第五章纳米机械学.

1、5 纳米机械学随着现代科学技术的发展，人们在不断追求机械装置的小型化、微型化，希望以尽可能小的能耗以及最少的物质使用来满足生物、医学、航天航空、数字通讯、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求。20世纪60年代以来，微电子技术渗透到机械工程各个领域，机电一体化给机械装置的系统结构和性能方面都带来了革命化的改变，也大大地促进了机械装置微小型化的发展。特别是20世纪80年代中后期，有关机械及机电系统微型化技术的研究广泛兴起，形成了所谓微型机械或称微型机电系统(micro electro-mechanical system，MEMS)的研发热潮。美国、中国称微型机械微微型机电系统（MEMS），欧洲则

2、称为微系统（micro systems），而在日本则往往将其叫做微机器（micro machine）。近来，将集成光学中的一次阿概念及研究成果也引入到微型系统中，又出现了微光机电系统（Micro-Opto Electro-Mechanical Systems，MOEMS）的概念。随着系统中关键不见尺寸的不断减小，整个系统的工作原理、设计理论及方法等都将发生很大的变化。目前，也将系统体中关键部件的特征尺寸为纳米尺度的微型机电系统称为纳机电系统（nano-electro mechanical systems，NEMS）。在上述这些系统发展的同时，作为研究微型机械工作原理和设计理论与方法的纳米机械学

3、(nano mechanics)或称微机械学(micro mechanics)得到迅速发展并成为机械科学技术中的前沿领域。5.1 纳米机械学的范畴、组成和发展一、从小型机械到微型机械20世纪80年代开始的机械装置小型化过程中先后研制出两类机械，即小型机械(miniature machine)和微型机械(micro machine)。通常认为小型机械是传统机械简单地相似缩小，它在工作原理、结构材料和设计理论等方面大体上可以沿袭传统机械学。而微型机械则是在一种崭新的设计思想指导下，随着整个纳米科技发展而来的原理和构造特殊的机械装置。表l简略地说明了这两类机械的差异。表l 小型机械与微型机械小型机械

4、微型机械尺度从100m至100mm从1m至1mm材料金属、高分子聚合物、陶瓷硅、金属薄膜、高分子聚合物、陶瓷构造三维立体多层的二维平面、三维立体驱动小型电机、压电晶体、SMA薄膜静电电机、压电晶体、SMA薄膜、微驱动器加工方法超精密加工、电火花加工、激光加工、湿式腐蚀、离子束加工腐蚀、表面显微加工近年来，也有学者提出按照尺度将微小机械分为三类，即1mm至100mm为小型机械；10m至lmm为微型机械；而l0nm至10m为超微型机械(submicro machine)。微机械学的发展经历了两个阶段。最初，人们按照传统机械学的原理和方法开发小型机械。然而，在研制过程中发现，随着机械结构尺寸的不断缩

5、小，构件可受到的外载荷和体积力变得次要，而构件间的摩擦力和其它表面力成为影响机械性能的主要因素，因此，微型机械的力学系统特征与传统机械不同。此外，材料小型化以后的物理性质及其对环境变化的响应也将有很大变化。所有这些促使人们认识到传统机械学对于微型化机械设计已不适应，而必须从新的构思出发，借助于纳米科技开发出与传统机械的结构、材料、功能和原理不同的机械装置，这样，微机械学的发展进入了第二阶段，即建立纳米机械学研究的阶段。二、微型机械的发展现状美国是对微型机械进行研究最早的国家。斯坦福大学、麻省理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校、犹他大学、威斯康辛大学等都投入了大量人力物力从事微型机械的研究，并取

6、得了许多可喜的研究成果。其中，斯坦福大学于1965年接受斯坦福医学院的要求，开始利用硅片腐蚀方法制作脑电极阵列的探针，并取得成果。后来，又相继研制出直径20m，长度150m的铰链连杆机构，210ml00m的滑块机构，转子直径100m的静电马达（见图5-1）和流量为20ml/min的液体泵。加利福尼亚大学伯克利分校试制出直径60m以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧。威斯康辛大学制造出世界上最小金属齿轮，其直径只有l00m。美国贝尔实验室也开发出直径400m的齿轮机构。麻省理工学院研究出三自由度闭环平面机构操作器，可望应用于低力矩的精密定位。美国国会已把微型机械列为21世纪重点发展的学科之一。图5-1

