微机械学中的纳米摩擦学-第一节PPT课件.ppt

微机械学中的纳米摩擦学 1 第1节 绪论 第2节 实验测试仪器 第3节 微观摩擦研究 第4节 微观磨损研究 主要内容 第5节 微观润滑研究 2 1 1微机械发展简史 1959年 RichardPFeynman提出了微型机械的设想 1962年硅微型压力传感器问世 其后开发出尺寸为50 500 的齿轮 齿轮泵 气动涡轮及联接件等微系统 第一节绪论 微齿轮结构SEM图像 1987年 美国UCBerkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达 引起国际学术界的轰动 人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性 这是MEMS技术的开端 微马达SEM图像 1993年 美国ADI公司采用MEMS技术成功实现微型加速度计的商品化 大批量应用于汽车防撞气囊 标志着MEMS技术商品化的开端 3 1 1微机械发展简史 20世纪90年代 发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进MEMS技术的发展 目前 在微型加速度计 微型压力传感器 数字微镜器件 DMD 喷墨打印机的微喷嘴 生物芯片等领域都实现了MEMS技术 第一节绪论 4 1 2MEMS微型化带来的理论问题目前 各种微器件有机结合成真正意义上的 EMS还有相当的难度 如何建立MEMS等效机构的失效模型这一问题尚未得到有效解决 其原因主要是人们对微观条件下MEMS器件的运动规律 物理特性和受载之下的力学行为缺乏充分的认识 没有形成基于一定理论基础的MEMS设计理论方法 只能靠传统方法进行试探性研究 目前 MEMS基础理论研究还远远不能满足人们的需要 成为整个微光机电系统进一步发展的瓶颈 第一节绪论 MEMS器件的尺寸多在几十纳米 1mm之间 在微观状态下呈现特有的规律和尺度效应 5 1 2MEMS微型化带来的理论问题尺度效应 第一节绪论 随着MEMS元器件的微型化 与元件表面面积成比例的表面力取代体积力 如惯性力等 而成为主导力 在微系统中 作用在表面上的摩擦力和粘滞力对于微机械性能的影响要比体积力大很多 由于粘着力过大而使微构件在制作过程中损坏是经常发生的事情 而摩擦力过大也常导致微机构无法运动 同时 微机构在制造过程中与运行过程中的磨损也是一个重要问题 因此 表面效应和尺寸效应是微型机械研究中面临的急需解决的科学问题之一 6 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学 tribology 一词是20世纪60年代中期由英国教育科学研究部发表的 关于摩擦学教育和研究报告 常称为Jost报告 中首次提出来的 其简要的定义是 关于摩擦过程的科学 此后 摩擦学作为一门独立的边缘学科才被人们接受 摩擦学的定义 研究作相对运动的相互作用表面及其理论和实践的一门科学技术 Thescienceandtechnologyofinteractionsurfacesinrelativemotionandofrelatedsubjectsandpractices 摩擦学的内容摩擦学有三大支柱 即 摩擦 磨损和润滑 但是这三方面之合并不等于摩擦学 另外还涉及到摩擦学设计 摩擦学系统分析 监控 摩擦与振动 表面工程等 第一节绪论 7 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的内容摩擦 能量转化的一种形式磨损 摩擦过程中所伴随发生的必然结果 其表现形式为材料的损耗和破坏 润滑 作用在于降低摩擦 减少磨损 三者相互关联 是存在于自然界中的普遍现象 与人类的物质生产和生活密切相关 摩擦学的发展过程 早期朴素应用远古 15世纪击石取火 钻木取火 4600年前中国出现的车以滚动摩擦代替滑动摩擦 并用羊油润滑车轴 这可能是最早的润滑剂 第一节绪论 8 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 古典摩擦定律 意大利雷纳德 达 芬奇 LeonardodaVinci 1452 1519年摩擦力与压力成正比 摩擦第一定律 摩擦力与接触面积无关 摩擦第二定律 法国阿蒙顿 G Amontons 1663 1705年进一步证实了摩擦学第一定律和第二定律 摩擦是一个凹凸不平的表面沿另一个表面上的微凸体上升所做的功 也即摩擦是由表面凹凸不平引起的 即摩擦的凹凸说 RoughnessThoery 提出摩擦力计算公式 F N F为摩擦力 为摩擦系数 N为正压力 