（应用化学专业论文）润滑介质在微马达中铁氧体红宝石摩擦副表面的摩擦学研究.pdf

摘要 r f 以m e m s 、磁记录系统为代表的高新技术的不断发展对传统润滑及摩擦学提 出了严峻的挑战，摩擦、磨损、润滑成为微机电系统最主要的问题之一。为提高 m e m s 的性能、寿命和稳定性，必须很好地解决这些在制造、运行过程中遇到 的摩擦学问题。同时，在微细尺度下，传统技术己不再适用于微机电系统的润滑 而必须以界面上的原子、分子为研究对象，采用能够应用于微观工况条件下的润 滑剂及润滑技术。 j 本文针对上海交通大学研制的电磁型微马达，为提高其使用寿命，输出力矩 和运行稳定性，选取微马达中一对主要摩擦副铁氧体红宝石，对其摩擦学行为 进行了研究。首先在摩擦磨损实验机上考察了该摩擦副在干摩擦以及不同介质润 滑条件下的摩擦学特性，然后用分子自组装的方法在铁氧体表面制备得到了超薄 润滑膜，并采用接触角测定仪、表面反射红外光谱仪、x 射线光电子能谱仪以及 原子力显微镜对其进行了表征，最后还对这些润滑超薄膜的摩擦学性能进行了评 价。研究发现，在干摩擦过程中，摩擦副的摩擦磨损特性主要取决于铁氧体的结 构：当采用液体介质进行润滑时，材料的摩擦磨损状况得到显著改善，并且改善 的程度与化合物的结构密切相关。对自组装膜的表征结果说明十六酰氯自组装 单分子层的有序性和致密性高于十六羧酸单分子层，这归因于用作组装的长碳链 化合物的末端基团的活性，同时表征结果还证实了两亲分子是通过生成桥式结构 的配位化合物在羟基化的铁氧体表面进行自组装的。自组装超薄膜摩擦学评价结 果表明所制得的润滑超薄膜有着良好的减摩特性，其减摩效果的优劣顺序依次为 o t s 十六酰氯 十六羧酸。 关键词：电磁型微马达，摩擦磨损，分子自组装，有机超薄膜润滑 a b s t r a c t t r a d i t i o n a ll u b r i c a t i o nm e t h o da n d t r i b o l o g yh a v eb e e nc h a l l e n g e db yt h er a p i d d e v e l o p m e n to fh i g l it e c h n o l o g i e ss u c ha sm n d s a n dm a g n e t i cr e c o r ds y s t e m a n d t h ef r i c t i o n , w e a ra n dl u b r i c a t i o nt u r nt ob eo n eo ft h em a i ni s s u e si nt h i sa r e a t o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，l i f e t i m ea n ds t a b i l i t yo f t h em e m s ，t h e t r i b o l o g i c a li s s u e s o c c u r r e di nt h em a n i p u l a t i o na n do p e r a t i o nm u s tb es o l v e d h o w e v e r , c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e si sn ol o n g e rf i tf o rt h em e m s 1 u b r i c a t i o nu n d e rm i c r o n a n os c a l e s h e n c e i ti se s s e n t i a lt of i n do u tn e wl u b r i c a n t sa n dm e t h o d st om e e tt h en e w r e q u i r e m e n t s t o i m p r o v e 也el i f e t i m e o u t p u t a n ds t a b i l i t yo ft h e e l e c t r o m a g n e t i c m o t o r d e v e l o p e db ys h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y , t h i sp a p e rt o o ko no n eo ft h em a i n f r i c t i o np a i r s ( m b y f e r r i t e ) i nt h ei n s t r u m e n ta n ds t u d i e di t s t r i b o l o g i c a lb e h a v i o r s f i r s t l y , t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f t h er u b y f e r r i t ep a i ru n d e r d r ym c t i o n a n dm e d i a i u b f i c a t i o nw e r es t u d i e