超滑技術(shù)的研究發(fā)展和成果概述

1、工程摩擦學(xué)大作業(yè)題目：超滑技術(shù)的研究發(fā)展和成果概述姓名：馮新安班級：機(jī)械碩6007班學(xué)號：3116058010完成日期：2016年12月10日星期六目錄摘要11.超滑現(xiàn)象的概念和研究背景22.超滑的機(jī)理分析32.1超滑機(jī)制的研究發(fā)展過程5超流52.1.2 超滑6超動滑動72.1. 4高分子聚合膜的分子刷理論92.2 超滑機(jī)理討論9超滑的定義93.超滑的研究發(fā)展和類型114.超滑的最新成果和研究204.1超滑在MEMS、納米機(jī)械中的應(yīng)用和成果214.2超滑技術(shù)在芯片散熱方面的應(yīng)用及成果224.3超滑最新成果一（超薄膜潤滑機(jī)理）254.4超滑最新成果二（有序分子膜）265.超滑的應(yīng)用前景26參考文

2、獻(xiàn)26超滑技術(shù)的研究發(fā)展和成果概述作者：馮新安 指導(dǎo)老師：曾群鋒摘要隨著工業(yè)迅速發(fā)展，能源消耗的大幅增長與資源匱乏之間的矛盾日趨嚴(yán)重，因此，提高能源利用效率就顯得非常重要。摩擦是消耗能源的重要途徑之一，而超滑技術(shù)的出現(xiàn)能夠大大提高運動系統(tǒng)的能源利用效率。超滑作為摩擦學(xué)的一個新領(lǐng)域，通常指兩個物體表面之間的滑動摩擦系數(shù)在0001量級或者更小的潤滑狀態(tài)。自從20世紀(jì)90年代初提出超滑概念，它就吸引了摩擦學(xué)界、機(jī)械學(xué)界、物理學(xué)界和化學(xué)界研究者的廣泛關(guān)注。他們一方面從理論上研究超滑的產(chǎn)生機(jī)理，另一方面從實驗上探索超滑材料的特性。在過去的20年里，關(guān)于超滑的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。本文將闡述超滑現(xiàn)象的

3、概念、超滑的研究背景、機(jī)理、類型、發(fā)展、應(yīng)用背景及其最新成果等，介紹國內(nèi)外超滑技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對未來超滑技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：摩擦；超滑；超滑機(jī)理；液體超滑劑；超滑成果1.超滑現(xiàn)象的概念和研究背景在機(jī)械系統(tǒng)中，包括動力單元(電機(jī)、發(fā)動機(jī)等)、連接機(jī)構(gòu)(螺旋副連接、搭接、銷接等)、傳動機(jī)構(gòu)(軸承、齒輪、液壓閥門等)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(抓取、切削、模壓等)，廣泛存在著零部件之間的摩擦和磨損。這些摩擦和磨損會造成大量的能量損耗和機(jī)械零部件的失效，從而影響機(jī)械設(shè)備的使用效率和壽命。更為嚴(yán)重的是，當(dāng)出現(xiàn)潤滑失效和過度磨損時，還會造成惡性的機(jī)械事故。據(jù)統(tǒng)計，摩擦消耗掉全世界13的一次性能源，約有80的

4、機(jī)械零部件都是因為磨損而失效，而且50以上的機(jī)械裝備的惡性事故都是起因于潤滑失效。在大多數(shù)發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，比如美、日、英、德等，每年與摩擦和磨損相關(guān)的能量耗散和材料損失費占到整個國民生產(chǎn)總值的27，而在中國，每年因摩擦磨損造成的損失占中國國民生產(chǎn)總值的4.5。按中國2013年國民生產(chǎn)總值58萬億元計算，中國2011年摩擦磨損造成的損失約為26萬億元。因此，在當(dāng)前中國的能源缺口越來越大，裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越強(qiáng)的情況下，改善機(jī)械零件之間的摩擦狀態(tài)并有效降低摩擦系數(shù)就顯得尤為重要，這對中國走新型工業(yè)化道路、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實意義。超滑技術(shù)就是目前解決

5、上述摩擦磨損問題的一個重要手段。超滑是指兩個表面之間的摩擦力接近零的潤滑狀態(tài)，它最早由兩位日本學(xué)者Hirano和 Shinjo在20世紀(jì)90年代初提出。在此背景下, 提出的超滑和零磨損概念, 引起了摩擦學(xué)、 機(jī)械學(xué)、 物理學(xué)和化學(xué)等各界研究學(xué)者的關(guān)注。超滑是實現(xiàn)摩擦因數(shù)為零的潤滑狀態(tài)。 但是, 一般認(rèn)為摩擦因數(shù)在0.001 量級或更低時的潤滑狀態(tài)即為超滑態(tài)。 對超滑技術(shù)和機(jī)理進(jìn)行深入的研究, 不但對探索潤滑和摩擦的本質(zhì)具有很大的意義, 而且也是對潤滑理論體系的一種豐富。因此，從理論上來說，超滑可以實現(xiàn)近零摩擦和近零磨損。但是實際上，由于摩擦系統(tǒng)各種因素的干擾和測量極限的限制，通常將摩擦系數(shù)到達(dá)

6、0001量級或更低時的潤滑狀態(tài)稱之為超滑，如圖1所示。這里做一個比較，冰的表面的摩擦系數(shù)通常在002左右，潤滑油的摩擦系數(shù)通常在005左右，由此可知，超滑對應(yīng)的摩擦系數(shù)比常規(guī)潤滑劑的摩擦系數(shù)要小一個數(shù)量級以上。由于超滑對應(yīng)的摩擦系數(shù)非常小，所以超滑能夠顯著地提高潤滑效率，節(jié)約能源和資源。隨著現(xiàn)代機(jī)械科學(xué)的發(fā)展，許多高新技術(shù)裝置如微電子設(shè)備、微型機(jī)器人、生物醫(yī)療微型器械等的摩擦副間隙常處于納米量級，從而使表面力、潤滑分子間的作用力對摩擦力的影響相對于傳統(tǒng)機(jī)械中的體積力而言顯得非常突出，于是傳統(tǒng)的潤滑理論已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代納米機(jī)械發(fā)展的需求，而超滑則成為了精密儀器最理想的運行狀態(tài)1。圖1 摩擦系數(shù)與

7、超滑之間的關(guān)系2.超滑的機(jī)理分析隨著現(xiàn)代機(jī)械科學(xué)的發(fā)展, 出現(xiàn)機(jī)電一體化、 超精密化和微型化的趨勢, 許多高新技術(shù)裝置如微電子設(shè)備、 微型機(jī)器人、 生物醫(yī)療微型器械等的摩擦副間隙常處于納米量級。 由于它們具有質(zhì)量輕（毫克量級）, 載荷?。ㄎ⒖肆考墸?, 表面比大, 間隙小（納米量級） 等特點, 從而使表面力、潤滑分子間的作用力對摩擦力的影響相對于傳統(tǒng)機(jī)械中的體積力而言顯得非常突出。在此背景下, 提出的超滑和零磨損概念, 引起了摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等各界研究學(xué)者的關(guān)注。超滑是實現(xiàn)摩擦因數(shù)為零的潤滑狀態(tài)。但是, 一般認(rèn)為摩擦因數(shù)在0. 001 量級或更低( 與測試干擾信號同一量級) 的潤滑

