微机械学中的纳米摩擦学-第三节-微观摩擦

微机械学中的纳米摩擦学YOURSITEHERELOGO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YOURSITEHERELOGO3.5微观摩擦第三节微观摩擦研究微观摩擦理论1989年，在第五届欧洲摩擦学国际学术会议上，Homola和Israelachvili等人提出摩擦研究中应当区分两类摩擦副的接触状态：一类是有磨损的常规摩擦，此时，界面上实际接触面积仅占表观接触面积很小的比例；另一类是无磨损的极光滑表面组成的摩擦副，两表面密合而形成分子接触，称这类摩擦为界面摩擦(interfacialfriction)。法国阿蒙顿（G.Amontons）1663-1705年1967年，Bowdon和Tabor提出，粘着接触表面的摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要克服的阻力。YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究微观摩擦理论法国阿蒙顿（G.Amontons）1663-1705年1967年，Bowdon和Tabor提出，粘着接触表面的摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要克服的阻力。1989年，Homola和Israelachvili利用表面力仪SFA对云母材料的界面摩擦特性进行了实验研究。实验表明，在表面处于分子接触状态的滑动中，极限剪切应力由三部分组成，即321ccccAFτc1——为两表面相互作用的界面力引起的极限剪切应力τc2——为外加载荷形成的极限剪切应力τc3——为Hertz弹性变形引起的极限剪切应力YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究微观摩擦理论法国阿蒙顿（G.Amontons）1663-1705年1967年，Bowdon和Tabor提出，粘着接触表面的摩擦，其摩擦力是粘着结点被剪切需要克服的阻力。1989年，Homola和Israelachvili利用表面力仪SFA对云母材料的界面摩擦特性进行了实验研究。C1,C2,C3分别为与粘着能w、弹性常数K、球体半径r等有关的函数。3/4323/21PCPCPCF较小，可忽略不计粘性强度大时，主要组成部分。外加载荷较大，摩擦力以第二项为主，Amontons方程YOURSITEHERELOGO与表面损伤相关的摩擦起源：冷焊结点的剪切和撕裂犁沟、切削效应亚表面塑性变形位错形成裂纹萌生和扩展化学键断裂3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦的起源YOURSITEHERELOGO1）磨合良好的表面多处于弹性接触，粘着并非必然状态；2）摩擦力/载荷的正比关系无须以微凸体塑性变形为前提；3）即使没有塑性变形或材料损伤，摩擦依然存在，有时可能很大；4）机器运行中大约有10%－15%的能量消耗于克服摩擦，其中只能有极小部分转化为材料损伤和磨损，否则任何机器将在短时间内损坏。3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究对损伤起源论的疑问YOURSITEHERELOGO传统摩擦模型隐含摩擦源于表面损伤的假设；粘着点剪切、犁沟、粗糙峰塑性变形、位错和裂纹……磨损确是摩擦的重要起因之一，减摩与抗磨是相关的源于损伤的理论低估了摩擦中的能量耗散载荷10kg，0.1的摩擦副，能量损耗约9kwh/年必定还有不为人所知的某种摩擦起因－无磨损摩擦无磨损摩擦－Wearlessfriction界面摩擦－Interfacialfriction原子尺度摩擦－Atomic-scale声子型摩擦－phononicfriction关键科学问题－能量耗散的机理和途径3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦的起源的探讨YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究在晶体界面的相对滑动试验中摩擦并未完全消失，有时还相当可观。这说明除了粗糙峰啮合、塑性变形和粘着等传统的摩擦机理外，还存在着某些尚未为人们所认识的能量耗散过程而导致摩擦的产生。因而关于界面能量耗散过程的研究对于理解摩擦的起源和摩擦控制具有重要的意义。目前，声子发生和电子激励这2种能量耗散过程已经引起研究者的注意。声子与原子振动相关联，这种振动受到界面滑动机械激励，其能量最终以声波或热的形式耗散。电子激励摩擦是由金属界面上导电电子受滑动诱导的激发而产生的。电子激励涉及到量子理论，这方面的研究刚刚起步，目前对其机制的认识尚不清楚。相关模型主要有：独立振子模型，一维FK模型，FKT模型。YOURSITEHERELOGOTomlinson在1929年提出，他首次用微观模型来解释摩擦现象，但当时并未得到重视。自20世纪80年代以来，IO模型被重新认识，并被用来解释大量实验和模拟结果。独立振子(Tomlinson)模型3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——独立振子模型A——简化为强度为λ的一维周期势场；B——表面原子之间无相互作用，通过柔性单键(即刚度为k的弹簧，其势能为抛物线势VBB)连接到代表B其余部分的刚性支撑上,这些弹簧通过向支撑传递能量代表对B表面原子激发态能量的耗散。IO模型包括了无磨损摩擦的主要元素，即可移动的表面原子、周期性表面作用势函数及表面产生振动能量的耗散机制。YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——独立振子模型d到e，此处出现了局部极小值。此时B0必须突然地跳到势能的底部，从而激烈地振动起来，振动能量被不可逆地在固体中以声子的形式耗散掉。VS=VAB+VBBYOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——独立振子模型周期势场幅值较小时，由于VS无局部极小值，B0绝热且无摩擦地滑动。