究,通过计算得到了焊件材料的流场和温度场分布,并设计了相关实验对温度场进行了验证,结果表明该计算结果可以较准确地描述搅拌摩擦焊准稳态热力耦合状态.     

不同取向的向列型液晶盒的光电响应曲线

测量了从0°到90°摩擦取向的向列型液晶盒的光电响应曲线,发现在透过率随电压的变化过程中存在较大振荡现象,且振荡幅度与液晶盒的取向相关;通过对液晶盒出射光的偏振状态测量,发现液晶盒出射的椭圆偏振光的偏振方向会影响液晶盒的性能,且影响的强弱与液晶盒的摩擦取向有关.从理论上对该现象进行了定性解释.     

摩擦基板间液晶薄层的分子场理论

提出一种新的表面作用势用于描写摩擦基板对液晶分子的作用.通过分子场理论研究摩擦基板间的液晶薄层,基板作用使液晶分子沿面平行排列.采用Lebwohl Lasher模型,将分子质心固定在简单立方晶格的格点上.对20个分子层构成的液晶薄层进行了数值计算.存在3种分子优先取向方向不同的状态,优先取向方向沿摩擦方向的状态具有最低自由能,并考虑了基板作用引起的双轴对称性.     

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

掺氮石墨烯具有良好的应用前景,但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏.本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响.结果表明在公度、非公度的界面结构下,氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势.界面结构为公度状态时,氮原子的引入导致了局部非公度状态,因而界面势垒降低、摩擦减小.界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反,在二者的共同作用下,随氮掺杂比例的升高,掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势.界面结构为非公度状态时,氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化,界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大.存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大,掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义.     

基于非连续能量耗散的滑动摩擦系数计算模型

分析了界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化条件下晶体材料界面摩擦滑动摩擦系数计算模型.结果表明:在弹性接触状态下,滑动摩擦系数与载荷及实际接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷增加而减小.在缓慢滑动时,滑动摩擦系数随滑动速度的增高而缓慢增大,相对滑动速度愈高,滑动摩擦系数增大趋势愈显著.滑动摩擦系数随晶格常数的增加而降低,而当晶格常数较大时,其变化对滑动摩擦系数影响较小.同时,滑动摩擦系数随原子的可能温升增加而增大.研究结论对工程应用及相关的理论研究具有一定的参考意义. 关键词： 滑动摩擦系数 非连续能量耗散 界面摩擦     

摩擦学的发展与大学物理教学

摩擦学是近20多年来形成的一门年轻但又发展很快的边缘学科,它是研究作相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技术。实际上摩擦学是研究两表面摩擦、磨损、润滑这三项相互关联的科学技术的总称。摩擦学的研究在工业生产中对减少损耗,提高效率,节约能源、提高经济效益方面发挥了重大作用。 一、固体的表面性质与表面接触 在摩擦学中,把表面看成分隔两个介质的几何平面。金属表面在切削加工过程中其表层组织结构将发生变化,应该把表面看成金属上有机地生长出来的一层,它具有特殊重要的物理性能,与金属基体本身的物理-化学性质不一样。图1是金属表层的一般结构。在摩擦过程中,表层膜的结构、性质及其破裂、再生的规律对摩擦性能影响很大。由于膜的存在,使金属表面不易发生粘着,可使摩擦系数降低。     

亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究

以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据. 关键词： 亲水表面 微观粗糙结构 表面自由能 润湿状态转变     

硫化廿二酸中氧与硫在菜籽油中的协同减摩抗磨作用研究

采用低温硫化工艺和复分解反应制备了无臭硫化廿二酸,在四球摩擦磨损试验机上考察了其在菜籽油中的减摩抗磨行为及承载能力,并对钢球磨损表面进行了扫描电子显微（ＳＥＭ）、电子探针（ＥＰＭＡ）以及Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）分析。通过与廿二酸和硫化异丁烯的对比研究发现,在廿二酸中引入硫后,氧与硫产生了明显的协同减摩抗磨及承载作用。钢球磨损表面ＸＰＳ分析结果表明,在摩擦过程中硫化廿二酸发生了摩擦化学变化,表面Ｅ     