8、狀態(tài)即為超滑態(tài)。 對超滑技術(shù)和機(jī)理進(jìn)行深入的研究, 不但對探索潤滑和摩擦的本質(zhì)具有很大的意義, 而且也是對潤滑理論體系的一種豐富。超滑機(jī)理的研究發(fā)展和超滑潤滑材料的研制成功, 將為人們逐漸地擺脫摩擦和磨損的束縛以及現(xiàn)代高新技術(shù)裝備和納米技術(shù)的發(fā)展提供可能。超滑概念提出后, 國外已有一部分摩擦學(xué)家、 物理和化學(xué)家投身到超滑機(jī)理和技術(shù)的研究中去。一方面從理論上研究超滑的產(chǎn)生條件和存在機(jī)理,另一方面進(jìn)行超滑材料的配置研究和超滑態(tài)的存在條件研究。這兩方面都已取得了初步進(jìn)展。2.1超滑機(jī)制的研究發(fā)展過程目前超滑的產(chǎn)生機(jī)制有四種: 一是處于宏觀量子態(tài)的低溫超流問題; 二是特定對偶面和特定滑移方面的超滑問題

9、; 三是高速剪切導(dǎo)致潤滑劑分子有序排列而出現(xiàn)的超動滑動問題; 四是高分子膜造成的界面斥力場而出現(xiàn)的超滑問題2。2.1.1超流超流現(xiàn)象先是由卡皮察于 1938 年在一次低溫實驗中發(fā)現(xiàn)液氦（He） 在 2.17K 以下時出現(xiàn)無摩擦的流動現(xiàn)象。 在 2.17K 時發(fā)現(xiàn)盛在陶瓷容器中的超流氦會象水經(jīng)過濾網(wǎng)一樣漏出來。盛在玻璃容器中的超流氦會沿容器的壁“ 爬” 出容器。Kubota最新研究表明臨近固體表面的是一層正常流體, 而超流層僅僅是正常流體最外層的厚度為零點幾納米的薄層, 如圖2所示。 從而糾正了人們普遍認(rèn)為的超流層是最臨近固體而且比較厚的想法。超流的機(jī)理是玻色子在低溫下會發(fā)生玻色凝聚現(xiàn)象, 大量

10、的離子都會處于同一最低的能態(tài)上。當(dāng)有宏觀量級的離子處于這一能態(tài)時, 這個態(tài)的量子性質(zhì)就表現(xiàn)為宏觀量子效應(yīng)。于是, 處于最低能態(tài)的離子構(gòu)成的流體就是超流體。而在基態(tài)上發(fā)生了元激發(fā)的流體就是正常流體。如圖 3 所示, 一宏觀物體 M 在超流體中以初速度 v 運動。如果有摩擦阻力, 必然產(chǎn)生能量和動量的變化。在激發(fā)一個動量為p 的元激發(fā)后, M 的速度為 v 1 , 根據(jù)能量和動量守恒定律可知兩式聯(lián)立, 消除 v 1 得M 相對很大, 最后一項可以忽略。設(shè) p 與 v 之間的夾角為 , 于是有圖2 液氦超流模型圖3 超流模型由于液體處于宏觀量子態(tài), 能量不連續(xù), 存在一個勢壘, 即存在一大于 0 的

11、最小值。當(dāng)傳遞給宏觀量子態(tài)的液體一個小于 最小值的能量時,不會引起該液體的能量變化。也就是說物體M 存在一臨界速度 V c = / p min 。 當(dāng)運行速度v 小于V c時, 其在宏觀量子態(tài)的液體中運行時所傳遞給該液體的最大能量小于 最小值, 元激發(fā)動量 p 就不能產(chǎn)生, 于是液體的動量就不發(fā)生變化, 即能量和動量守恒定律就不成立。于是, 物體 M 在運動過程中本身的動量和能量不發(fā)生變化, 即無摩擦阻力。 對于液氦, V c 為 58m/ s。由此可見存在超流的條件為3:（1）存在宏觀量子態(tài);（2）元激發(fā)的能譜應(yīng)大于 0。超流現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后, 引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。先后有幾位從事該方面研究的

12、科學(xué)家獲得了諾貝爾獎。但是, 由于超流是低溫下出現(xiàn)的特性, 一直無法應(yīng)用于工程中, 特別對摩擦學(xué)領(lǐng)域而言, 目前很難對其實用價值進(jìn)行評述。2.1.2 超滑超滑是由日本Hirano 和Shinjo 于 1991 年根據(jù)宏觀力學(xué)的理論通過計算而提出的。他們指出按照一定規(guī)律排列的兩個晶體表面作相對運動時, 由于分子間力的弱作用和時效作用, 在特定匹配對偶面和滑動方向條件下, 摩擦阻力為零, 即處于超滑態(tài), 見圖4。其超滑條件為4: （1）準(zhǔn)靜態(tài); （2）弱粘附力;（3）接觸面不相適程度大;（4）存在出現(xiàn)超滑的特定方向（如塑性變形中的滑移方向）。在一些實驗中, 如采用云母、 高真空下特定滑移方向的二硫

13、化鉬, 高取向熱解石墨作摩擦副; 已觀察到沿特定方向滑移時, 摩擦因數(shù)迅速減少（MoS 2 在真空下摩擦因數(shù)小于 0. 001）的現(xiàn)象。Hirano 等人在 1993 到 1997 年間, 運用晶體結(jié)構(gòu)和表面能的理論對二硫化鉬等固體潤滑劑的超滑現(xiàn)象作了有益的探索。他們用掃描隧道顯微鏡觀察到凈潔的 Si（001）面與探頭表面 W（011）之間摩擦力消失的現(xiàn)象, 從而證明在強(qiáng)粘附力作用下, 加載表面間仍然存在摩擦力消失的現(xiàn)象。遺憾的是由于其實驗精度不太確切, 他們的研究結(jié)果未得到世人的公認(rèn)。另外,在兩接觸面最不匹配的情況下是否會發(fā)生摩擦力為零的超滑現(xiàn)象是摩擦學(xué)界乃至物理學(xué)界正在關(guān)注的問題。特別是實

14、驗驗證方面尚需做大量的工作。對偶滑移晶面原子分布, 晶格的不適應(yīng)角 為 45°圖 4滑動動量隨位置和滑移方向的變化情況2.1.3超動滑動超動滑動是由 Yoshizawa 和 Israelachvili于1993年提出的。他們用 DHDAA( 雙十六烷基二甲基醋酸銨) 在表面力儀上進(jìn)行實驗, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)滑動速度V V c 時, 出現(xiàn)粘- 滑現(xiàn)象, 當(dāng) V > V c 時, 粘- 滑現(xiàn)象消失, 見圖5（a） 。 若速度進(jìn)一步提高, 摩擦力突然降低并趨于 0, 即出現(xiàn)超動滑動現(xiàn)象。 實際上觀察到DHDAA 在相對濕度Hr 為 100%時, 摩擦因數(shù)達(dá)到0. 0005, 見圖 5（b） 。