7、直径为100m的微型马达日本对微型机械的研究与开发给予了足够的重视，起步虽晚于美国，但进展相当快。1989年成立了微型机械研究会，集中了日本学术界和产业界的半导体、医疗器械和医学方面的研究人员进行开拓性的全面研究和开发。东京大学、名古屋大学、大阪府立大学、日本东北大学等单位都先后开展了微型机械的研究工作。其中，东京大学成立了精密电于学和精密加工技术研究小组，专门对微型执行机构和超精密加工技术进行开发。该校在微细加工工具与微细加工方法等方面取得了进展，实现了直径2.310m的微孔加工，50m的微孔加工，并研制成功1cm3大小的爬坡微型机械装置。日本东北大学工程系研制出控制微量流体的微型泵和两种流

8、体无脉动的微型泵。早稻田大学开发出用形状记忆合金制作的微型机器入，他们研制的薄层TiNi合金是一种可以双向、全圆活动的可逆形状记忆合金，非常适合于制作微型动作器。通过控制若干个微型动作器可以实现机器人多自由度运动。在日本，每年举行一次微型机械“爬山运动比赛”，并已举行五次Micro Machine and Human Science国际会议，以此来推动微型机械的发展。 德国对微型机械的研究可以说与美国、日本并驾齐驱，并有自己的特色。90年代初，前联邦德国研究技术部将微型机械系统工程列为新开发的重点项目，为之提供了4亿马克的经费。1994年又投入6亿马克。现由德国工程师协会和德国电工协会下属精密

9、工具技术委员会统一协调微型机械的研究与开发，组织全德的大学、研究所和企业，划分为5个大组进行研制。德国已取得了令人注目的进展，他们创造了LIGA工艺，制成了悬劈梁执行机械以及微型泵。利用电流体力学效应开发了微型液压泵，还研制出几种光学器件。卡尔斯鲁厄核研究中心微结构研究所于1990年制成世界上第一台微型涡轮机，其转子直径为0.1nm。德国已将微型机械列入大学的必修课程。欧洲其他国家如英国、期士、瑞典、荷兰、丹麦、挪威等国都在积极从事微型机械的研究。如英国沃里克大学研制出的“纳米粗糙度仪”能测出物体表面1nm的变化。 我国微型机械研究的起步并不算晚。1988年国家自然科学基金委批准东南大学静电微

10、马达方面研究的基金申请，从此开始了微型机械某些领域的研究。上海冶金技术研究所、清华大学、长春光学精密机械研究所、上海光学精密机械研究所等单位在微型齿轮刻蚀、微型气轮机、静电微型马达、压电微型马达等方面都取得了可喜的成果。中国科学院和国家自然科学基金委已为微型机械的研究立项，还设立了两个重点研究项目。最近，国家科委已把微型机械列为“攀登计划”，作为国家重点支持的应用基础研究项目之一，投资500万人民币用于此项目的研究。长春光学精密机械研究所成立了中国第一个微型机械工程研究室，清华大学成立了微米纳米技术研究中心。虽然目前我国在微型机械方面的投资、技术基础方面与经济发达国家相比差距还很大，但在微型机

11、械方面的研究正在形成自己的力量和技术方向，有望在微型机械领域的国际竞争中占有一席之地。 微型机械的发展与纳米加工和测控技术的不断完善密切相关。纳米加工技术包括超精密切削加工、化学腐蚀、能量束(光束、电子束、离子束)加工以及扫描隧道显微镜加工等。近来，德国卡尔鲁斯核研究中心的微型机械研究所开发成功一种名为LIGA工艺的新式微细加工方法，它是X射线深层刻蚀、电铸成型和塑料模铸的组合，目前已用来制造静电电机、硅齿轮和传感器中的膜片。LIGA工艺与大规模集成电路制作技术相结合，可以制作成各种具有广泛用途的微型结构。 近年来，在微型机械研究中出现一个新的趋势，即发展机电组合的系统，被称为微型机械电子学。

12、利用大规模集成电路的微细加工技术，将执行机构、驱动器、传感器、控制器等集成在一个多晶硅片上，它既可以将传统的无源机构变为有源机构，而且可以制成一个完整的机电一体化的微机电系统，整个系统的尺寸有可能缩小到几毫米至几百毫米范围。目前，国外已着手研究采用类似于制造芯片的光刻工艺在硅材料上刻蚀微机械构件，如阀门、齿轮、弹簧、杠杆和悬臂、滚动轴承等。三、纳米机械学的范畴与组成 在微机械研究中，随着纳米加工、材料处理和微测控技术等的发展，人们已制造出各种微型机械零件、微型电机与微能源、驱动器、传感器等器件，并利用这些器件组合而成的微型机器入。然而，将各种器件有效地组合成具有一定功能的机械系统就需要发展纳米