dw i t hf r i c t i o na n dw e a rt e s t e r s a n dt h e n , 、v i t l ls e l f - a s s e m b l y a p p r o a c h ，u l t r a - t h i nf i l m sw e r ep r e p a r e do nt h ef e r r i t es u r f a c e t h e s es a m sw e r e c h a r a c t e r i z e d b yc o n m na n g l e ，r a i r ，x p s a n da f m f i n a l l y , t h et r i b o l o g i c a l b e h a v i o r so f t h eu l t r a - t h i nl u b m c t i o nf f l m sw e r ee v a l u a t e db y m e a s u r i n gt h ef r i c t i o n t o e f f i c i e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rd r yf r i c t i o nc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o na n dw e a r c h a r a c t e r i s t i c sa r e d e p e n d e d o nt h es t r u c t u r eo ft h e f e r r i t e ，a n du n d e rm e d i a 1 u b r i c a t i o n t h e 衔c t i o na n dw e a ro ft h er u b y f e r r i t ep a i ra r er e m a r k a b l ei r e p r o v e da n d t h ee x t e n to ft h i si m p r o v e m e n ta r er e l a t e dt ot h es t r u c t u r eo f 也ec h e m i c a l s f o rs a m s c h a r a c t e r i z a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a l m i t o y lc h l o r i d em o n o l a y e r si sm o r e c o m p a c t a n do r d e r e dt h a nt h ep a l r n i t i ca c i dd u et ot h ea c t i v i t yo f t h ee n d - g r o u po f t h e l o n g c a r b o n - c h a i n c h e m i c a l s a d d i t i o n a l l y , t h e c h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t sa l s o d e m o n s t r a t e dt h a tt h es u r f a c t a n tu s e df o ra s s e m b l yi sb o n d e do nt h ef e r r i t es u r f a c eb y f o r m i n gac o m p l e x w i t hs o - c a l l e db r i d g es t r u c t u r e t h e t r i b o l o g i e a le v a l u a t i o nf o rt h e s a m so nt h ef c r r i t es u r f a c es h o wt h a tt h e p r e p a r e d u l h a - t h i nl u b r i c a t i o nf i l m p r e s e n t e dg o o df r i e t i o nb e h a v i o ra n dt h ee f f e c ti ss o r t e db va t s p a l m i t o y lc h l o r i d e p a l m i t i ca c i d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cm o t o r ，f r i c t i o n a n dw e a r ，s e l f - a s s e m b l y ，o r g a n i c u l t r a t h i nf i l ml u b r i c a t i o n 2 第一节绪论 1 1 微机电系统和微米纳米技术 美国物理学家、诺贝尔奖得主，r i c h a r def e y n m a n 在1 9 5 9 年1 2 月的一次美 国物理学会年会上预言，未来制造技术将沿着t o p d o w n ( 由大到小) 和b o t t o m u d ( 由小到大) 的途径发展，并将由此引发科学、技术、工程和应用的巨大变革。 