15、Yoshizawa等人將此現(xiàn)象推測為潤滑分子從咬合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x態(tài)有序排列而造成的, 見圖 5（c）。但是, 這種分子作用狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機(jī)理尚不清楚, 而且還沒有得到實驗的驗證。另外, 對于非直鏈分子是否存在超動滑動?如何從咬合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x態(tài)有序排列還有待于進(jìn)一步研究。圖 5DHDAA 單分子層摩擦力隨工況變化情況2.1. 4高分子聚合膜的分子刷理論從 1982 年以來, Jacob Klein 等人一直在研究表面力的問題, 1994 年他們在表面力儀上采用高分子聚合膜（帶極性端頭的聚苯乙烯）進(jìn)行實驗。這種高分子聚合膜的極性端頭以植入基體表面的方式或以吸附的方式與基體表面形成比較牢固的表面膜,

16、長鏈漂浮在甲苯液中, 形成一層“ 分子刷” ,并會發(fā)生伸展而不脫離基體。分子刷之間只能產(chǎn)生有限的相互滲透, 并且在雙電層排斥力和色散力的作用下, 兩聚合物間的作用力場處于排斥力場范圍。而此作用力場與所采用的高分子的結(jié)構(gòu)、 極性、 柔性和溶劑等有關(guān)。 當(dāng)選擇合適時, 斥力場可達(dá)分子團(tuán)半徑的 615倍即幾百納米如圖 6 所示（圖中 R g 為分子團(tuán)的等效半徑） 。 斥力隨云母片間距離的減小而迅速增大。 由于分子刷層間巨大的排斥力, 使兩個云母片保持隔離, 便于自由滑動, 于是在較高的正壓力下仍具有很低的摩擦力, 實現(xiàn)了摩擦因數(shù)在 0. 001 量級的超滑態(tài)。圖 6高分子膜間的分子間力2.2 超滑機(jī)

17、理討論90 年代初, 人們在進(jìn)行納米潤滑研究中, 觀察到一些超滑現(xiàn)象, 并開始了這方面的研究。但是, 目前還有許多基本理論問題需要進(jìn)一步研究, 如超滑的定義與機(jī)理, 超滑與有序的關(guān)系, 超流與超滑的聯(lián)系, 外場對超滑的影響等等。2.2.1超滑的定義目前關(guān)于超滑的提法不一致。一種觀點認(rèn)為超滑是摩擦因數(shù)為 0 的狀況; 另一種則認(rèn)為摩擦因數(shù)由于潤滑分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而突然降低; 還有一種觀點是摩擦因數(shù)下降到具有較大的工程價值工況（小于 0. 001）。從低溫超流原理可見, 要實現(xiàn)摩擦力為0 的狀況是非常困難的。作為摩擦學(xué)研究而言, 應(yīng)以摩擦界面實現(xiàn)摩擦力趨于零為目標(biāo)。于是超滑應(yīng)包含兩個概念:（1）

18、具有理想的絕對摩擦因數(shù)( 0. 001) 和大幅度下降的相對摩擦因數(shù)。 因為對于空氣潤滑情況, 摩擦因數(shù)也在 10 - 3 量級, 但是, 其并不處于超滑態(tài), 于是摩擦因數(shù)要求相對有數(shù)量級幅度的下降。（2）潤滑機(jī)理具有趨于零摩擦的特點。因為采用磁懸浮等技術(shù)可以使摩擦副隔離開來, 達(dá)到很低的摩擦力。從摩擦學(xué)研究來看, 這并不屬于超滑研究范疇, 僅屬于空氣潤滑狀態(tài)。 而超滑是要求潤滑分子經(jīng)過改性處理具有趨于零摩擦的潤滑機(jī)理。滿足這兩個條件的潤滑狀態(tài)就可以稱為超滑態(tài)。2. 2粘度與有序潤滑分子有序化是納米級潤滑薄膜重要特性之一, 也是實現(xiàn)常溫超滑態(tài)的一個重要條件。因為無序的流體分子在摩擦剪切過程中不

19、僅會因分子的纏繞、 碰撞等原因造成能量損失, 而且無法建立穩(wěn)定的斥力場。只有在潤滑分子發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變后, 才可能消除分子的纏繞與碰撞, 并通過改變分子特性以平衡載荷的分子間力場。有序分子膜具有性能穩(wěn)定、摩擦因數(shù)低、厚度可控、與基體結(jié)合性能好等特點。特別是一些高分子或具有極性端頭的大分子優(yōu)點更為突出。目前有序分子超薄膜具有六種類型:即Langmuir-Blodgett（簡稱:L-B）膜,自組裝膜,分子沉積膜,分子束外延生長膜,高取向固體有序膜以及剪切誘導(dǎo)有序膜。其中L-B膜技術(shù)出現(xiàn)的最早并得到了廣泛的研究。特別是最近幾年,隨著它的機(jī)械性能的不斷提高,加上其高度有序、極性端可控、厚度從一個分子層到

20、多層可精確控制等特點,愈來愈受到納米摩擦學(xué)界的重視。但是,其牢固性尚需進(jìn)一步改進(jìn)。自組裝膜是由化學(xué)吸附作用而“自發(fā)”生成的一種二維分子體系。自1980年提出以來,特別是進(jìn)入90年代后,有了很大的發(fā)展。目前可以在Au,Ag,Cu,Al2O3,玻璃等基體上制作單層脂肪酸膜或其它有機(jī)膜。但其在厚度控制,質(zhì)量穩(wěn)定性以及基體與分子結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系方面尚需進(jìn)一步研究。原來主要用于晶體生長的外延生長法現(xiàn)在也開始進(jìn)行晶體表面的有機(jī)分子生長研究。目前僅處于初步研究階段。固體有序膜,如MoS2和高取向熱解石墨,在摩擦過程形成有序滑移層,不僅大幅度地降低了摩擦因數(shù)而且具有良好的穩(wěn)定性和抗壓性能。其主要缺點是難于控制在

21、納米量級。剪切誘導(dǎo)有序膜是指無序的流體潤滑分子在基體表面能和剪切誘導(dǎo)的作用下或外加力場作用下而趨于有序排列,從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)大幅度降低。近年來,有序分子膜對超滑方面的貢獻(xiàn)研究將會加倍受到人們的關(guān)注。分子膜厚度到了納米量級時,分子層間的摩擦力已與宏觀的流體態(tài)的內(nèi)摩擦力大不相同。它受到固體表面力以及分子間誘導(dǎo)力場等的作用,流體效應(yīng)大大減弱。因此,等效粘度變化很大。于是無論是在實驗研究上還是在數(shù)值計算上都需要進(jìn)一步弄清以下問題:（1） 分子的有序化程度受那些因子影響?程度如何?（2） 有序度與等效粘度的關(guān)系如何?有序度與摩擦力的關(guān)系如何?2.2.3超流與超滑對于摩擦學(xué)而言,考慮到低溫超流的本質(zhì),兩固