13、机械学研究。 通常机械工程包含机械学和机械制造学两大学科，它们分别对应于机械系统从构思到实现所经历的设计和制造两个阶段。纳米机械学的任务就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性和设计理论与方法；通过创造性思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微型机电系统的组成结构；并对系统进行功能综合和定量描述其性能。 如上所述，微型机械不是传统机械单纯地在尺度上的相似缩小，而通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统。因而它远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米科技重要组成

14、部分和用一种崭新的思维方式与技术路线指导下的产物。由于微型机械在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面都与传统机械截然不同，因而作为微型机械设计基础的纳米机械学在学科基础、研究内容和研究方法等方面也与传统机械学不同。纳米机械学具有独特的学科系统而构成一门新兴学科。 相对于传统机械而言，微型机械具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列特点。因此，纳米机械学的研究内容不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、仿生学、材料科学以及表面物理与化学等领域，所以纳米机械学又是一门多学科的综合技术。根据微型机械的特点和发展情况，现

15、阶段纳米机械学研究主要包括：研究机械中运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机构学；研究适用于制造微型构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应和失效规律的微结构材料力学；以及从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面上的作用、变化与损伤机理和对策的纳米摩擦学或微摩擦学。此外，还有将微机械学应用于研究特定机械系统的如微型机器入学等。应当指出，随着微型机械的发展，纳米机械学将会不断扩充其研究内容而出现更多的学科分支。四、纳米机械学研究的特点与展望根据微型机电系统的研究现状和发展趋势，以下将从微型机电系统的特征出发，分别讨论微机构学、微机构材料力学、纳米摩擦学三个学科领域存在

16、的关键问题和由此而提出的研究方向。1微机械学(含微机构动力学) 微机构是微型机电系统的主要组成单元，要求在微小空间内有着能量传递、运动转换和调节控制等功能，以实现规定的动作和精确度。微机构设计通常有以下主要特点： 微型机械研制的难点之一是通常不可能从外部连续地获取较大的能量，因而要求微型机械实现有源驱动，即微能量装载于各种活动的微型装置中，并提供原动力。微能量主要有薄膜光电池和单体微电池，目前薄膜光电池的厚度已经达到微米量级，人们正在研究具有高功率密度和高储能密度的单体微电池。微型机械的动力可以来源于微电机或者微驱动器，由它们提供旋转运动或直线运动。以微型马达为中心的微型驱动器的研究一直是微型

17、机械研究的核心内容，并在一定程度上是体现一个国家微机械发展水平的重要标志。到目前为止，人们已经设计了五类微电机，即静电电机、超声电机、电磁电机、谐振电机和生物电机。其中，静电电机应用较多，其运动方式可以是同步式、摇摆式或摇摆步进式。由于微电机切割磁力线的能量极微弱，故依靠静电力驱动，即依靠电极上分布电荷产生的吸力和斥力驱动。通过转换静止电极和运动电极上的电荷，可以使转子连续运动，转速可达15000rpm甚至更高，微机械的驱动器大多采用压电元件，例如压电陶瓷实现步进式运动，其移动步长可以调节，驱动精度可达微米级或者更高。在微型机电系统中也有采用微涡轮机作为原动力，通过封闭在系统内的微量压缩流体驱

18、动，它应用于能量损耗极少的场合。 由于受到空间尺寸和驱动能量的限制，微型机械系统应尽可能缩短运动链和减少机件数量，尽可能将能量传递、运动转换和执行调节等机构统一成为一体，有时甚至还包容传感器、测控电路等附属装置。为此，微机构通常设计成具有多种功能的组合机构。为了适应机构的微小型化，有时将膜片、弹性梁、铰链、弹簧等相结合，利用它们的变形来实现机构的多自由度运动。 全部由机械机构组成的微型机械几乎不存在，通常是机械与电子技术组合而成的机电一体化系统。近来国际上兴起的微机械电子学研究就是应用集成电路制作技术，将各种器件集成在一块多晶硅片上组成功能完整的系统。这样，不仅尺寸减少，而且具有惯性小、热容量

19、低，容易获得高灵敏度和高响应性的特点。此外，硅材料通常无内部缺陷，而且机械性能和抗蠕变与抗疲劳能力良好。 在微机构设计中，尺寸效应是不可忽略的因素。对于微机构各微小构件，制造误差与构件尺寸之比相对增大，导致微机构的运动特性受制造误差的影响很大。再加上弹性变形的影响，使得运动精确度成为微机构研究的关键问题。 机构学是对各类机构进行运动和动力分析与综合的学科。针对微机电系统的特点，微机构学今后的主要研究方向可归纳如下： 微机械电子系统组成原理与综合研究：以微型化和低能耗为目标的多自由度微机构开发研究；多功能微组合机构研究；微机构与微电子或微光器件等的集成系统的合理组成原理及设计准则研究。 微机械系