基于原子力显微镜的石墨烯表面图案化摩擦调控

摩擦可调控的石墨烯作为固体润滑剂在微/纳机电系统中具有巨大的应用潜力.本文采用导电原子力显微镜对附着在Au/SiO_2/Si基底上的石墨烯进行氧化刻蚀,比较了在不同刻蚀参数下石墨烯纳米图案的摩擦性能,并且通过开尔文力显微镜分析了不同刻蚀参数对纳米图案氧化程度的影响.结果表明:施加负偏压可以在石墨烯表面制造出稳定可调的氧化点、线等纳米级图案,氧化点的直径和氧化线的宽度都随着电压的增大而增大;增加石墨烯的厚度可以提高纳米图案的连续性和均匀性.摩擦力随着针尖电压的增大而增大,这是由于电压增大了弯液面力和静电力.利用这些加工的纳米级图案可以精确地调控石墨烯表面的摩擦大小.通过导电原子力显微镜刻蚀技术实现石墨烯表面纳米摩擦特性的可控,为石墨烯在微/纳米机电系统中的摩擦行为研究和具有图案表面的纳米器件的制备提供了新的思路和方法.     

抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度的影响

减小大孔径超光滑玻璃表面的粗糙度是提高抛光质量的关键。实验研究了抛光过程中pH值对抛光元件表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度有较明显的影响;抛光过程中抛光液的pH值会随抛光时间而变化;抛光过程中,当保持抛光液处于微碱状态,且离抛光粉的等电离点较远时,抛光元件表面具有较小的粗糙度。     

等离子体环境非偏置固体表面带电研究

航天器与等离子体环境中的电子、离子相互作用, 表面将出现充放电效应, 对航天器产生负面影响. 表面充电电位对充放电影响至关重要. 综合考虑等离子体中粒子质量、温度及密度, 二次电子效应及非偏置固体的运动速度等因素, 基于气体动理论, 利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中非偏置固体表面充电电位一般表达式. 分析了等离子体以及非偏置固体特殊状态下的表达式及一般状态下的表达式, 总结出不同等离子环境、不同运动状态下的表面充电规律. 关键词： 等离子体 非偏置固体 表面充电     

Si表面间水平碳纳米管束的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学模拟方法研究了Si表面间单壁水平碳纳米管束SWCNT (10,10)的变形和摩擦特性.系统在弛豫平衡后,首先对碳纳米管束施加压力至碳纳米管或Si表面结构破坏.之后在无压力和高压力两种情况下使上表面沿水平方向做剪切运动以研究碳纳米管束的摩擦特性.结果表明,由于碳纳米管的柔韧性,碳纳米管束在加载过程中出现明显变形,但直至3.8 GPa高压下并无结构破坏.系统无压力时SWCNT (10,10)在原地轻微随机滚动,压力为3.8 GPa时,碳纳米管束出现了整体的轻微滑动,同时伴随无规律的轻微滚动, 关键词： 碳纳米管束 摩擦 分子动力学模拟     

计入固液界面作用的润滑热力学模型与分析

摩擦与润滑过程是典型的能量耗散过程, 在机理上与非平衡热力学中的熵增、耗散结构等理论颇有相似之处. 通过热力学分析可以对一些典型的摩擦磨损过程做出合理的机理揭示与推测. 本文利用热力学理论对典型的润滑过程进行了建模分析. 采用分离压模型表征和计入了微尺度下的固液界面作用, 揭示分析了润滑热力学模型与润滑状态Stribeck曲线的联系. 从分析计算结果来看, 润滑Stribeck曲线的摩擦系数最低点与系统热力学上的熵增率最低点具有相当好的对应关系, 而润滑状态从弹流润滑向薄膜润滑的转变过程, 可以用耗散结构理论加以机理解释. 文中的热力学模型和方法能够有效地体现出润滑过程中多物理要素跨尺度非线性耦合的作用, 对实际工程与实验有着重要的指导作用.     

热激发效应对界面摩擦的影响

论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.     

扫描隧道显微镜针尖与铅(110)样品间“连颈”自动变细过程的实验研究

近期的实验表明跳触现象（jumpto contact）很可能是摩擦的起源．所谓跳触就是当针尖和平的表面距离很近时二者会突然接触从而形成“连颈”．在用扫描隧道显微镜研究这种现象的过程中，利用电导随时间的演变曲线，我们发现扫描隧道显微镜针尖和铅（110）样品表面间的这种连颈在被拉伸到一定程度后，会自发变细直到拉断．环境温度和表面清洁度对这种自发变细过程的显著影响表明这种过程是由连颈表面铅原子的扩散引起的