22、體界面間的普通流體在常溫下不可能達(dá)到宏觀量子態(tài),因此,要在無序的流體中運動而不發(fā)生能量損失,實現(xiàn)超滑態(tài)基本上是不可能的。因此,超滑產(chǎn)生的唯一機(jī)制是界面作用勢的作用結(jié)果,如穩(wěn)定的相斥作用力場的建立,兩個凈潔表面間沿特定的方向滑動等等以實現(xiàn)超滑狀態(tài)。因此,摩擦副應(yīng)從以下方面改進(jìn)以利于超滑狀態(tài)的建立:（1）兩接觸表面要相當(dāng)?shù)仄?納米量級),一方面減小微突點接觸引起的機(jī)械摩擦作用,另一方面有利于潤滑分子建立起穩(wěn)定的作用力場;（2）降低兩固體表面間的引力場,希望建立排斥力場;（3）潤滑分子極性端要與基體表面形成牢固的結(jié)合,以免在剪切過程潤滑膜脫落而造成固體直接接觸;（4）潤滑分子可形成有序排列。這些條件

23、比較適合于微型機(jī)械、微電子設(shè)備等輕質(zhì)量、微小載荷、高精表面等工況。于是,超滑和零磨損的研究對微-納米技術(shù)的發(fā)展有重要的價值。2.2.4外場的影響既然超滑的機(jī)理是建立在作用力場的基礎(chǔ)上,那么一切影響分子間力的因素,如電場、磁場等都可能影響超滑效應(yīng)。特別是電場對潤滑影響近年來已成為摩擦學(xué)研究的熱點之一。目前關(guān)于電場對潤滑的影響研究主要集中在電壓上。然而,電壓雖然可以加強(qiáng)分子間的誘導(dǎo)力場,促使分子趨于有序排列,但是卻增加了分子層間的引力,不利于分子層間的滑移。因此,為了克服分子間的引力,理想的方法是將相斥的電場或其它外場施加于摩擦副的對偶面。當(dāng)潤滑膜厚度達(dá)到納米量級時,基體表面的物理特性對潤滑膜的影

24、響已經(jīng)達(dá)到不可忽視的地步。特點是對于金屬、金屬氧化物等高能表面能對潤滑分子的作用更加不可忽略。但是,由于這方面的研究涉及到基體的表面物理化學(xué)特性,因而,在摩擦學(xué)領(lǐng)域,基本上主要考慮基體表面形貌以潤滑添加劑與表面的化學(xué)作用對潤滑效果的影響。最近已開始在潤滑數(shù)值計算和實驗中考慮基體表面張力對潤滑分子的作用。Thompson等人用分子動力學(xué)模擬的辦法探討了固體壁面對潤滑分子的影響。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展以及納米級測量儀器的不斷改進(jìn)和更新,摩擦學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)完全可以在納米尺度上研究問題?；w表面和固液界面上的力學(xué)行為以及其對潤滑特性和潤滑分子行為的影響已成為可望解決的問題。特別是潤滑劑的摩擦行為與基體表面

25、能、粗糙度、硬度、晶粒形狀和大小、電子云密度等的相關(guān)性是該方面研究的關(guān)鍵問題。2.3小結(jié)超滑研究在國際上僅處于起步階段。由于超滑的機(jī)理已與普通的潤滑機(jī)理大不相同,并且其厚度基本處于納米量級,所承受的載荷在毫牛頓量級,因此,許多特性與傳統(tǒng)的理論不太相符,有些在宏觀條件下毫不相關(guān)的因子卻在納米量級時起到了很大的作用。因此,要確定超滑條件并且穩(wěn)定地實現(xiàn)和控制是相當(dāng)困難的。另外對于超滑現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的研究尚處于初步探討階段,缺乏系統(tǒng)化和理論化的分析。因此,合成出高穩(wěn)定性超滑劑,并通過強(qiáng)化膜制備技術(shù),改進(jìn)潤滑分子與固體壁面匹配作用,在固體界面間形成穩(wěn)固的超滑態(tài)是今后研究的關(guān)鍵。3.超滑的研究發(fā)展和類型在2

26、0世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者Hirano和Shinjo通過理論計算發(fā)現(xiàn)兩個晶面在某些特定的表面和方向上（非公度）發(fā)生相對運動時，摩擦力會完全消失，這就是所謂的“超滑狀態(tài)”。但是當(dāng)兩個滑動表面的晶體尺度和取向完全相同時，即微觀結(jié)構(gòu)處在公度狀態(tài)，超滑狀態(tài)就會消失，如圖6所示。這是最早從理論上研究超滑存在的可能性。隨后，來自不同領(lǐng)域的研究學(xué)者對超滑進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列的成果。近10年來，隨著原子力顯微鏡(AFM)和表面力儀(SFA)等儀器的發(fā)展和應(yīng)用，它們對超滑的微觀機(jī)理研究起到了很大的推動作用，而分子動力學(xué)(MD)模擬技術(shù)的發(fā)展為研究超滑過程中能量耗散的微觀機(jī)制提供了有效的理論分析工具。

27、a)公度接觸b)非公度接觸圖7公度與非公度原子示意圖到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩類潤滑材料具有超滑的特性。第一類是沉積在表面上的固體潤滑涂層，比如二硫化鉬(MoS，)、石墨、類金剛石薄膜(DLC)和碳氮膜(cN3等，這里稱之為固體超滑。另一類是受限在兩個表面之間的液體潤滑劑，比如陶瓷水潤滑、水合離子潤滑、聚合物分子刷、甘油混合溶液和生物體黏液等，這里稱之為液體超滑。除此之外，還有一類超滑是借助于外力的作用將兩表面分開來實現(xiàn)超滑，比如靜電斥力、范德華斥力、疏水斥力等等。這類超滑是利用外力來承擔(dān)載荷從而實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)，它與磁懸浮類似，而與傳統(tǒng)潤滑有著本質(zhì)的區(qū)別。接下來將對固體超滑和液體超滑分別進(jìn)行介

28、紹4。31固體超滑最早發(fā)現(xiàn)具有超滑特性的固體潤滑劑是二硫化鉬，它具有六邊形的層狀結(jié)構(gòu)，并且層與層之間的剪切強(qiáng)度很小。法國學(xué)者M(jìn)artin等1用二硫化鉬膜在高真空的條件下能夠獲得小于0002的超低摩擦系數(shù)，如圖3所示。通過高倍透射電鏡，可以看到二硫化鉬磨粒在摩擦副表面形成了整齊的花紋結(jié)構(gòu)，這表明二硫化鉬磨粒中存在重疊的二硫化鉬晶體，并且這些晶體之間具有一個旋轉(zhuǎn)角度。因此，在晶體相互運動的過程中，沿著硫含量高的基面，摩擦力成各向異性，這是二硫化鉬具有超滑特性的根本原因。但是二硫化鉬只能在高真空中或者在惰性氣體(比如純凈的氮氣和氬氣)的保護(hù)下才能實現(xiàn)超低摩擦系數(shù)。在自然條件下，空氣中的氧原子和水蒸氣