摩擦的产生，在VS有局部极小值时出现，即VAB最大处的曲率大于键势VBB的曲率:VS=VAB+VBBYOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——独立振子模型☼简单的IO模型所揭示的影响摩擦的两个重要因素即表面的作用强度和表面间的公度性，在复杂的模型中也依然是最重要的因素“公度”是一个几何学概念。对于两条线段a和b，如果存在线段d，使得a=md，b=nd(m，n为自然数)，那么称线段d为线段a和b的一个公度；并称线段a和b为可公度线段或可通约线段。如果对于线段a和b，这样的线段d不存在，那么称线段a和b为无公度线段或不可通约线段。两种物质的晶格常数比值：关于公度概念YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——独立振子模型☼简单的IO模型所揭示的影响摩擦的两个重要因素即表面的作用强度和表面间的公度性，在复杂的模型中也依然是最重要的因素。☼以上的研究结果是在准静态的情况下得到的，在较弱的阻尼作用下(相应于较高的滑动速度)，将会出现独立振子和以常速运动的周期势场间的共振，从而产生与速度相关的动摩擦力。在弱表面作用强度下，这些共振是可解析计算得到的，而在强作用时则会出现强烈的非线性特性。☼IO模型的主要不足在于没有考虑表面原子间的相互作用,显然将N个相邻的B原子一起移动所需的力要比移动一个B原子的力的N倍小得多,YOURSITEHERELOGO3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究纳观摩擦机理的研究——FK模型研究一串珠簧链在正弦型势能场中的行为，Y.Frenkel和T.Kontorava1938年首次提出，称FK模型。FK模型FK模型考虑的是一个线性原子链在一维周期势场中的运动，链中原子间相互作用和IO模型中同样处理，用Hooke弹簧模拟，周期势场也是对晶体中原子势的模拟，(其中λ为周期势场的强度，K为弹簧刚度，A和B的晶格常数分别为aS和a0)FK模型可以用来描述各种非线性物理现象，如CDW(ChargeDensityWaves)的传播、晶体表面上单层吸附膜的动力学、公度与无公度相间的转化、组合结构等等。YOURSITEHERELOGO•设系统静止•求各小球的位置xj=?(grandstatesolution)•小球初始位置xj0=x0+aj，•基态解xj=xj0+g(xj0)，•g(x)为壳函数•F=0,g(x)为解析函数，•切向力增大至Fs，g(x)解析性破坏，基态解不稳定，珠簧链开始运动，Fs为静摩擦力－Aubry转变0,0xxAubryPhysica1978NjFxbxxxxxjjjjjj,...,2,1sin2113.3微观摩擦第三节微观摩擦研究FK模型——静摩擦产生研究YOURSITEHERELOGO•静摩擦力取决两个因素：势函数强度b，公度性a=a/2p•公度性最好a=1，最不公度情形a=(5-1)/2•对于一定的a存在临界强度bc：当bbc，Fs＝0•超越临界强度后存在有限静摩擦力，Fs随b增加而增加。•如b值不变，则静摩擦随公度性增加而增大。3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究FK模型——静摩擦产生研究YOURSITEHERELOGO•考察xj’’=0,xj’=v时xj的解•准稳态滑动(v0)，系统动态特性•过阻尼－唯一的周期解•欠阻尼－共振•因b,,a不同周期解、准周期解、混沌解•超滑－SuperlibricityNjFxbxxxxxjjjjjj,...,2,1sin2113.3微观摩擦第三节微观摩擦研究FK模型——摩擦的动力学起源YOURSITEHERELOGO•IO模型未考虑表面原子间的相互作用•FK模型未考虑表面原子与基体间的Cohesion•FKT为结合二者特点综合模型IO模型FKT模型3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究FKT模型YOURSITEHERELOGO传统思维－摩擦系数与粘着强度成正比，降低表面能可减小摩擦。两个反例－1)相似表面能下(30mJ/m2)的不同摩擦表现2)低表面能下的高摩擦系数(2mJ/m2,m0.5)酒精溶液中AFM硅针尖与金基底间的摩擦，=0.53.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦与粘着的关系YOURSITEHERELOGO相似：摩擦和粘着法向运动具有相似的动力学行为和能量耗散机制，区别：粘着力取决于表面能，摩擦取决于运动中的能量耗散联系：‘粘着迟滞’反映了法向运动中的能量耗散，是粘着和摩擦的联系环节3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦与粘着的关系YOURSITEHERELOGO卵石模型－固体在外力F推动下在原子级粗糙的静表面上起伏前进，就象推小车在鹅卵石路面上前进那样行进中外力功＝上表面起伏引起的系统势能改变由此导出剪应力：决定摩擦大小的并非是粘着的强度，而是粘着迟滞循环中的耗散系数D0*0044cDSDDdD其中：表面能耗散系数＝R-A迟滞能量差D0表面平均距离D*无量纲起伏量3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦与粘着的关系——卵石模型YOURSITEHERELOGO模型定量描述了剪应力与表面能、耗散系数、表面间距、法向起伏和粘着迟滞的关系由此估算的烷烃分子吸附膜剪应力～20MPa，与SFA实验值大致吻合模型关于物体行进中起伏（表面间距变化）导致能量耗散的假设有待验证*04cSDD3.3微观摩擦第三节微观摩擦研究摩擦与粘着的关系——卵石模型YOURSITEHERELOGO公度－不公度结构公度结构表面的摩擦力比不公度表面大几个量级。不公度系统势函数起伏(较小，减小了分子不稳定运动的概率）05101520253035051015202530Y/AX/A5AYX05101520253035051015202530Y/AX/AA35A353.3微观摩擦第三节微观摩擦研究微观摩擦的一些实验结果—公度-非公度结构YOURSITEHERELOGO不公度表面未见明显的粘滑振动，公度/不公度结构的平均剪应力为0.472vs0.096(GPa)。1.00.50.0-0.5-1.0024681012141618Slidingdistance/AShearStressTiltAng