t o p - d o w n 意指用大机器做出小机器，再做出更小的机器，亦即可以做出越来越 小的机器。b o t t o m - u p 意指从最小的构造模块分子开始，进行物质的构筑，即“按 照希望的方式排列原子”。f e y n m a n 的论述标志着继电子技术之后，微观世界的 又一次革命性变革。 物理学、化学、材料科学和微电子技术的巨大进步，为制造技术的飞跃提供 了前提条件。恩格斯曾说过：“一门科学提出的每一种见解，都包含着这门科学 的术语的革命”。这一见解能帮助我们理解从传统制造技术到微制造技术，到微 米纳米技术。再到微系统乃至纳米技术的发展。 微系统和微米纳米技术使人类在改造自然方面进入一个新的层次。开发物质 潜在信息和结构潜力。将使单位体积物质储存和处理信息的能力实现又一次的飞 跃，导致人类认识和改造自然能力的重大突破。2 1 世纪微系统将逐步从实验室 走向实用化，将对国民经济和国防建设产生重大影响【l j 。 1 1 1 微机电系统及其特点与特性 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是微米纳米技术的 重要组成部分，是微米纳米技术当前发展重点之一，它是由机械、电子、光学 及其它一些功能元件，集成在单片或多片芯片上构成的微型智能系统。一般具有 电、机械、化学、生物、磁，或其它一些性质，有感知、处理和或致动功能， 且可进行批量生产。m e m s 可以用来改变我们感知和控制物质世界的方法。图 1 1 为m e m s 的模型。 在欧洲，m e m s 亦被称作微系统( m i c r o s y s t e m ) ，日本则称之为微机械 ( m i c r o m a c h i n e ) ，我们沿用美国的叫法一m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c s y s t e m ) 。事实上，这三种叫法并没有本质区别，实质上都是一种微小型装置， 都是采用微小型加工技术制造的。叫法上的差异反映了各国研究范围和技术手段 的侧重。欧洲强调微系统技术的系统方面和多学科性：美国微电子水平有优势， 自然由微芯片上取得制造工艺突破：日本机械加工水平比较高，则偏重于从机械 加工工艺实现微机械制造。微制造技术是微机电系统技术的基础，包括设计、材 料、工艺、测试技术，以及微机理研究；微器件是微系统的基本组成单元，包括 微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制、接口和能源，微系统就是建筑 在上述基础上的，见图1 2 。 力 斗 一模扭信号煺h 赦字信号处理h i 赢i h执 传 可可_ 打一 l 光卜 l 声b 感 【 行 i 温度卜 u l 化学卜 器器 与其它带系统的通讯接口 i 其它l + 图i - 1微机电系统模型 f i g 1 - 2m e m sc o n s t r u c t i o n 图1 - 2 微机电系统基础 微机电系统有许多独特的优点，如体积小、重量轻、性能稳定、可批量生产、 性能一致性好、惯性小、功耗低、谐振频率高、响应时间短等，能完成大尺寸系 统不能完成的任务【2 j 。从研究开发来说，值得注意的是微系统的多学科综合性、 突破性、带动性和创新性等特点。多学科综合性指微机电系统是多学科前沿的综 合广泛涉及微电子学、微机械学、化学、生物学等，还涉及元器件和系统的设 计、制造、测试、控制、集成、能源、材料，以及与外界联接等许多方面。突破 性指相对于传统大尺寸机电系统概念上的突破，特征尺寸小到微米和或纳米量 级，大尺寸机电系统的某些物理特性可能会不适用，需要进行微小尺寸机械的机 理研究，突破传统理论的限制。带动性是指微机电系统是一项带动科学技术、国 民经济和国家安全等方面发展的关键技术将对2 l 世纪的军事、科学技术、生 产和生活方式产生革命性影响，并引发新兴产业和武器装备变革。创新性则指微 机电系统本身就是科技创新的产物，其概念、机理、设计、加工等方面都不同于 传统的大系统。 1 1 2 微机电系统的发展 微机电系统的研究由美国斯坦福大学于1 9 7 0 年开始。到8 0 年代中期制成 尺寸不到l m m 2 的齿轮和静电执行器。1 9 7 5 1 9 8 5 年是微型机械的酝酿期，这一 阶段主要是用制作大规模集成电路的i c 技术制作传感器。1 9 8 7 年以后，美国各 部门投入大量经费资助微机械开发，随后日本和西欧各国也相继将微机械视为重 要发展领域。1 9 8 6 1 9 8 9 年是微型机械的产生期，主要是用i c 技术制作微型机 械的零部件。9 0 年代以后是其发展期，这一阶段各种超微加工技术( 如：纳米 技术) 相继用于微型机械的制作。我国对微型机械的研究也已经起步，主要研究 力量集中在大学和研究所，初步取得了一定成果，但与发达国家相比，还有不小 的差距。 从1 9 8 7 年到1 9 8 8 年，来自m i t ，b e r k e l e y , s t a n d f o r d ，a t & t 和n s f 的1 5 名 科学家提出了“小机器，大机遇：关于新兴领域微动力学的报告”的国家计划 建议书。