20、统的动力学研究：高效、长寿命微动力装置开发与性能研究；微机构及其组合系统的动力学分析；微机械系统弹性动力学与多柔体系统动力学研究。微机械系统精确度研究：考虑制造误差、构性弹性、运动副间隙以及摩擦、冲击等影响的运动精度分析与控制研究。2微结构材料力学 用于制造微构件的材料既要保证微机械性能要求，又必须满足纳米加工方法所需条件。微结构材料及其力学性能研究具有以下特点： 传统机械常用的材料是经过熔炼、压延、切削加工等成形过程，而微机械构件大多用气相、液相或固相方法等不同的制造过程，因此，它们的物理性能与整体材料不同，而且材料性能随着构件结构和制造方法与工艺参数变化很大。微型机械所用材料应根据构件的功

21、能和制造方法来选择。例如，对于致动功能材料有：水晶、氧化锡、PZT等电致伸缩材料、钛镍合金形状记忆材料、镍铁合金等永磁材料、凝胶等受热相变材料。对于用作构件的材料，若采用半导体微细加工时，可采用单晶硅、多晶硅、氧化硅等硅材料，陶瓷和聚酰亚胺等非金属材料，以及铝、钨、铝、铬、金等金属材料。对于LIGA加工方法，主要采用镍、铜、金等金属材料和塑料。超精密切削加工则以各种金属作为构件材料。 当构件缩小到一定的尺寸范围时将出现尺寸效应，即材料性能和构件的力学行为将发生很大变化。尺寸效应的影响反映在许多方面。构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，因而材料的机械强度显著增加。微构件的弹性模量、抗拉强度、断裂韧性

22、、疲劳强度以及残余应力等均与大构件的不同，而且有些表征材料性能的物理量需要重新定义。尺寸效应对于微构件的受力情况也有很大影响。凡与尺寸高次方成比例的力如惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与尺寸低次方成比例的粘性力、表面张力、静电力、摩擦力等的作用显著增强。此外，由于表面积与体积之比相对增加，因而热传导和化学反应速度也相应增加。 由上可知，微结构材料及其力学分析是微机械设计的重要组成之一，其关键问题有： 微结构材料及其物理性能研究：适用于微构件制造的各种功能材料、结构材料的开发与应用研究；微材料的物理性能、本构关系及其与制造工艺的相关性研究；微材料物理性能的测定技术及表征方法。微机械结构的力学分

23、析与失效研究：微结构材料的力学性能测定、失效分析及设计准则研究；微结构如膜片、梁、杆、弹簧等变形场和应力场分析计算；在特定环境下微机械系统动力学研究。3纳米摩擦学 微机械系统设计对摩擦学研究提出了许多特殊的要求，我们将在下一节中专门介绍。此外，微型机电系统中带电摩擦副的损伤与防护，以及超净装置的微密封技术也将是有待于研究的问题。5.2 纳米摩擦学相对于传统机械而言，微型机械的摩擦副间隙常处于纳米量级，摩擦问题显得十分突出。首先，由于尺寸效应的影响，作用在微型机械零件表面上的粘着力、摩擦力和膜粘滞力对于微型机械性能的影响要比体积力大很多，因此，微摩擦磨损和纳米薄膜润滑成为关键问题。同时，微型机械

24、中的传动和步行机构以及微电子测试仪器的微动装置，通常都是利用摩擦力作为驱动力，因此还要求能够实现对摩擦进行严格的主动控制。 摩擦、磨损与润滑现象是材料表面和界面上的微观动态行为，它涉及到金属、离子固体、半导体、陶瓷和有机材料等组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、热力学等物理化学过程，以及在非平衡条件下的非线性流动、变形等力学行为。仅从宏观的、连续介质的角度进行研究，难以深入地了解摩擦学现象和揭示其机理。随着研究的深入发展，摩擦学工作者在实践中逐步认识到开展微观研究的必要性和重要意义，从而使现代摩擦学研究正在向表面与界面科学和技术的方向发展。20世纪80年代末期提出了微观摩擦学(Microtr

25、ibology)，随后发展为纳米摩擦学(Nanotribology)或称分子摩擦学(Moleculartribology)，并迅速成为机械学科的前沿领域。所谓纳米摩擦学，就是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。主要研究内容包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损机理，以及表面和界面分子工程，即通过材料表面微观改性或分子涂层，或者建立有序分子膜的润滑状态，以获得优异的减摩耐磨性能。一、纳米摩擦学的研究方法、仪器和意义 纳米摩擦学旨在原子分子尺度上研究摩擦界面行为与机理，它的学科基础之一是现代表面科学，在研究方法、理论基础、测试技术和应用对象等方面与宏观摩擦学不同。显然，在纳米摩擦学研究范