29、的存在阻礙了二硫化鉬實現(xiàn)超滑。2000年，英國劍橋大學(xué)Chhowalla等成功制備出由類富勒烯空心二硫化鉬納米顆粒組成的薄膜，在濕度為45的自然條件下，其摩擦系數(shù)能夠達(dá)0.003。他們認(rèn)為彎曲的S-Mo-S基面阻礙了表面的氧化并保護(hù)層狀結(jié)構(gòu)不被破壞，從而使二硫化鉬在自然條件下實現(xiàn)超滑。與二硫化鉬類似的另一種固體潤滑劑是石墨。它也具有層狀結(jié)構(gòu)，與二硫化鉬的結(jié)構(gòu)很相近，并且層與層之間的相互作用力(范德華力)很微弱。在自然條件下，石墨和其他材料之間的摩擦系數(shù)在0.080.18之間，但是Mate等發(fā)現(xiàn)石墨與石墨之間在特定的運動條件下可以實現(xiàn)超滑。他們在摩擦力顯微鏡上使鎢針在高定向裂解石墨的表面上滑動(

30、載荷100nN)，獲得了0.005的超低摩擦系數(shù)。實驗研究表明，石墨實現(xiàn)超滑時兩個石墨片位于非公度接觸的狀態(tài)，如圖8所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角在0°和61°附近時，摩擦力突然增高至少一個量級，出現(xiàn)一個尖銳的峰值，而在其他滑動方向上，摩擦力幾乎為零，即處在超滑狀態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)這兩個高摩擦系數(shù)峰值之間的角度差為61°，這與石墨晶格上的原子呈六邊形（60°）分布相一致。因此，他們將石墨超滑的機(jī)理歸因于兩個旋轉(zhuǎn)的石墨片之間的非公度接觸。最近，清華大學(xué)鄭泉水課題組成功實現(xiàn)了兩個大面積石墨片之間的超滑。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個高定向熱解石墨片之間處在非公度接觸時，石墨片會發(fā)生自縮回的現(xiàn)象，

31、這表明石墨片之間的摩擦系數(shù)很低。圖8硫化鉬的摩擦系數(shù)曲線及二硫化鉬磨粒的高倍透射電鏡圖圖9摩擦力和兩個石墨片旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系除二硫化鉬和石墨之外，還有一種常見的固體潤滑劑也具有超滑的特性，即類金剛石薄膜(DLC)。由于DLC膜具有很好的耐磨特性、化學(xué)惰性及光學(xué)特性，早期的研究都集中在如何將DLC膜用作磁盤的保護(hù)膜。近20年來，隨著化學(xué)沉積技術(shù)的飛速發(fā)展，美國阿貢國家實驗室Erdemir等對DLC膜的超滑特性進(jìn)行了大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)用高含氫量的DLC膜可以實現(xiàn)0.001的超低摩擦系數(shù)。研究顯示DLC膜能否實現(xiàn)超滑與膜中的氫含量密切相關(guān)。如圖10所示，化學(xué)氣相沉積過程中，氣體氛圍中的氫含量越高

32、，生成的DLC膜的摩擦系數(shù)就越低。如果DLC膜里不含氫，即使在高真空下或者在惰性氣體保護(hù)下，摩擦系數(shù)依然很高。近年來，一些學(xué)者在氫氣氛圍下測量DLC膜的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)只要接觸區(qū)附近有足夠的氫氣，無論DLC膜里的氫含量有多低，總能實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)。這些實驗結(jié)果表明氫原子在DLC膜實現(xiàn)超滑的過程中起到關(guān)鍵作用。他們認(rèn)為氫原子與碳原子相結(jié)合并形成帶正電荷的滑移面，這些滑移面之間具有很弱的范德華力及很強(qiáng)的靜電斥力，從而導(dǎo)致很低的摩擦系數(shù)。圖10沉積過程中使用不同氫含量的氣體氛圍對應(yīng)的DLC膜的摩擦系數(shù)3.2液體超滑與固體潤滑劑相對的是液體潤滑劑。液體潤滑劑主要包括油基潤滑劑和水基潤滑劑兩種。對于油基

33、潤滑劑而言，其具有黏度大、黏壓系數(shù)高等特點，因此很容易在摩擦副表面之間形成流體潤滑。傳統(tǒng)的油基潤滑劑對應(yīng)的最低摩擦系數(shù)通常在0.010.05之間，主要是由于其黏度的限制。對于水基潤滑劑而言，其具有黏度低、黏壓系數(shù)小的特點，因此摩擦副表面之間往往以邊界潤滑或者混合潤滑的方式起到潤滑作用。由于水基溶液的黏度隨著壓力的增大幾乎沒有太大變化，所以在很高的接觸壓力下，水溶液仍然具有很好的流動性，這就給實現(xiàn)超低摩擦創(chuàng)造了條件。1987年，日本學(xué)者Tomizawa和Fischer發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷(Si3N4)在用水作潤滑劑的條件下，經(jīng)過一段磨合期，其最后的摩擦系數(shù)小于0.002，這是首次發(fā)現(xiàn)用水作潤滑劑可以實

34、現(xiàn)超滑，如圖11所示。隨后很多學(xué)者開始研究陶瓷水潤滑的體系，并發(fā)現(xiàn)其他類型的陶瓷，比如碳化硅陶瓷(SiC)、氧化鋁陶瓷(AI2O3)，在經(jīng)過磨合期之后也可以實現(xiàn)小于0.01的超低摩擦系數(shù)。相關(guān)實驗表明，陶瓷表面在磨合過程中會與水分子發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)5：這樣在摩擦副表面就形成了一層帶負(fù)電的硅溶膠。在電荷的作用下，硅溶膠表面會形成Stern層和雙電層。當(dāng)硅溶膠之間相互接觸時，其剪切強(qiáng)度很低，從而導(dǎo)致邊界潤滑的摩擦系數(shù)很小。并且由于液體動壓效應(yīng)的存在，在硅溶膠之間還會形成一層水膜。由于水的黏度很低，所以形成的流體動壓潤滑的摩擦系數(shù)也很小。因此，他們認(rèn)為陶瓷摩擦副形成超滑時位于混合潤滑區(qū)域(邊界潤滑和

