微機(jī)械學(xué)中的納米摩擦學(xué)_第一節(jié)

1、微機(jī)械學(xué)中的納米摩擦學(xué)微機(jī)械學(xué)中的納米摩擦學(xué)YOUR SITE HERELOGO第第1 1節(jié)節(jié). . 緒論緒論第第2 2節(jié)節(jié). . 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器第第3 3節(jié)節(jié). . 微觀摩擦研究微觀摩擦研究第第4 4節(jié)節(jié). . 微觀磨損研究微觀磨損研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容第第5 5節(jié)節(jié). . 微觀潤(rùn)滑研究微觀潤(rùn)滑研究YOUR SITE HERELOGO1.1 微機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史微機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史 1959年，Richard P Feynman提出了微型機(jī)械的設(shè)想。 1962年硅微型壓力傳感器問世，其后開發(fā)出尺寸為50500的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論微齒輪結(jié)構(gòu)SEM圖像 1

2、987年，美國(guó)UC Berkeley大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微馬達(dá)，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)，人們看到了電路與執(zhí)行部件集成制作的可能性，這是MEMS技術(shù)的開端。微馬達(dá)SEM圖像 1993年，美國(guó)ADI公司采用MEMS技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)微型加速度計(jì)的商品化，大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著MEMS技術(shù)商品化的開端。YOUR SITE HERELOGO1.1 微機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史微機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史 20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家先后投巨資并設(shè)立國(guó)家重大項(xiàng)目促進(jìn)MEMS技術(shù)的發(fā)展。目前，在微型加速度計(jì)、微型壓力傳感器、數(shù)字微鏡器件（DMD）、噴墨打印機(jī)的微噴嘴、生物芯片等領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了MEMS技術(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒

3、論YOUR SITE HERELOGO1.2 MEMS微型化帶來的理論問題微型化帶來的理論問題 目前，各種微器件有機(jī)結(jié)合成真正意義上的 EMS還有相當(dāng)?shù)碾y度，如何建立MEMS等效機(jī)構(gòu)的失效模型這一問題尚未得到有效解決。其原因主要是人們對(duì)微觀條件下 MEMS 器件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理特性和受載之下的力學(xué)行為缺乏充分的認(rèn)識(shí)，沒有形成基于一定理論基礎(chǔ)的 MEMS 設(shè)計(jì)理論方法，只能靠傳統(tǒng)方法進(jìn)行試探性研究。目前， MEMS 基礎(chǔ)理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，成為整個(gè)微光機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論 MEMS器件的尺寸多在幾十納米1mm之間，在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)特有的規(guī)律和尺度效應(yīng)。Y

4、OUR SITE HERELOGO1.2 MEMS微型化帶來的理論問題微型化帶來的理論問題v 尺度效應(yīng)第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論 隨著MEMS元器件的微型化，與元件表面面積成比例的表面力取代體積力（如慣性力等）而成為主導(dǎo)力。 在微系統(tǒng)中，作用在表面上的摩擦力和粘滯力對(duì)于微機(jī)械性能的影響要比體積力大很多，由于粘著力過大而使微構(gòu)件在制作過程中損壞是經(jīng)常發(fā)生的事情，而摩擦力過大也常導(dǎo)致微機(jī)構(gòu)無法運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，微機(jī)構(gòu)在制造過程中與運(yùn)行過程中的磨損也是一個(gè)重要問題，因此，表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)是微型機(jī)械研究中面臨的急需解決的科學(xué)問題之一。YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)

5、的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)（tribology）一詞是20 世紀(jì)60 年代中期由英國(guó)教育科學(xué)研究部發(fā)表的關(guān)于摩擦學(xué)教育和研究報(bào)告（常稱為Jost 報(bào)告）中首次提出來的，其簡(jiǎn)要的定義是“關(guān)于摩擦過程的科學(xué)”。此后，摩擦學(xué)作為一門獨(dú)立的邊緣學(xué)科才被人們接受。 摩擦學(xué)的定義 “研究作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其理論和實(shí)踐的一門科學(xué)技術(shù)。”“The science and technology of interaction surfaces in relative motion and of related subjects and practices。” 摩擦學(xué)的內(nèi)容 摩擦學(xué)有三大支柱，即：摩擦、磨