第一节绪论 9 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 古典摩擦定律 法国物理学家库伦 C A Coulomb 1736 1806年动摩擦力比静摩擦力小 且动摩擦力与滑动速度无关 摩擦第三定律 完善凹凸说 凹凸说的实质是把摩擦的起因归结为接触表面的凹凸不平 当两表面接触时 由于这两个表面的凹凸部分相互咬合 要使其滑动 必须顺着其凸起部反复地抬起来或把凸部破坏掉 英国物理学家德萨古利斯 J T Desaguliers 1683 1744年在其著作 实验物理学教程 1734页 一书中叙述了产生摩擦力真正原因在于摩擦面之间存在着分子力的作用 主张接触面越光滑 摩擦力就越大 分子粘附说 英国科学家尤因 J A Ewing 和哈迪 W Hardy 通过实验证实了分子粘附说 第一节绪论 10 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 古典摩擦定律 前苏联学者捷拉金20世纪30年代提出摩擦学的二重性 即摩擦力由机械分力和分子分力组成 摩擦表面做相对运动时 不仅要克服表面分子间相互作用的连接力 还要克服表面层形状畸变而引起的机械阻力 此理论可以解释当表面光滑时 摩擦力也会很大 第一节绪论 11 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 古典摩擦定律 英国科学家鲍登和泰伯1950年指出两个表面在法向载荷作用下的接触面积 并非表观接触面积A0 而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和 叫真实接触面积Ar 真实接触面积所比例是很小的 由于真实接触面积很小 轮廓峰接触区所受的压力很高 当接触区受到高压而产生塑性变形后 这些微小接触面便发生粘附现象 形成冷焊结点 摩擦力应为剪断金属之间冷焊点所需的力与硬金属表面微凸体在软金属表面犁沟所需力之和 第一节绪论 12 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 古典摩擦定律总结 第一节绪论 两种摩擦理论 粗糙表面 光滑表面 凹凸说 粘附说 13 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 润滑理论 雷诺方程的提出1886年根据粘性流体力学揭示出滑动轴承中润滑膜的承载机理 提出描述流体润滑膜力学特性的方程 奠定了流体润滑的理论基础 边界润滑的提出1921年 弹性流体动压润滑理论的提出1950年将Reynolds流体润滑理论与Hertz弹性接触理论相耦合来处理点线接触摩擦副的润滑问题 建立了弹性流体动压润滑理论 薄膜润滑的提出1950年许多低速 重载 高温和低粘度润滑介质的机械设备以及许多高科技机械装备和超精密机械的摩擦副常常处于纳米量级 几个 几十纳米 的润滑状态下工作 该状态被称为薄膜润滑 第一节绪论 14 1 3摩擦学的定义与发展过程回顾摩擦学的发展过程 磨损理论 1940年由于战争的需要 磨损问题被提出 苏联于1945年召开了第一届摩擦 磨损会议 1957年英国 1958年美 德相继开会 1953年由苏联学者将磨损分为三大类 a 机械类 由摩擦表面的机械作用产生的磨损 包括磨粒磨损 表面塑性变形 脆性剥落等 b 分子 机械类 分子力形成的表面粘着 再经机械作用使粘着处剪切产生磨损 c 腐蚀 机械类 第一节绪论 15 1 4纳米摩擦学研究 现代摩擦学研究的新动向什么是纳米摩擦学纳米摩擦学 nanotribology 又称微观摩擦学 microtribology 或分子摩擦学 moleculartribology 它是在原子 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 建立有序分子膜的润滑状态 以获得优异的减摩耐磨性能 第一节绪论 16 1 4纳米摩擦学研究与宏观摩擦学的差别纳米摩擦学在学科基础 研究方法 实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大差别 第一节绪论 宏观摩擦学 通常是根据材料表面的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为 并应用连续介质力学包括断裂和疲劳理论作为分析的基础 纳米摩擦学 是由原子 分子结构出发 考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为 其理论基础是表面物理和表面化学 采用