35、流體潤滑)，這樣就可以實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)。圖11Si3N4/Si3N4摩擦副在水潤滑的條件下摩擦系數(shù)變化曲線及電導(dǎo)率曲線第二類具有超滑特性的水基潤滑劑是聚合物分子刷，即將高分子聚合物的極性端頭嫁接到表面上，長鏈的另一端漂浮在水中，形成一層“分子刷”，如圖12所示。由于長鏈能夠很好地伸展在溶劑中而不脫離表面，所以分子刷之間能產(chǎn)生很強(qiáng)的滲透壓力，并且在雙電層排斥力和色散力的作用下，聚合物之間的作用力場處于排斥力場范圍。在分子刷巨大的斥力作用下，即使在較高的壓力下(1MPa)，兩個表面仍然被分子刷分開，從而實現(xiàn)了0.001量級的摩擦系數(shù)。從20世紀(jì)90年代起，以色列學(xué)者Klein等用表面力儀對聚合物

36、分子刷的超滑特性進(jìn)行了大量的研究。他們發(fā)現(xiàn)，用水作為潤滑劑，帶電的聚合物(比如聚電解質(zhì))相比其他聚合物具有更好的潤滑特性，可以在壓強(qiáng)為0.3MPa的條件下實現(xiàn)小于00006的超低摩擦系數(shù)。他們認(rèn)為帶電聚合物形成的分子刷層里存在大量帶相反電荷的運動離子，這些離子產(chǎn)生的抑制分子刷之間相互貫穿的電勢就會比中性分子刷強(qiáng)很多，所以帶電分子刷之間的相互貫穿就能得到抑制，這就大大減少了能量耗散，從而降低了系統(tǒng)的摩擦阻力。但是，對聚合物分子刷而言，它只能在表面力儀上(低速低載荷)獲得超滑，在宏觀條件下(高速高載荷)很難實現(xiàn)超滑，因此它在機(jī)械系統(tǒng)上的應(yīng)用受到很大的限制。圖12受限在兩云母之間的帶電聚合物的潤滑示

37、意圖然而，如何在宏觀條件下(高速高載荷)實現(xiàn)液體超滑是一個難題，因為它既需要液體分子能夠在高壓下不被擠出接觸區(qū)，又要求液體分子具有很小的剪切強(qiáng)度。最近，我們課題組在宏觀液體超滑領(lǐng)域取得了一系列的進(jìn)展。如圖8所示，在載荷為3N(最大接觸壓力700MPa)，線速度為O057ms的條件下，用pH=15的磷酸溶液作為潤滑劑，在氮化硅和玻璃之間獲得了0004的超低摩擦系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)磷酸超滑的實現(xiàn)需要一個磨合過程，即從0s至0220s摩擦系數(shù)快速下降的過程(第一階段)和從220s到580s摩擦系數(shù)緩慢下降的過程(第二階段)。磨合期結(jié)束后，摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定在0.004。并且如果我們將氮化硅和玻璃摩擦副換成藍(lán)

38、寶石和藍(lán)寶石，這樣接觸壓力可以增加到1GPa，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷酸溶液仍然可以實現(xiàn)超滑。圖13磷酸溶液對應(yīng)的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線相關(guān)實驗表明磷酸超滑與溶液中的氫離子和磷酸與水分子之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)分析，我們建立了磷酸的超滑模型，如圖9所示。當(dāng)超滑出現(xiàn)時，接觸區(qū)是一種三層結(jié)構(gòu)，即stem層、具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的吸附膜和一層自由水分子層。Stern層的主要作用是連接氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和摩擦副表面；氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要作用是承擔(dān)載荷并保持水分子受限在接觸區(qū)；自由水分子層的主要作用是提供很低的剪切強(qiáng)度。這三層結(jié)構(gòu)各有各的作用，要想實現(xiàn)超滑，三者缺一不可。如果沒有stern層，即沒有第一階段的磨合，

39、那么摩擦系數(shù)最小只能到002；如果沒有氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(比如其他酸溶液)，那么摩擦系數(shù)最小只能到003；如果氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞，自由水分子層也會受到破壞，那么摩擦系數(shù)會升高到002以上。由此可知，這三層結(jié)構(gòu)對磷酸超滑的實現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用。圖13磷酸的超滑模型根據(jù)上述磷酸超滑模型，可以推斷超滑的實現(xiàn)至少需要滿足兩個條件：氫離子，它能夠吸附在摩擦副表面使表面帶電并形成stem層；氫鍵作用，它能夠形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并將水分子固定在接觸區(qū)里。因此如果能夠?qū)ふ页鲆环N新的水溶液，能同時滿足上述兩個條件，就有可能發(fā)現(xiàn)新的液體超滑材料。為了滿足第一個條件，酸溶液是最好的選擇，因為酸溶液中含有氫離子。然而目前

40、很難找到一種像磷酸一樣的酸能同時滿足第二個條件(分子上含有多個羥基可以形成氫鍵。為了滿足第二個條件，多羥基的水溶液，如乙二醇和丙三醇，是最好的候選者，因為其分子上含有多個羥基，存在較強(qiáng)的氫鍵作用，但是這些多羥基水溶液中都不含有氫離子。為此，我們提出了一種新的方法來同時滿足上述兩個要求，即將酸溶液與多羥基溶液按照一定的比例混合，這樣就可以同時滿足超滑的兩個條件。給出了4種不同的多羥基醇與3種不同的酸混合之后對應(yīng)的摩擦系數(shù)。相比這些多羥基醇本身的摩擦系數(shù)(不與酸混合)而言，不難發(fā)現(xiàn)這些多羥基醇和酸的混合能夠使摩擦系數(shù)減小一個數(shù)量級，進(jìn)而實現(xiàn)超滑。這樣，我們就建立了一個基于多羥基醇和酸混合溶液的新型

41、液體超滑體系6。除上述液體超滑之外，還有一類生物材料也具有超滑的特性，比如生物體中的某些器官、人體關(guān)節(jié)、人眼等。這主要是由于在這些器官之間存在各種不同的聚合物水溶液，它們能夠起到很好的潤滑效果。比如在人體關(guān)節(jié)中存在一種多糖聚合物透明質(zhì)酸，研究表明，其作為潤滑劑能夠在兩關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)0.003的超低摩擦系數(shù)。正是由于如此低的摩擦系數(shù)，我們走路才不會覺得關(guān)節(jié)酸痛。對某些患有關(guān)節(jié)病的人而言，由于關(guān)節(jié)潤滑不良，摩擦系數(shù)高，就會經(jīng)常造成關(guān)節(jié)酸疼。除此之外，某些植物體黏液也具有很好的潤滑效果，比如紅藻。Arad等利用從紅藻中提取的多聚糖溶液獲得了超滑。他們選擇氮化硅陶瓷和鋁片作為摩擦副，當(dāng)載荷為0.7N時，