26、围内，材料的物理化学特性及其对环境变化的响应都有很大变化。作为宏观摩擦学主要依据的连续介质力学和材料的体相特性均不完全适用。 用计算机进行分子动力学模拟(Moleculardynamic simulation)，即建立一个包含大量粒了的离散系统来模拟摩擦界面现象，是纳米摩擦学理论分析的一个方法。粒子间的作用根据量子力学计算，而各粒子的运动规律则由牛顿力学方程确定，通过对粒子动力学方程组的数值求解，确定各粒子在相空间的运动轨迹和相互作用，再由统计平均得到该系统相关的宏观物理特性。分子动力学模拟是由统计物理学衍生的分析方法，具有沟通宏观特性与微观结构的作用，可以对许多理论计算或实验观察都难以了解的

27、微观现象作出解释，因此被认为是理论计算和实验观察之外的第三种研究手段“计算机实验手段”。分子动力学模拟已经成功地用于摩擦表面间的接触粘着、材料转移、润滑薄膜相变及其分子有序化结构形成过程等研究。纳米摩擦学的实验广泛采用表面力仪(Surface force apparatus，SFA)和扫描探针技术，包括扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，STM)、原子力显微镜(Atomic force microscope，AFM)和摩擦力显微镜(Friction force microscope，FFM)。它们用于测量原子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行为，在微摩擦

28、、微划痕、纳米磨损与超精加工，以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨大的作用。纳米摩擦学的发展有着重要的理论意义和应用前景。首先在理论研究方面，纳米摩擦学所采用的实验测试能够深入到原子、分子尺度揭示摩擦过程中的微观现象，而用于理论计算的分子动力学模拟方法可以同时考虑空间和时间尺度上的变化，将摩擦学现象作为微观的动态过程来分析。由此可知，纳米摩擦学是在新的学科基础上采用新的研究方法。它比传统研究更加符合摩擦学的现象的规律，对于完善摩擦学理论与应用具有重要作用。其次纳米摩擦学研究还包括在纳米尺度上对摩擦表面改性和排布原子，发展表面和界面分子工程。由纳米超细颗粒制备的表面膜具有既不同于体相又不同于原子状态

29、的独特性能。另外，纳米厚度的润滑膜的性能也不同于粘性流体膜和吸附边界膜。通过表面涂层或超薄膜润滑形式低剪切阻力和高承载能力的摩擦界面层，藉以构造出新的性能优异的摩擦学系统。虽然纳米摩擦学的历史较短，但在基础理论和应用研究方面已取得重要进展。在工程应用方面，表面改性和实现薄膜润滑状态可以改善摩擦学性能。例如，在大容量、高密度的计算机磁记录装置中，通常要求磁头与磁介质间的距离小于50nm，软磁盘每运行10100km的磨损量应小于一层原子，而硬磁盘磨损率应为零。近年来，利用纳米颗粒材料和表面改性技术研制的表面分子涂层，如类金刚石膜、Ni-P非晶膜和非晶碳膜等作为磁盘表面保护膜，以及利用LB(Lang

30、muir-Blodgett)膜技术在固体表面组装成有序分子润滑薄膜，获得了优异的减摩耐磨性能。由于篇幅所限，本节仅就纳米摩擦学几个基础研究领域的进展作简略介绍。二、固体表面粘着与接触 接触表面在滑动时的粘着与分离伴随着能量损耗和表面损伤，因而是固体摩擦磨损最基本的起因。宏观摩擦学认为，滑动摩擦过程的表面接触与粘着是由于载荷作用下材料体相变形所致，通常用弹塑性力学分析接触和磨损问题。然而用AFM研究表明，表面力或表面粘着能是产生微观接触、变形和粘着的主要原因，洁净金属例如W与Au的表面甚至在零载荷时也将出现接触和变形。 在表面接触问题研究中，Jahnson等人考虑表面粘着能的作用，修正了经典弹性

31、接触理论。在此基础上，Pollock等全面考察了表面能对固体的弹性、弹塑性和塑性接触的影响。研究表明，表面粘着能显著地增大了接触面积。图5-2 Landman等人用大尺度的分子动力学模拟分析了硬材料Ni探针向软材料Au基片之间的法向趋近与分离过程，如图5-2所示。图中，上面一排从左到右表示趋近过程的原子分布，下面两排为分离过程的原子图像。当探针以准稳态速度趋近基片表面至0.4nm时，探针移动出现波动，基片表面逐渐向探针鼓起，随后Au原子突然向探针跳动并在探针上形成Au的单原子粘着膜。这种现象是探针与基片的表面能引起的，有如固体表面被液体润湿。当探针插入基片后，粘附在探针表面的Au原子增多，Au