其后，m e m s 的研究得到了美国n s f ( 国家自然科学基金委) 和d a r p a ( 美国国防部先进研究计划署) 的大力资助。日本通产省自1 9 9 1 年度开始实施 为期1 0 年、总投资2 5 0 亿日元的“微型机械技术”研究开发计划。9 0 年代后期 欧洲联络了3 0 0 多个相关机构，组成n e x u s ( n e t w o r ko fe x c e l l e n c ei n m u l f i f i m c t i o n a lm i c r o s y s t e m s ) 。德国1 9 9 4 1 9 9 9 年的微系统计划每年投资6 0 0 0 万 美元。这些大型的国家计划，促进了微传感器、微执行器和微系统的发展。m e m s 的专利曲线可以反映这个特点( 图1 3 ) 。世界m e m s 专利年增长率为3 7 ，远 高于美国每年2 2 的增长率。m e m s 的研究开发队伍日益壮大，学术期刊、国 际会议增加。 f i g 1 3g r o w t ho fm e m s p a t e n t s 图1 - 3m e m s 专利增长曲线 细胞操作、细胞融合 血管、肠道内自动送药、 诊断和手术机器人微外 科手术 微阀、智能阀、微泵 微量元素分析 微流量测量和控制 微光纤开关、微光学探头 微光学阵列器件 光扫描、调频微干涉仪 目前，人们开发的m e m s 产品包括微机械臂、微阀、微泵、微涡轮机以及 具有各种功能的微机器人，见表1 1 。m e m s 市场的发展，当前主要仍由技术推 动，市场牵引的作用很小。现阶段的产业化水平，还远远不能和已经预见到的技 术潜力相比。在开拓市场方面，m e m s 的新产品诞生后就会给传统的产品带来 巨大的冲击。如打印机的喷墨头，已占据相应市场4 0 的份额，显示了巨大的生 命力。目前硬盘驱动器的读写头、喷墨打印头和心脏起搏器三类产品的市场额最 大，约1 0 0 亿美元，占主导产品市场的7 6 。预计今后着重应用于i t 外围设备、 生物医学以及无线电通讯设备i “。 1 1 3 微米，纳米技术及m e m s 加工技术 2 0 世纪9 0 年代初兴起的微纳米技术( m i e r o n k i l ot e c h n o l o g y ) ，被认为是2 l 世纪科技发展的前沿它指的是3 n t 精度或尺寸为0 1 1 0 0 n m 量级的制造技术的 总称。微纳米技术是现代物理( 介观物理、量子力学、混沌物理) 和先进技术( 电 子计算机、微电子技术、超微技术) 相结合的产物，是包含材料、加工、测量和 控制等技术在内的统一体。微纳米技术的产生和发展，为微型机械的研究与发展 提供了坚实的基础1 4 j 。 微电子机械系统加工的关键技术主要有以下三种： 1 1 _ 3 1 超微技术( s u p e r m i c r o t e c h n o l o g y ) 超微技术需在洁净的环境下进行，其中关键在刻蚀技术，一般选用光刻，即 将微型机械零件硅基板经光射照相成型，生成零件几何外形，有待后续深加工。 超微技术主要包括以下几种技术： ( 1 ) 集成电路( i c ) 技术。这是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规 模电路的加工技术，在微型机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。这 种技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。 ( 2 ) 腐蚀成型技术。腐蚀成型技术是微机械深层次加工的主要途径先 将光刻后的硅体用腐蚀剂白蚀，脱去牺牲层留下加工层，制成工件清洗后而成。 ( 3 ) 光刻电铸( l i g a ) 技术。这一技术是由德国卡尔斯鲁厄核研究中心 开发的，从半导体光刻工艺中派生出来的一种加工技术。其机理是由深层x 射 线光刻、电铸成型及塑注成型三个工艺组成。这种技术使用波长为0 2 1 n m 的x 光，可刻蚀至数百微米深度，刻线宽度十分之几微米，是一种高深宽比的三维加 工技术，适于用多种金属、非金属材料制造微型机械构件。缺点是使用的光源不 易获得。 ( 4 )键合法。键合法用于微型机械构件由硅片与玻璃片键合，或硅片与 硅片键合的加工工艺。 ( 5 )超微机械加工和放电加工技术。用小型精密金属切削机床及电火花、 线切割等方法加工方法，制作毫米尺寸左右的微型机械零件，是一种三微立体加 工技术，加工材料广泛，但多是单件加工，单位装配，因而费用较高。 1l _ 3 2 装配技术 即把微型机械所需的微型机构、微型传感器、微型执行机构及信号处理和控 制电路，以及接口、通讯和电源等有机地结合起来，使之成为能完成一定功能的 机电一体化产品。 1 1 3 3 控制、通讯及能源制作技术 这一技术把微型传感器、驱动器和控制器等有机的集中协调起来，用于微型 机械的控制、通讯并向其提供能源等。 1 2 m e m s 中的微观摩擦学问题 相对于传统机械电子而言，微机电系统具有体积小、重量轻、能耗低、集成 度和智能化程度高、以及便于批量生产等特点。