42、最小的摩擦系數(shù)可以達(dá)到了0.003。與此同時，我們課題組發(fā)現(xiàn)了另一種水生植物(莼菜)的黏液也具有超滑的特性，其與玻璃表面之間的摩擦系數(shù)最小可以減少到0005。當(dāng)我們用手抓取時，會因為黏液表面特別滑而很難抓住。研究結(jié)果表明莼菜黏液中有很多層狀的納米級的薄片，如圖14所示。當(dāng)莼菜樣品在玻璃表面上運動時，黏液的最外層會吸附在玻璃表面上，而在黏液中，有大量的水分子通過氫鍵作用吸附在薄片上，并在其表面形成水合層。由于很強(qiáng)的氫鍵作用，這些水合水分子很穩(wěn)定，而且在高壓下很難被擠出來。當(dāng)莼菜樣品在玻璃板上滑動時，剪切發(fā)生在這些薄片之問。由于水合層具有很好的流動性，因此這些薄片之間的剪切強(qiáng)度很小，從而產(chǎn)生很低的

43、摩擦系數(shù)。圖14凍干燥后的莼菜黏液的掃描電子顯微鏡圖4.超滑的最新成果和研究納米科學(xué)技術(shù)( Nano-science and technology , Nano-ST)是面向21世紀(jì)的新科技，起現(xiàn)代科學(xué)包括(量子力學(xué)、介觀無理、混沌物理等)以及先進(jìn)技術(shù)包括(微電子技術(shù)、電子計算機(jī)、掃描隧道顯微鏡技術(shù)等)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是在納米尺度(0.1-100nm)上自然界現(xiàn)象中原子、分子行為和互相作用規(guī)律，旨在深化對客觀世界認(rèn)識的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出性能獨特的產(chǎn)品。納米科技使得人類在認(rèn)識和改造自然方面進(jìn)入到一個新的層次，能夠進(jìn)一步開發(fā)出物質(zhì)的潛在能力，因此，它的發(fā)展無疑將深刻影響國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的末來。目前

44、納米科學(xué)技術(shù)士要研究領(lǐng)域有：納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米摩擦學(xué)。納米摩擦學(xué)(Nano-tribology)是納米機(jī)械學(xué)的一個重要分支，它是在原子、分子尺度上研究摩擦、磨損和潤滑的行為和機(jī)理。而超滑（Super-lubricity）和超薄膜潤滑(Ultra-Film Lubrication)的研究是納米摩擦學(xué)的兩個前言課題7。4.1超滑在MEMS、納米機(jī)械中的應(yīng)用和成果隨著納米摩擦學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)研究的深入進(jìn)行，出現(xiàn)了各種新刑納米裝置(圖15)，超滑的研究近年來得到了廣泛的重視。所謂“超滑”指的是在干接觸條件下，摩擦系數(shù)在0.01以下的特殊固體潤滑

45、。這是一般固體潤滑達(dá)不到的(工程中廣泛使用的固體潤滑劑如石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等摩擦系數(shù)均在01以上)。由于超滑的這一特點，從而具有很高的應(yīng)用價值，特別是在減小MEMS及納米設(shè)備的摩擦磨損、提高其性能和壽命方面，超滑技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。自從1988年第一個微型靜電馬達(dá)誕生后，MEMS的研究受到了人們極大的關(guān)注，發(fā)展也很快，特別微型的傳感器、微型的光學(xué)器件已經(jīng)實用化。但對于含有驅(qū)動器的，即有相對回轉(zhuǎn)或移動動作的MEMS裝置，還存在相當(dāng)多的問題，其中一個重要的問題就是摩擦、磨損以及與其相應(yīng)的性能和壽命問題8。圖15新型納米機(jī)械(a)納米滑動軸承(b)由納米碳管組成的納米齒輪(c)納米內(nèi)存探

46、頭在宏觀世界里，如果一個物體沒有什么東西支撐著，就會掉下來，這是一個一般性常識。但在微觀世界里這個常識就不成立了。比如我們?nèi)庋劭床灰姷膲m埃，由于質(zhì)量很小，一直在空中游動著不會掉下來。這是由于尺寸微型化后，與尺寸三次方成正比的體積效應(yīng)(如重量、慣性力等)相對減弱，而與尺寸二次方成止比的表面效應(yīng)(如表面摩擦、散熱等)上升為主要地位。塵埃之所以不會掉下來，就是因為它與空氣分子間的摩擦力大到了可以與重力平衡。由于這個原因，即使在宏觀世界里能很好動作的機(jī)械，如果將其尺寸微型化，它可能就完全不會動，或由于效率很低而無法實用。微觀條件下，摩擦相對增大是由于與載荷大小無關(guān)而與表面積大小成正比的表面力相對增人的

47、緣故。表面力包括吸附液體的表面張力、摩擦產(chǎn)生的靜電力、吲體間的凝聚力及范德華等，其中范德華是無法避免的。范德華不同于離子鍵、共價鍵及金屬鍵產(chǎn)生的力，是中性分子也存在的一種弱電引力。根據(jù)表面力這一觀點，只要兩表面相互接近，就會產(chǎn)生表面力。表面力與接觸面上所旌加的法向載荷無關(guān)，即使不加載荷，只要表面相互接近，表面力也會使微觀表面產(chǎn)生變形，如果表面沿切向移動，也會產(chǎn)生摩擦力。因而在微觀下，我們所熟悉的Amontons法則，即摩擦力與接觸面積人小無夫，與法向載荷成正比的關(guān)系就不成立了。由于MEMS裝備的尺寸均在微米量級內(nèi)，因此，其中的摩擦問題和宏觀條件的摩擦問題完全不同?，F(xiàn)在的MEMS系統(tǒng)普遍存在著摩

48、擦大，摩擦磨損難以控制等問題所以減小MEMS裝置的摩擦磨損，對丁提高M(jìn)EMS裝置的性能和壽命都是十分有意義的，同時對于未來納米機(jī)械工業(yè)的發(fā)展也是非常有價值的。4.2超滑技術(shù)在芯片散熱方面的應(yīng)用及成果超薄膜是指分子級厚度的流體膜。本世紀(jì)倍受關(guān)注的微流體技術(shù)(Micro-fluidics Technology)的發(fā)展必須建立在對超薄膜特性正確、全面認(rèn)識的基礎(chǔ)上。所以對超薄膜輸運特性、邊界條件以及潤滑性能的基礎(chǔ)性研究有著及其深遠(yuǎn)的意義。微流體技術(shù)是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復(fù)雜流體的技術(shù)，是在微電子、徽機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起米的一門全新交叉學(xué)科。與微電子技術(shù)不同，它著重于構(gòu)建微流體

49、通道系統(tǒng)米實現(xiàn)各種復(fù)雜的微流體操縱功能。與宏觀流體系統(tǒng)類似，微流體系統(tǒng)所需的器件也包括泵、閥、混合器、過濾器、分離器等。但是與宏觀流體相比，微通道的尺寸顯得相當(dāng)微小，所以微通道中的流體流動行為與人們在日常生活中所見的宏觀流體流動行為有著本質(zhì)的差別，因此微泵、微閥、微混臺器、微過濾器、微分離器等微型器件往往都與相應(yīng)的宏觀器件差別甚大。近年來微流體技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在微電子，化學(xué)、醫(yī)藥及生命科學(xué)等領(lǐng)域上造成革命性的沖擊。早在60年代初期，們童半導(dǎo)體公司和英特爾公司的創(chuàng)始人Gordon Moore就曾預(yù)言：單片集成度將以18個月翻一番的速度增長。這一預(yù)言便是后來人們評價集成電路發(fā)展趨勢的穆爾規(guī)則。