6、損和潤(rùn)滑，但是這三方面之合并不等于摩擦學(xué)，另外還涉及到摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，摩擦學(xué)系統(tǒng)分析、監(jiān)控，摩擦與振動(dòng)， 表面工程等。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的內(nèi)容摩擦：能量轉(zhuǎn)化的一種形式磨損：摩擦過程中所伴隨發(fā)生的必然結(jié)果，其表現(xiàn)形式為材料的損耗和破壞。潤(rùn)滑：作用在于降低摩擦，減少磨損。 三者相互關(guān)聯(lián)，是存在于自然界中的普遍現(xiàn)象，與人類的物質(zhì)生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 早期樸素應(yīng)用 遠(yuǎn)古15世紀(jì) 擊石取火/ 鉆木取火。 4600年前中國(guó) 出現(xiàn)的車以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，并用羊油潤(rùn)滑車軸，這可能是最早

7、的潤(rùn)滑劑。 第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 古典摩擦定律 意大利雷納德.達(dá).芬奇（Leonardo da Vinci） 1452-1519年 摩擦力與壓力成正比（摩擦第一定律） 摩擦力與接觸面積無關(guān)（摩擦第二定律） 法國(guó)阿蒙頓（G. Amontons） 1663-1705年 進(jìn)一步證實(shí)了摩擦學(xué)第一定律和第二定律。 摩擦是一個(gè)凹凸不平的表面沿另一個(gè)表面上的微凸體上升所做的功，也即摩擦是由表面凹凸不平引起的，即摩擦的凹凸說（Roughness Thoery） 提出摩擦力計(jì)算公式：F=N （F為

8、摩擦力，為摩擦系數(shù)，N為正壓力）第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 古典摩擦定律 法國(guó)物理學(xué)家?guī)靷悾–. A. Coulomb） 1736-1806年 動(dòng)摩擦力比靜摩擦力小，且動(dòng)摩擦力與滑動(dòng)速度無關(guān)（摩擦第三定律） 完善凹凸說，凹凸說的實(shí)質(zhì)是把摩擦的起因歸結(jié)為接觸表面的凹凸不平，當(dāng)兩表面接觸時(shí)，由于這兩個(gè)表面的凹凸部分相互咬合，要使其滑動(dòng)，必須順著其凸起部反復(fù)地抬起來或把凸部破壞掉。 英國(guó)物理學(xué)家德薩古利斯（J. T. Desaguliers） 1683-1744年 在其著作實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教程（1

9、734頁）一書中敘述了產(chǎn)生摩擦力真正原因在于摩擦面之間存在著分子力的作用，主張接觸面越光滑，摩擦力就越大。分子粘附說。 英國(guó)科學(xué)家尤因（JA Ewing）和哈迪（W Hardy）通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了分子粘附說。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 古典摩擦定律 前蘇聯(lián)學(xué)者捷拉金 20世紀(jì)30年代 提出摩擦學(xué)的二重性，即摩擦力由機(jī)械分力和分子分力組成，摩擦表面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要克服表面分子間相互作用的連接力，還要克服表面層形狀畸變而引起的機(jī)械阻力。此理論可以解釋當(dāng)表面光滑時(shí)，摩擦力也會(huì)很大。第一節(jié)第一

10、節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 古典摩擦定律 英國(guó)科學(xué)家鮑登和泰伯 1950年 指出兩個(gè)表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非表觀接觸面積A0，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形成的接觸斑點(diǎn)的微面積的總和，叫真實(shí)接觸面積Ar。真實(shí)接觸面積所比例是很小的。由于真實(shí)接觸面積很小，輪廓峰接觸區(qū)所受的壓力很高。當(dāng)接觸區(qū)受到高壓而產(chǎn)生塑性變形后，這些微小接觸面便發(fā)生粘附現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點(diǎn)。摩擦力應(yīng)為剪斷金屬之間冷焊點(diǎn)所需的力與硬金屬表面微凸體在軟金屬表面犁溝所需力之和。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HE