但是应该注意到，微机电系统并 不是传统的直接微型化，它远远超出传统机械电子的概念和范畴，而是基于现代 科学技术，并作为整个微纳米科学技术的重要组成部分，在一种崭新的思维方法 指导下的产物。微机电系统在尺度、结构、材料、制造方法和工作原理等方面， 都与传统的机械截然不同，因而其学科基础、研究内容和研究手段等，也与传统 的机械电子不同，而具有其独特的学科系统，构成一门新的学科。 在摩擦学方面，由于尺寸的减少，微机电系统中表面，体积比将变的出奇的大， 表面学研究领域呈现各种各样的新的特点。例如，当机械尺寸从1 毫米( m m ) 减少至1 微米( 岬) ，表面积以1 0 6 数量级缩小，体积以1 0 9 数量级减少。从而， 与表面相关的摩擦力、粘性阻力、表面张力等对系统的影响相对于与体积相关惯 性力和电磁力，将以1 0 3 数量级增加，表面力成为影响系统性能的关键因烈5 1 。 一些情况下，甚至可能导致设备无法工作。各类作用力的影响服从如下不等式： 静电引力( l 0 ) 表面张力( l 1 ) 弹性力和粘性力( l 2 ) 重力、惯性力和电磁力( l 3 ) 。 同时，摩擦表面的摩擦力不再来源于荷载压力，而主要是由于表面之间的相 互作用力，如：静电力、粘性力、范德华力等。从而，摩擦副材料表面的物理化 学性能代替机械性能成为影响摩擦的主要因素。 在微机电系统当中，尤其当采用表面微加工技术进行制造时，通常各构件表 面光滑，并带有化学活性。因此其间的相互作用是影响整个系统行为的关键因素， 这种表面作用尤其在系统运行过程中各构件发生接触时表现明显。m e m s 表面 的形貌，机械性质以及摩擦行为对于这些小型系统的可靠性和牢固性起着至关重 要的作用。从而，控制微系统接触( 摩擦) 表面的状态是提高其性能和稳定性的 有效途径【3 】 微机电系统中各构件的摩擦磨损首先取决于所用的材料。通常，m d 4 s 采用 的材料包括单晶硅、氮化硅、镍、金、各种多晶硅以及其它一些陶瓷材料，它们 的摩擦学行为对于微系统的性能和寿命起着重要的作用i “。其次，周围环境( 大 气、湿度、温度) 等也对m e m s 的摩擦学行为有重要影响。在不同气体( 大气、 真空、氮气、氧气等) 环境中，材料的摩擦系数也不刚7 1 。氮气在微机电系统的 材料表面能够起一定的润滑作用，氧气吸附在材料表面生成氧化物将增加表面间 的粘性从而增加滑动摩擦。在大气条件下，除氧气外还存在湿度的影响水分 子的吸附在m e m s 材料表面将产生复杂的物理和化学效应( 表1 2 ) f 8 引。微机 械系统，尤其是微马达，在运行过程中将产生大量的热使得环境温度升高，这对 于m e m s 的运行来说是不利的。另外，负载和运动速度都是影响系统摩擦学行 为的重要参数。采用硅和不同材料对磨，结果显示摩擦系数通常随着负载的增加 而降低 1 0 】。 在微细尺度下，传统的润滑手段已不能解决微机电系统运行过程中遇到的摩 擦学问题。微机电系统摩擦副之间的间隙常处于纳米级甚至零间隙，常规的润滑 油将导致摩擦副表面产生很大的粘滞力和剪切力，从而大大增加表面间的摩擦系 数和摩擦力矩。采用气体润滑能够在一定程度上控制摩擦磨损但是不能满足高 负载条件下的需要。因此，要解决m e m s 的润滑问题必须以界面上的原子、 分子为研究对象，寻找能够应用于微观工况条件下的润滑剂及润滑手段“j 。 表1 - 2 湿度对m e m s 微马达稳定性的影响 t a b l e1 - 2e f f e c to f h u m i d i t yo n s t a b i l i t yo f m i c r o m o t o ri nm e m s 紫1 乱竺 f a c c o r sr e s 幽 h u m d i 押 t a c t o r s r e s u l t s 0 1 e x c e s s i v e w e a r , h i g h a d h e s i o n e a r l yf a i l u r ea f t e r10 5c y c l e s s o n e a o a l 出e s l 7 l o 姗n 。啪盯拍d1 洲筋a s 慧蒜0 1 。鹏c y v c ，l e s 曲s e 甜船m a n ya b o u tl 7 0 燮c a p i l 岍觚鼯枷d e v i c es t i c l 【i n g 1 3 针对m e m s 摩擦学研究 对于处理微小物体间的摩擦问题，传统的以连续介质力学为基础的摩擦理论 和研究方法己不再适用。同时，要深入了解两个摩擦副在接触、分离以及相对滑 动时，其间的粘着、摩擦和磨损过程，必须掌握两材料相互作用的原子机制和动 力学问题。近年来出现的新型探针显微镜( 扫描隧道显微镜s t m 、原子力显微 镜a f m ) 和表面力仪以及界面问相互作用的计算机模拟技术使得人们能够以高 分辨率地对界面问题进行系统的研究和对纳米以下尺度的结构进行操纵，并直接 导致了一门新兴前沿学科一微观摩擦学的产生。微观摩擦学是在原子、分子尺 度范围内，研究摩擦界面上的行为与损伤及其对策。包括微，纳米润滑膜润滑与 微摩擦磨损机理，以及表面和界面的分子( 原子) 工程研究，即通过材料表面微 观改性或建立超薄膜润滑状态，达到抗磨减摩的目的i ”，1 4 】。 从2 0 世纪9 0 年代学术界明确提出微观摩擦学至今，国内外学者对这一领域 展开了广泛的研究。