金膜、光盘和LB膜的摩擦力显微镜研究

纳米摩擦学的提出适应现代科学技术发展的需要.传统的摩擦磨损和润滑理论经过百多年的发展,虽然已经比较完善地解决一般工程设计问题,但对于摩擦学机理的认识和实现主动控制还存在许多问题,特别是对于微型机械或超精密机械中,例如极轻载荷、纳米尺度间隙下的摩擦磨损和润滑问题.宏观摩擦学已不适用.摩擦力显微镜(Friction force micro-scope,以下简称FFM)的出现为人们能在纳米尺度上进行摩擦磨损实验提供了有效工具.虽然国外学者已利用FFM作了许多工作,但用FFM进行纳米摩擦学实验并不象宏观摩擦磨损实验那样成熟.我们在研制FFM的基础上利用FFM进行了尝试性试验,本文报道了一些初步结果.关于摩擦力显微镜的描述见文献[7].作为摩擦力显微镜力传感器用的微悬臂是通过镀膜、刻蚀等工序制作而成.微悬臂呈三角形结构,材料为Si_3N_4,自由端有一个金字塔形微探针.当探针与样品接触时,可以控制压电陶瓷的伸缩使微悬臂产生不同程度的弯曲,从而实现微载荷定量设定,微载荷可通过下式求得:L=k·△h=k·p·△V,(1)其中k是微悬臂的弹性系数;△h是微悬臂的法向位移;p为压电陶瓷的伸缩系数;△V为加在压电陶瓷上的电压变化.实验材料有3种,分别为精抛光玻璃表面真空沉积的金膜、激光唱盘基片和小分子花生酸与高分子液晶     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

自适应微摩擦综合测试仪的研制与纳米润滑实验研究

描述了作者研制的自适应微摩擦综合测试仪的基本原理。采用多用途自适应浮动结构、精密刀口杠杆加载结构和摩擦力精密测量系统,可精确地加载和测量ｍＮ量级的摩擦力。研究纳米膜在各种润滑方式下的摩擦学性能,同时采用相对光强光干涉法,检测纳米级的润滑膜厚以及润滑状态的变化。以１０＃标准粘度液作润滑剂,分别用面接触浮动润滑副和点接触浮动润滑副作实验,研究了其摩擦因数和润滑膜厚度随载荷、速度和运动方式（点接触纯滑动和纯滚动）的变化规律,并验证了仪器的实验性能。     

薄膜润滑研究的进展与问题

论述了薄膜润滑与润滑状态划分,薄膜润滑的特性,固/液转变与有序分子膜,薄膜润滑的失效,微流体的等效粘度与流动特性,高分子薄膜润滑的机理,纳米级固-液二相流,超滑等方面的研究进展和目前存在的尚未解决的问题.     

液晶添加剂的纳米级润滑性能与机理

低速度、低黏度和摩擦副表面达到分子级光滑时所形成的纳米级润滑膜性能不同于弹流润滑和边界润滑,由于尺寸效应,结构长程有序的液晶添加剂对纳米级油膜的润滑特性和成膜机理有有极大的验结果表明,在纳米级薄膜润滑区,添加有液昌的十六烷的实测油测油膜厚度比理论计算值大3－5倍,油膜厚度随液晶极性、液昌浓度和外加电场的增加而增加,润滑剂的有效黏度与滚动速度和外电压有关,随滚动速度的减小而由体相黏度逐渐增大到体相黏度的几至几十倍,随外电压的增加而增加并逐步趋于稳定,近固体表面润滑剂分子的有序度越高,油膜越厚。     

微结构和尺寸约束下多晶硅微机械构件拉伸强度的尺寸效应

微型机电系统(MEMS)是面向21世纪的关键技术, 微型机械的设计与制造在很大程度上取决于材料问题的解决. 影响微型机械装置功能和可靠性的薄膜材料力学性能需要精确的评价. 利用电磁力驱动, 设计了一种微拉伸装置, 从而精确地测定了长度为100～660 μm, 宽度为20～200 μm, 厚度为 2.4 μm的多晶硅薄膜的力学性能. 结果表明, 测得的平均弹性模量为(164±1.2) GPa, 与理论计算值相当. 平均拉伸强度为(1.36±0.14) GPa, 其Weibull分布参量为10.4～11.7. 统计分析表明, 由于微结构和尺寸的约束使得多晶硅薄膜的拉伸强度表现出对微构件长度、表面积和体积的尺寸效应. 拉伸强度随表面积与体积之比值增加而增加, 这一比值可作为尺寸效应的控制参量. 测试数据解释了微构件力学性能参量的离散性, 并可用于多晶硅微机械的可靠性设计. 最后, 提出了应变设计准则, 允许应变为0.0057.     

重载条件下线接触弹流问题的数值分析

提出了等温线接触弹流问题的完全数值解，通过逆解迭代计算方法，获得了不同工况条件下的油膜压力分布、油膜厚度和油膜形状。在计算过程中引入变形矩阵计算弹性变形，利用变形逆阵修正压力分布，都取得了令人满意的效果。提出的计算方法适于求解在工程实践中常遇到的重载线接触问题，所得到的计算结果中最大Ｈｅｒｔｚ接触应力与 润滑油的压粘系数之积为３８．９３。结论与Ｄｏｗｓｏｎ等人的理论是基本—致的。     

压电叠层作动器迟滞特性模型

压电叠层作动器是智能主动杆的关键部件,迟滞非线性是影响其控制应用的重要方面。在对迟滞特性进行分析的基础上,根据压电叠层作动器的工作特征,采用修正经典Preisach模型对压电作动器的迟滞特性进行建模,以预测压电作动器的位移输出,并进行了相应的实验分析。与随机电压序列的实测输出结果进行比较,该模型的误差范围小于2μm,明显优于线性模型,能更准确地预测作动器的位移输出,为实现精密的作动控制提供了可能。     

原子力显微镜针尖与样品间的材料转移

研究氮化硅针尖在十八烷基三甲氧基硅烷 (OTE) /云母表面的修饰过程。使用原子力 /摩擦力显微镜 ,以云母作为参考样品 ,研究了针尖在样品表面的修饰效应和修饰后针尖的清洁过程 ,并考察了湿度和载荷对针尖修饰效应的影响。修饰过程不是一个渐进的过程 ,在最初几次摩擦扫描中修饰较快 ,然后在 10～ 2 0次扫描后达到平衡态。在 OTE/云母表面修饰后的针尖在云母表面的摩擦力信号比修饰前针尖在云母表面的摩擦力信号小 ,并且大部分吸附在针尖表面的 OTE分子在云母表面的前 10次扫描中就被磨掉。相对湿度对针尖的修饰效应影响不大。在研究不同样品的摩擦性能时 ,尽量使用清洁针尖 ,并使用摩擦性能稳定的参考样品 (如云母 )来检测针尖的表面状态     

薄膜润滑研究的回顾与展望

薄膜润滑是20世纪90年代以来广泛研究的新型润滑状态。它是界于弹流润滑和边界润滑之间的一种过渡润滑状态，有着自己独特的润滑规律。文章回顾了薄膜润滑的研究历史，包括薄膜润滑概念的提出、测试技术的发展、薄膜润滑的膜厚特性、润滑机理探索以及计算理论等方面的研究成果与主要进展。