32、品格出现滑移和大范围的塑性流动。在探针分离移动时，与探针相连的基片材料被韧性拉伸，形成丝状“颈缩”以至断裂。分离后的Au基片表面出现损伤痕迹，而Ni探针表面粘附着Au，即发生材料转移。以上分析已被AFM实验所验证。三、微观摩擦1宏观与微观摩擦在1989年第五届欧洲摩擦学国际会议上，Homola等人提出，摩擦研究中应当根据摩擦副的接触状态将摩擦分为两类：一是有磨损的常规摩擦，两表面被磨粒撑开，实际接触面积很小；一是无磨损极光滑表面的摩擦、达到分子尺度的密合接触，称之为界面摩擦(Interface friction)或微观摩接，其摩擦力主要来自粘着面积上的极限剪切阻力。图5-3 HOPG微观磨损

33、Ruan和Bhushan利用摩擦力显微镜FFM，对于纯度99.99的高定向热解石墨HOPG(highly oriented pyro1ytic graphite)的新劈开表面滑动摩擦实验，研究微观摩擦机理及其与表面形貌的关系。研究结果表明，微观摩擦系数远低于同样材料的宏观摩擦系数，这是由于微小范围内测得的硬度和弹性模量都高于宏观测量值，以致微观摩擦中的犁沟效应极其微弱的缘故。摩擦力和表面形貌二维分布图像相互对应，变化周期也相同。但是，由于表面加工中形成的粗糙峰的非对称性，引起最大摩擦力与最大粗糙峰高度位置有一定偏移（见图5-3）。根据单晶金刚石微观摩擦与形貌的对应关系（见图5-4），Bhush

34、an等提出摩擦棘轮(Ratchet)模型，即探针滑过基片表面类似于棘爪沿棘轮齿缘运动，从而得出粗糙峰斜率是决定摩擦的关键因素，而且正负斜率的影响不同。应当指出，该模型未考虑表面能和材料结构的影响，仅适用于洁净的光滑表面摩擦力分布的定性分析，对于具有复杂形貌特别是条状形貌的表面，斜率不能如实表征摩擦力分布。图5-4 单晶金刚石微观摩擦2微观摩擦的影响因素气体吸附的影响金属表面在气体介质中干摩擦时，由于表面自由能作用而形成气体单分子吸附膜，进而影响摩擦系数。随着气体覆盖率增加，摩擦系数降低。这表明气体吸附膜减少表面的粘着效应，因而摩擦主要出现在未吸附的表面。气体单分子膜对于金属与绝缘材料摩擦的影响

35、更为显著。气体介质对摩擦的影响实际上是通过气体对摩擦界面层的作用，改变界面层的剪切强度。犁沟效应相对于固体表面粘着接触问题而言，滑动摩擦机理要复杂得多，因而人们提出了多种多样的摩擦模型。其中，最普遍采用的是Bowdon和Tabor建立的粘着摩擦模型。他们认为滑动摩擦阻力来源于粘着效应和犁沟效应。在犁沟过程中，不同材料的力学行为不同，韧性材料产生波动式的塑性变形，而脆性材料则断续地出现微观断裂，其结果都导致犁沟力变化，从而导致摩擦力的变化。 粘着效应Guo等人采用摩擦力显微镜对于高真空条件下钨探针和金基片进行摩擦实验，发现明显的韧性行为和粘滑现象，并且摩擦力随着接触面积增加而增加。由于是零载荷下

36、的滑动，接触面积上只受到粘着力作用，因而摩擦力是由粘着效应产生的阻力。 电场对摩擦的影响在金属材料的摩擦过程中，将伴随着发生力学、热学、化学以及电磁学等复杂现象。近年来，人们在研究摩擦过程中的电磁现象中发现，摩擦产生的自生电势是摩擦过程的固有特性，它与摩擦条件和材料特性有关。相反地，如果外加电场作用也就必然会引起摩擦特性变化，特别是金属材料例如铅、金等组成的摩擦副。外加电场对摩擦影响的研究取得重要进展，它预示实现摩擦主动控制的可能性。四、薄膜润滑 边界润滑以润滑剂在界面上形成易剪切的吸附分子膜为主要特征。以往的研究大都集中在边界膜的化学行为和宏观特性，而对于微观结构和物理形态涉及较少。近年来，