尤其针对微机电系统的摩擦学问题，人们一直在致力于寻找 有效的润滑手段增加其寿命及稳定性。b h a r a tb h u s h a n l l 4 - 1 6 主持的研究小组采用 原子力显微镜( a f m ) 以及由此改装得到的摩擦力显微镜( f f m ) 对微小尺度 下材料界面上的摩擦磨损和粘着现象展开了具体的实验研究和机理考察，并深入 探讨了m e m s 表面以及磁记录设备中磁头和磁盘的边界润滑问题。z y g m u n t r y m u z a 【l 。j 研究了各种微马达在设计、制造以及运行过程中的摩擦学控制问题， 并对摩擦表面的改性和润滑进行了论述。p a t t o n , s t 掣8 】考察了不同湿度条件下 m e m s 的稳定性和运行寿命，发现在5 0 的相对湿度下，水分子起着一定的表 面钝化和润滑效果：而在干燥大气条件下，滑动摩擦时产生的磨损要大的多；在 相对湿度大于7 0 时，过量吸附的水分子将导致严重的粘着，使得m e m s 无法 正常工作。y a s u h i s aa n d o i l7 j 研究了m e m s 材料表面粗糙度对粘着力和摩擦力的 影响，认为粘着力和摩擦力正比于表面粗糙凸起体的曲率半径，同时当表面微小 凸起体的数目增加时，粘着力和摩擦力都有所降低。m o t o h i s a 等i 18 j 采用超高真 空扫描探针显微镜对高接触压力下m e m s 材料的摩擦特性进行了研究。提出了 m e m s 的超润滑机制。 国内近年来也兴起了对微观摩擦学的研究热潮，清华大学摩擦学国家重点实 验室以及中科院兰州物理化学研究所在该领域开展了一些工作，目前已有该学科 的专著出现【l z ，但是针对微机电系统的摩擦和润滑问题的探索尚刚刚起步。温 诗铸等【2 lj 对微机电系统运行时的启动摩擦和静摩擦进行了研究，在往复运动式球 盘摩擦试验装置上考察了多晶硅薄膜与蓝宝石球和钢球对磨时的摩擦磨损特性， 采用了一些固体润滑膜和分子自组装膜来减少磨损、降低摩擦。胡元中等1 2 2 ，玎】 用分子动力学模拟方法研究了纳米级润滑薄膜的摩擦流变特性以及固体接触和 粘着的微观机制，并应用自制的表面力仪对纳米薄膜流体及固体微接触进行了考 察。x i n - c h u nl u 等1 2 4 l 采用改装的a f m 对不同薄膜( l b 膜、a u 膜、p t f e 膜、 s i 3 n 4 膜以及p t f s i 3 n 4 复合膜) 的微摩擦磨损行为进行了比较认为l b 膜虽 然具有较低的摩擦系数，但抗磨性能较差，实际应用尚存在相当太的局限性； a u 膜抗磨性较好但摩擦系数高：p t f e sj 【3 n 4 复合膜既具有较低的摩擦系数又 有较好的抗磨陛。y a o 掣2 5 1 对毫牛顿数量级负载下微轴承的摩擦学行为进行了研 究，并提出了一种测量微轴承摩擦系数的新方法。 1 4 微机电系统表面的改性与润滑 如前所述，微机电系统中表面力的作用是影响其制造和运行的关键因素，同 时液体润滑剂在微小尺度下已不再使用，从而需要探寻新的润滑措施来减少微机 电系统各构件表面间的粘着力、静摩擦、滑动摩擦和磨损。在该背景下，m e m s 表面材料的改性和薄膜润滑成为当前各国学者共同关注的课题。表面改性旨在改 善m e m s 材料的机械性能( 硬度、弹性模量) 、抗磨损性能并使其更适合高温工 况条件。超薄膜润滑是迄今为止人们认为在m e m s 中最为理想的润滑手段，其 中l b 膜和自组装单分子膜( s a m ) 得到广泛的研究，它们均为带有疏水长链， 并有序排列在基底表面的纳米级厚度的单层或多层分子膜。在m e m s 表面引入 单分子膜，能够降低表面能，减小摩擦系数和能量耗散，增加抗磨损性能，从而 使得m e m s 在各种复杂环境条件下稳定工作，寿命延长。 1 4 1 机电系统表面的表面改性和增强 目前，硅及其化合物( 如一些含硅的聚合物) 是m e m s 中各构件通常采用的材 料，这主要源自于集成电路( i c ) 制造工艺并考虑到与m e m s 中采用的一些i c 组件的兼容。另外，一些软金属如镍、金、钨在m e m s 中也经常得到应用。但 是高温条件下硅及其化合物的机械性能和电磁学性质将受到影响，软金属在 m e m s 运行过程中将产生很大的启动摩擦和静摩擦。因此，采用各种沉积和溅 射手段在m e m s 材料表面上涂覆一层具有良好机械性能或化学活性惰性的薄 膜，如类金刚石涂层( d l c ) 、s i c 、氮化碳以及一些复合涂层等，将有效改善其 1 0 物理和化学性质，从而提高微机电系统的稳定性和寿命。 s u n d a r a r a j a n 等m ”j 通过常压化学气相沉积法在s i 基底上涂覆一层s i c ，同 时采用硅和多晶硅作为参照，使用原予力显微镜和摩擦力显微镜考察了它们的表 面粗糙度、微摩擦试验的静摩擦力、磨斑性质和抗磨性能并用纳米压头测量了 其硬度和弹性模量，发现s i c 涂层的粗糙度最大，抛光后的摩擦最小；对于磨斑 和磨损的研究显示s i c 的抗磨性能明显优于对比材料；另外研究还显示相对其它 材料，s i c 具有更高的硬度和弹性模量( 表1 3 ) 。l i 等 2 8 , 2 9 1 发现，无定形碳涂层 ( 即类金刚石膜) 在磁记录材料和m e m s 材料表面的应用，类金刚石膜表现出 良好的抗磨减摩效果。