11、RELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 古典摩擦定律總結(jié)第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論 兩種摩擦理論 粗糙表面粗糙表面 光滑表面光滑表面 凹凸說凹凸說 粘附說粘附說YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 潤(rùn)滑理論 雷諾方程的提出 1886年 根據(jù)粘性流體力學(xué)揭示出滑動(dòng)軸承中潤(rùn)滑膜的承載機(jī)理, 提出描述流體潤(rùn)滑膜力學(xué)特性的方程, 奠定了流體潤(rùn)滑的理論基礎(chǔ)。 邊界潤(rùn)滑的提出 1921年 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的提出 1950年 將Reynolds流體潤(rùn)滑理論與Hertz彈性接觸理論

12、相耦合來處理點(diǎn)線接觸摩擦副的潤(rùn)滑問題，建立了彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論。 薄膜潤(rùn)滑的提出 1950年 許多低速、重載、高溫和低粘度潤(rùn)滑介質(zhì)的機(jī)械設(shè)備以及許多高科技機(jī)械裝備和超精密機(jī)械的摩擦副常常處于納米量級(jí)(幾個(gè)幾十納米)的潤(rùn)滑狀態(tài)下工作，該狀態(tài)被稱為薄膜潤(rùn)滑。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.3 摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧摩擦學(xué)的定義與發(fā)展過程回顧 摩擦學(xué)的發(fā)展過程 磨損理論 1940年由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，磨損問題被提出，蘇聯(lián)于1945年召開了第一屆摩擦、磨損會(huì)議，1957年英國(guó)，1958年美、德相繼開會(huì)。 1953年由蘇聯(lián)學(xué)者將磨損分為三大類： a. 機(jī)械類（由摩擦表面的

13、機(jī)械作用產(chǎn)生的磨損，包括磨粒磨損，表面塑性變形，脆性剝落等）； b. 分子機(jī)械類：分子力形成的表面粘著，再經(jīng)機(jī)械作用使粘著處剪切產(chǎn)生磨損； c. 腐蝕機(jī)械類。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.4 納米摩擦學(xué)研究納米摩擦學(xué)研究現(xiàn)代摩擦學(xué)研究的新動(dòng)向現(xiàn)代摩擦學(xué)研究的新動(dòng)向 什么是納米摩擦學(xué) 納米摩擦學(xué)（nano tribology），又稱微觀摩擦學(xué)( micro tribology) 或分子摩擦學(xué)(molecular tribology) , 它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行為、損傷及其對(duì)策。主要研究?jī)?nèi)容包括納米薄膜潤(rùn)滑和微觀摩擦磨損機(jī)理, 以及表面和界面分子工程, 即通過材料表面微觀改性或分子涂層, 建立有序分子膜的潤(rùn)滑狀態(tài), 以獲得優(yōu)異的減摩耐磨性能。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論YOUR SITE HERELOGO1.4 納米摩擦學(xué)研究納米摩擦學(xué)研究 與宏觀摩擦學(xué)的差別 納米摩擦學(xué)在學(xué)科基礎(chǔ)、研究方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備和理論分析手段等方面都與宏觀摩擦學(xué)研究有很大差別。第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論宏觀摩擦學(xué) 通常是根據(jù)材料表面的體相性質(zhì)在摩擦界面上的反應(yīng)來表征其摩擦磨損行為, 并應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)包括斷裂和疲勞理論作為分析的基礎(chǔ)。納米摩擦學(xué) 是由原子、分子結(jié)構(gòu)出發(fā), 考察納米尺度的表面和界面分子層摩擦學(xué)行為, 其理論基礎(chǔ)是表面物理和表面化學(xué), 采用的