37、通过SFA和FFM实验研究以及分子动力学模拟计算，在界面分子膜的结构形态、流变特性和力学行为等方面取得进展。1微流体的等效粘度与流动特性 微流体的流动特性是纳米机械研究中的关键问题之一，其主要产品是微型泵和微型阀及微转子系统。由于流体的微观特性和宏观特性有着本质的区别，例如宏观下的液体不可压缩性在微观已不适应。另外表面张力的影响，分子的有序化等等在微观下都必须加以考虑。当间隙处于纳米量级时，流体的粘度与它的表观粘度有很大的差异。雒建斌、温诗铸，观察到在同等工况条件下实测的润滑膜厚度远高于弹流润滑理论(Hamrock-Dowson点接触膜厚公式)的计算值，说明此时的等效粘度远高于弹流润滑时的粘度

38、。Demirel和Granick等人发现润滑剂的粘度在薄膜润滑状态下随剪切应变率的增加而迅速降低。 2基体影响的本质 当润滑膜厚度达到纳米量级时，基体表面的物理特性对润滑膜的影响已经达到不可忽视的地步，特别是对于金属、金属氧化物等高能表面，其表面能对润滑分子的作用更加不可忽略。但是，由于这方面的研究涉及到基体的表面物理化学特性，因而，在摩擦学领域，基本上主要考虑基体表面形貌以及润滑添加剂与表面的化学作用对润滑效果的影响，而很少涉及固体表面力学特性对润滑分子行为的影响。1994年，Dyakowski用数值计算的方法分析了固体表面张力对非牛顿体流动特性的影响。同年，Thompson等人用分子动力学

39、模拟的办法探讨了固体壁面对润滑分子行为的影响。1996年，雒建斌、温诗铸在实验中观察到基体表面张力对润滑膜厚度和时间效应的影响。随着纳米技术的迅速发展以及纳米级测量仪器的不断改进和更新，摩擦学领域已经完全可以在纳米尺度上研究问题。因此，基体表面和固液界面上的力学行为以及其对润滑特性和润滑分子行为的影响已成为可望解决的问题。特别是润滑剂的摩擦行为与基体表面能、粗糙度、硬度、晶粒形状和大小、电子云密度等的相关性是该方面研究的关键问题。3有序与无序的转变 纳米级薄膜润滑研究的关键问题之一是如何有效地稳定地制备和控制低摩擦系数的超薄润滑膜，有序分子膜技术的发展为解决这一难题提供了可能。 有序分子膜具有

40、性能稳定、摩擦系数低、厚度可控、与基体结合性能好等特点，特别是一些高分子或具有极性端头的大分子优点更为突出。目前有序分子超薄膜具有六种类型：即LB膜（Langmuir-Blodgett）、自组装膜（self-assembled monolayer，SAM）、分子沉积膜(molecular deposition film，MDF)、分子束外延生长膜、高取向固体有序膜(high ordered solid film)以及剪切诱导有序膜。其中LB膜技术提出最早并得到了广泛的研究，特别是最近几年，随着它的机械性能的不断提高，加上其高度有序、极性端可控、厚度从一个分子层到多层可精确控制等特点，愈来愈受到

41、纳米摩擦学界的重视，但是其牢固性尚需进一步提高。自组装膜是由化学吸附作用而“自发”生成一种二维分子体系。自1980年提出以来，特别是进入90年代后，有了很大的发展，目前可以在Au，Al，Cu，Al2O3，玻璃等基体上制作单层脂肪酸膜或其它有机膜，但其在厚度控制、质量稳定性以及基体与分子结构的匹配关系方面尚需进一步研究。原来主要用于晶体生长的外延生长法现在也开始进行晶体表面的有机分子生长研究，其目前仅处于初步研究阶段。固体有序膜，如MoS2和高取向热解石墨，在摩擦过程形成有序滑移层，不仅大幅度地降低了摩擦系数而且具有良好的稳定性和抗压性能，其主要缺点是难以控制在纳米量级。剪切诱导有序膜是指无序的

42、流体润滑分子在基体表面能和剪切诱导的作用下或外加作用场的作用下而趋于有序排列，从而导致摩擦系数大幅度降低。近年来，随超滑现象的发现，有序分子膜的研究将会更加倍受人们关注。总体而言，有序分子膜的研究正处于迅速发展阶段，各种有序膜制备技术互有优缺点，因此，将它们结合起来进行深入研究，将对解决微型机械，计算机磁盘等中存在的摩擦学问题有很大的作用。五、零摩擦状态 长期以来，人们一直在努力控制摩擦和最大限度地降低有害摩擦造成的损失。零摩擦或超滑(Superlubricity)概念的提出，引起了摩擦学、机械学、物理学和化学等各界研究学者的关注，它是纳米摩擦学深入研究的必然产物。从理论上讲，超滑是实现摩擦系