w a n g 等1 3 仉】使用环境扫描电镜( e s e m ) 研究了m e m s 中硅表面氮化碳涂层在与金刚石球对磨时厚度和摩擦周期对表面损伤的影响以 及磨粒的产生机制。h o l m b e r g 等口2 】在相对较软的不锈钢基底上沉积上t i d l c 复 合膜，使得抗磨性能大大增强，并认为弹性材料与高强度材料组成的复合膜具有 更好的应用前景。 表1 3 改性硅表面的微摩擦特性 t a b l e l - 3m i e r o t r i b o l o g i c a lp m p e m e so f t h em o d i f i e ds is u r f a c e 1 4 2 微机电系统表面的l b 膜润滑 l b 膜( l a n g m u i rb l o 戤e t tf i l m s ) 指成膜分子通过挥发性有机溶剂以物理吸附 的机制铺展在液相空气界面上，经过压缩后转移至固体表面形成的有序单分子 膜，具有如下特点：( 1 ) 膜厚易于精确控制；( 2 ) 膜层缺陷少，可获得优质均匀 的超薄膜；( 3 ) 制备过程简便，重复性好：( 4 ) 制各条件易实现，可在常温常压 下获得高度有序排列的超薄膜：( 5 ) 可引入具有特殊功能的基团，获得特种要求 的超薄膜；( 6 ) 可在膜中引入纳米微粒，改善膜的某些性能；( 7 ) 可制备有机、 无机、高分子等的交替叠层体系【l ”。通过该技术使得人们能够根据需要在分子级 别下对分子进行组装，从而被认为是一种能够建构高级分子系统的潜在技术。但 是当将由普通两亲分子如脂肪酸或磷脂制成的l b 膜应用于微机电系统作为分子 润滑薄膜，其稳定性、抗高温以及抵抗外来干扰的能力比较差，在摩擦过程中寿 命也非常有限。因此，采用各种物理和化学手段，改善l b 膜的热稳定性和机械 强度等性能具有重要作用。 一种改进方法是在l b 膜中引入无机分子，该无机分子通常是纳米尺寸的颗 粒，一般是将其同具有两亲性的有机分子混合制得l b 膜。薛群基等1 3 3 3 5 用自制 的表面由二烷基二硫代磷酸酯吡啶盐( p y d d p ) 修饰的m o s 2 纳米粒子在铜基底 上拉制l b 膜并在球- 块摩擦试验机上对其进行摩擦学分析，结果显示m o s 2 纳米 颗粒l b 膜表现出低摩擦系数以及良好的抗磨损特性。在经过多次摩擦后，p y d d p 部分分解，m o s 2 颗粒仍然起着极压和抗磨作用。另一种减少l b 膜摩擦力并延 长其抗磨寿命的方法是采用外电场改变表面电荷及表面电势从而影响其微观摩 擦学特性。l i u 刈等人报道了采用外电场控制并改善l b 膜的摩擦学特性，提出 在适当电压和频率的电场下，摩擦力接近于零，同时l b 膜的寿命得到很大延长， 并认为该技术可用m e m s 构件中控制和改善其微观摩擦学特性。另外，采用聚 合物成膜也是提高l b 膜热稳定性和力学性能的有效手段【”】。在聚合物l b 膜中， 人们研究的最多的是聚酰亚胺l b 膜，它是一种超薄绝缘膜，在材料科学、微电 子学等领域有广阔的应用前景。 1 4 3 微机电系统表面的s a m 膜润滑 s a m 膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r ) 指带有反应活性基团的长链单分子通过 化学键吸附在基底表面而形成的有序单层或多层分子膜( 图1 - 4 ) ，相对于l b 膜， s a m 具有稳定性好、与基底结合力强、制备方法简单等特点。s a m 膜的类型有 很多种，其中长链碳氢化合物和碳氟化合物被认为非常适合用作m e m s 表面的 润滑，因为它们能够在羟基化的氧化多晶硅、氮化硅以及铝表面形成通过化学键 键合并且高度有序排列的单分子膜。在微马达中，采用s a m 膜进行润滑可以减 少启动摩擦和静摩擦( 摩擦系数从2 3 降低至0 0 8 ) ，显著降低磨损( 静电致动 器接触模式下运转周期超过四千万次) ，并降低对于封装环境的要求( 在各种含 氧或不含氧的环境条件下，热稳定温度能达到4 0 0 度) 【3 8 l 。 十八烷基三氯硅烷( o t s ) 是人们较早研究的用于m e m s 润滑的s a m 膜， 它通过分子中和s i 相连的c l 与硅片活化表面上的羟基发生反应，生成s i 0 s i 键，进而形成由垂直于基底表面的疏水长链组成的有序单分子膜。将玻璃球与表 面修饰有o t s 的硅片进行对磨，结果显示摩擦和磨损均显著降低。采用o t s 润 滑的微马达表现出非常稳定的转速以及很小的运转电压。针对m e m s 应用开发 的另一类s a m 膜是含氟碳链的三氯硅烷( 如：1 h ，l h ，2 h ，2 h 全氟癸基三氯硅 烷) 这类物质有着更优异的润滑特性【l 。 针对s a m 膜在微观工况条件下优异的摩擦学特性和广泛的应用前景，国内 外科学工作者对其开展了积极的研究。目前，研究对象主要针对硅底材和金底材， 其它如铝、钛也有报道。r o y a 等【3 8 】详细介绍了s a m 膜的制备和涂布工艺，以 及涂布结构的表征。h o l g e r 等【3 9 】使用原子力显微镜考察了金( 1 1 1 ) 基底上碳氢 和碳氟硫醇以及碳氢和碳氟二硫化物组装的s a m 膜的摩擦学性质，认为长链的 有序度是影响摩擦的关键因素，肯定了s a m 中有关能量耗散的摩擦机制。张俊 彦等人利用分子自组装膜技术制备了硅烷自组装膜和有机硅烷纳米t i 0 2 复合 膜，并对其进行了摩擦磨损试验，结果表明复合膜比硅烷膜有着更小的摩擦系数 和更高的耐磨寿命【4 0 。 f i g1 - 4 s c h e m eo fs a m f o r m a t i o n 图1 4s a m 形成过程示意图 表1 4 硅和二氧化硅基底上不同分子组装膜的静摩擦系数 t a b l e l 4s t a t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e m so f d i f f e r e n ts a m f i l m so i ls ia n ds i 0 2 s u b s t r a t e 1 4 4 其它润滑技术 除以上所述的成膜技术以外，分子嫁接技术和分子沉积膜也在m e m s 润滑 的探索过程中得到应用。z a r r a d 等 4 1 人在硅基底上采用分子嫁接的方法制备了不 同化合物的单分子膜，并在往复式球盘摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验以考察 链长和结构对润滑的影响，结果显示在单分子层的润滑作用下，摩擦系数从0 6 减至0 0 7 。石油大学的q i a n g - b i nw a n g 4 2 等在金基底上制各了不同的分子沉积 叮吼蕾|五 榔 一 徽 一 b 一a 一 膜，发现具有相同末端基团的样片有着类似的微观摩擦特眭，同时得出分子沉积 膜，尤其是经过长链修饰的沉积膜能够有效降低摩擦力，有希望用于解决m e m s 的润滑问题。 1 5 总结与展望 为了使高性能、低能耗、长寿命的m e m s 产品在不久的将来得到批量生产， 其表面的摩擦、磨损和粘着是一个亟待解决的重要课题。在微观工况条件下，采 取表面改性、超薄膜润滑等手段能够有效增强m e m s 材料的减摩抗磨能力，并 且有着良好的应用前景。但是，这些技术目前尚处在实验室研究探索阶段，离工 业化的实际应用还有一定距离；同时，人们对微细尺度下m e m s 材料表面的摩 擦磨损机制还没有完全清楚的认识。因此，为实现m e m s 的商品化、产业化， 以及为更为深入的探索微，纳米尺度下物体摩擦的原子、分子机制，还需要进行 大量的研究工作。 值得一提的是，我们应该辩证的看待m e m s 中的摩擦问题。一方面，要求尽 可能降低摩擦，减少能耗，甚至实现零摩擦：另一方面，需要利用摩擦作为牵引 力或驱动力，这就要求我们将以后的研究重点放在控制摩擦、减少磨损上来，以 得到适时可控的摩擦力，同时保证系统功能和使用寿命。另外，鉴于在微观工况 条件下，观察和测量的复杂性，这就要求采用以分子动力学为基础的计算机模拟 技术，研究表面接触形态和微观变形、润滑剂分子层的剪切性能，以及超薄润滑 流变特性和相变。 第二节选题依据和研究思路 以m e m s 、磁记录系统为代表的高新技术的不断发展对传统润滑及摩擦学提 出了严峻的挑战，摩擦、磨损、润滑成为微机电系统最主要的问题之一。研究微 摩擦的目的主要是获得微小构件在质量很小、压力很轻的条件下无摩擦、无磨损 的边界条件。在微机电系统中，摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的相互作 用而不再是载荷压力，同时传统的摩擦理论和研究方法已不再适合处理微小物体 间的摩擦问题。例如，当采用传统液体润滑剂对微机械构件实施润滑，将产生很 大的粘滞阻力和静摩擦力。因此，要解决m e m s 的润滑问题，必须以界面上的 原子、分子为研究对象寻找能够应用于微观工况条件下的润滑剂及润滑手段。 在m e m s 中，各微小运动构件多采用硅体材料以及其他陶瓷材料和记忆合 金。为提高m e m s 的性能、寿命和稳定性，必须很好地解决其在运行过程中产 生的摩擦磨损问题。例如在微马达中，尽管转子和定子之间存在气隙而被隔离开 来，但在实际运行过程中仍然不能避免物理接触，并且转子和转轴的摩擦系数高 达0 2 04 另外，降低转子和轴之间的摩擦也是保障微电机高速稳定运行的关键 因素。因此微马达中相对表面运动的摩擦磨损课题要予以重点研究。 微观摩擦学的研究与发展，对于微机电系统的研制极为重要。最大限度地降 低磨损，是保证微型机械系统功能和使用寿命的关键。目前，微观摩擦学成为微 机电系统研究中发展最为迅速的领域，并已经取得一定突破，这为我们深入研究 微机电系统的摩擦学行为提供了理论指导和实验手段。在实验研究方面，已经建 立了研究界面分子层摩擦磨损行为和超薄膜润滑机理比较完善的手段和测量仪 器，包括不同纳米问隙下摩擦界面上作用力和粘着能量测量，表面分子涂层和超 洁净表面摩擦特性实验研究，应用原子力显微镜和分子力显微镜研究表面纳米厚 度层的力学性质，以及单分子吸附膜的摩擦力和流变特性，根据光干涉相对光强 原理研制的薄膜测量仪用于纳米润滑薄膜特性研究等。同时，通过实验研究，还 提出了微摩擦起因、界面粘着机理以及边界润滑膜的构性等一系列观点。 上海交通大学微纳米科学技术研究院研制的“微型飞机”在国际上处于领先 水平，但其飞行寿命有限，这主要是由于微型飞机中微型马达的轴和轴承间摩擦 磨损剧烈以及润滑不