43、数为零的润滑状态，但在实际研究中，一般认为摩擦系数在0.001量级或更低(与测试干扰信号同一量级)的润滑状态即为超滑态。对超滑技术和机理的研究，不但对探索润滑和摩擦的本质具有很大的作用，而且也是对润滑理论体系的巨大丰富。更重要的是目前工业技术的各行各业，特别是现代高新技术装备和纳米技术的发展通常受到摩擦和磨损的严重困扰。而超滑研究不仅可以大幅度降低摩擦功耗，而且具有零磨损的特征。因而，随着超滑机理的研究发展和超滑润滑材料的研制成功，将为人们首次最大限度地摆脱摩擦和磨损的束缚提供了可能。 作为超滑之一的超流(Superfluididity)现象是卡皮察于1938年在一次低温实验中发现的，即液氦(

44、4He)在2.17K以下时出现无摩擦的流动现象。但是，由于该项研究处于低温状态，难以应用到摩擦学界。到了90年代初，Hirano和Shinjo通过理论计算，推算出按照一定规律排列的两个晶体表面作相对运动时，由于分子间力的弱作用和时效作用，在特定匹配对偶面和滑动方向条件下，其摩擦阻力为零，即处于超滑态。其后，用隧道扫描显微镜观察到净洁表面的超滑现象。但是，由于其测量精度不高而使其结果未得到世人公认。超滑概念的提出后，国外已有一部分摩擦学家、物理和化学家投身到超滑机理和技术的研究中去。一方面从理论上研究超滑的产生条件和存在机理，另一方面进行超滑材料的配置研究和超滑态的存在条件研究。这两方面都已取得

45、了初步进展，特别是后者。目前已作出超滑态的材料主要有两类，一类是固体润滑剂，如高真空下特定滑移方向的二硫化钼，高取向热解石墨(HOPG)，另一类是端吸附的高分子材料，如PE-PEO。Hirano运用晶体结构和表面能理论对二硫化钼等固体润滑剂的超滑现象作了有益的探索。Klein等人在改进的表面力仪上，采用端吸附长链高分子膜作超滑实验。这种高分子膜以其极性端吸附在云母表面，长链漂浮在甲苯液中，形成一层“分子刷”，分子刷之间只能产生有限的相互渗透，从而在02L(L为分子链的长度)的范围内产生巨大的分子斥力，且斥力随云母片间距离的减小而迅速增大。由于分子刷层间巨大的排斥力，使两个云母片保持隔离以便于自

46、由滑动，于是在较高的正压力下仍具有很低的摩擦力，实现了摩擦系数在0.00l量级的超滑态。 但总的来讲，超滑研究在国际上仅处于起步阶段，在国内尚为空白。对于超滑现象产生机理的研究尚处于探讨阶段，缺乏系统化和理论化的分析。另外，作为纳米级润滑薄膜重要特性之一的润滑分子有序化是实现常温超滑态的一个重要条件，因为无序的流体分子在摩擦剪切过程不仅会因分子的缠绕、碰撞等原因造成能量损失，而且无法建立稳定的斥力场。六、微观磨损与纳米加工 微观磨损研究是在原子、分子尺度上揭示摩擦过程中表面相互作用，物理化学性能变化与材料损伤和脱落，旨在减小材料磨损或实现无磨损的摩擦。而纳米加工技术研究的目标是使材料表面在人为

47、控制下实现原子、原子层的迁移。虽然两者的研究目标不同，但研究对象都是同一物理过程，即材料在极轻载荷下的运动迁移规律。 微电子技术的发展是推动纳米摩擦学的重要因素。为提高磁记录系统的信息密度，日益减小磁层介质的厚度和降低磁头的浮动间隙，从而导致磁头与磁盘的磨损加剧。为防止记录信息丢失，要求软磁盘每滑动10100km，磨损小于一个原子层，硬磁盘应为零磨损。近年来，随着扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，摩接力显微镜FFM等技术的应用，微磨损与润滑研究得以迅速发展。例如磁介质表面形貌评定及磨损特性、单晶硅材料微磨损行为、LB膜边界润滑模型等研究，大大地提高了磁记录系统的信息密度。 在纳米电子学、纳米机械学中，随着半导体结构和微型机电系统的发展，纳米加工理论和工艺、材料微磨损特性的研究尤为重要。在现今特大规模集成电路中，极限集成度约为108个元件，器件条宽3001000nm。而在纳米器件中，其厚度和线条宽度仅几十个纳米，集成度可大幅度提高，而且具有响应速度高、能耗低、可靠性高等优点。在微型机械中，运动部件的装配间隙也在纳米量级。人们采用STM，AFM技术已成功地刻出线条宽度约为10nm的文字图样，预计利用纳米技术制造的高密存储器，在芯片1cm面积上可存储1013比的信息，使电子信息技术产生