50、在過去的30年中，半導(dǎo)體工業(yè)一直在試圖降低芯片的特征尺寸、提高芯片的集成度。目前013微米的加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于微處理器生產(chǎn)中，預(yù)計到2018年，70nm的加工技術(shù)將成為主流工藝。隨著微處理器運行頻率和集成度的不斷提高，芯片的能耗將不斷上升，如486微處理器丁作過程中所產(chǎn)生的熱量為4W，586為16W，國際半導(dǎo)體商預(yù)測，在下一個5年內(nèi)微處理器所產(chǎn)生的熱量將達(dá)到160W。隨著芯片的集成度和人們對芯片速度要求的不斷提高，使得芯片的發(fā)熱量快速增加。盡管芯片設(shè)計師們?yōu)榱私档托酒墓亩粩嘣O(shè)法降低其工作效率，但由于芯片使用頻率的大幅度增加，發(fā)熱量仍然有增無減，芯片的能耗不斷地增加，芯片功耗最終都必須

51、以熱能的形式釋放出來。芯片散熱不及時，這些熱量將以熱力學(xué)能的形式存儲在芯片內(nèi)部，從而使芯片溫度升高，輕則影響芯片穩(wěn)定工作，重則徹底毀壞芯片。可以說，芯片的散熱問題在一定程度上已經(jīng)限制了芯片性能的提高。因此，如何消除芯片工作過程所產(chǎn)生的熱量，降低芯片的溫度是芯片穩(wěn)定工作的基本條件。要在毫米甚至微米量級的器件尺度上把這樣高的熱量帶走是一個富有挑戰(zhàn)性的課題，其困難在于：首先，冷卻空氣的速率不能太高否則會產(chǎn)生聲學(xué)嗓音；其次，器件結(jié)構(gòu)小型化和緊湊性要求僅允許保留有限的空間用來冷卻流體；再次，由于器件的小型化，在模塊上安裝大容量熱沉(擴(kuò)展表面)是不合理的，同時也是不允許的；雖后低造價的原則要求盡可能地采用

52、塑料封裝芯片。而這又會增大芯片與模塊表面之間的導(dǎo)熱熱阻，將會使熱量主要聚集在基底材料上。微電子器件的性能和可靠性對溫度十分敏感，當(dāng)溫度在7080水平上每增加1，器件的性能和可靠性將下降5。正如Intel科學(xué)家Packan指出的那樣，若繼續(xù)按照Moore定律縮小芯片的尺寸并同時提高其性能。則硅基芯片將很快達(dá)到其熱力學(xué)極限。因此，微電子器件的冷卻問題早在80年代中期己成為國際微電子界和國際傳熱界的熱點”。當(dāng)今的電子部件需要更快的速度來完成工作任務(wù)，因此必須制造出更高性能的集成電路來滿足這一需求。這些高速電路會產(chǎn)生大量熱量從而可能使得電路超過它的允許溫度。為了解決這一問題，Tuckerman and

53、 Pease在1981年提出了微流管散熱。微流管散熱器以一種相當(dāng)簡單的方式運行，多重微流管制造在電子部件基地的背面，通過強(qiáng)制對流，這些電子部件產(chǎn)生的熱量被傳遞到冷卻液。流管的微小尺寸導(dǎo)致了熱邊界層厚度的下降，這導(dǎo)致了熱傳遞的對流阻抗的下降，從而達(dá)到一個高的制冷率9。圖16附著在P4socket478 CPU散熱片上的微流管吸熱器（a）（b）圖17流管系統(tǒng)制冷的工作原理圖16為附著在P4socket478 CPU散熱片上的微流管吸熱器，通過液體從吸熱器流回到散熱片，傳遞熱量到空氣中，然后流入安置在散熱片下面的微泵，微泵驅(qū)動液體流回微流管吸熱器，完成一個封閉循環(huán)。圖17為微流管系統(tǒng)制冷的工作原理，

54、對于高熱量半導(dǎo)體的微流管冷卻循環(huán)系統(tǒng)包括三個部分，刻蝕在硅芯片上的微流管吸熱器帶走吸取由芯片產(chǎn)生熱量的流體；然后流體到達(dá)散熱器，在這里熱量傳到空氣中，最后冷卻的液體同到動電式微泵，由微泵推回到微流管吸熱器，形成一個封閉的回路，從而實現(xiàn)連續(xù)制冷。4.3超滑最新成果一（超薄膜潤滑機(jī)理）在納米尺度下，潤滑體的邊界條件不再是無邊界條件(no-slip boundary condition)，Koplik等進(jìn)行了移動接觸線的模擬，發(fā)現(xiàn)了兩種液體間發(fā)生了很大程度的滑移。Magda等等通過模擬簡單硬球模型，BiZsanis等模擬長鏈和多分子。Ribarskyt模擬烷烴，都發(fā)現(xiàn)了在超薄膜壁面附近出現(xiàn)層狀有序化

55、現(xiàn)象。對于平板之間超薄膜潤滑體的模擬在很多研究中都出現(xiàn)了流動滑移條件研究發(fā)現(xiàn)增加固液作用比可以導(dǎo)致粘滯層的出現(xiàn)，降低固液作用比可以產(chǎn)生更大的滑移長度增加壓力或者減小溫度能增加層狀有序的結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致滑移長度的減小。Tompson和Torian發(fā)現(xiàn)在某些條件下，滑移長度和滑移剪切率有關(guān)系，推導(dǎo)滑移長度和剪切率的通用關(guān)系式10。Bitsanis等研究了結(jié)構(gòu)有序化和粘度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在薄膜厚度h>4的時候。能夠使用體態(tài)的粘度，然而在h<4的時候，粘度迅速增加發(fā)散，體態(tài)粘度不再適用。Gee和Granick等利用配有側(cè)向測量機(jī)構(gòu)的表面力儀，對薄膜的流變特性進(jìn)行了研究，研究表明：等效粘度隨膜厚的降

56、低而明顯上升，在薄膜狀態(tài)下，其值的大小比體態(tài)時高幾個數(shù)量級；隨著膜厚進(jìn)入分子量級，即使在體相狀態(tài)下表現(xiàn)為典型牛頓流體的物質(zhì)，處于薄膜狀態(tài)時，在較低剪應(yīng)變率下就會出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，因此，認(rèn)為薄膜流體的松弛時間明顯增大，可比體相狀態(tài)高幾個數(shù)量級；薄膜潤滑狀態(tài)下，流體呈現(xiàn)出彈性特征。還對臨界剪應(yīng)力和壁面間液體的“類同性”(Solid-1ike)進(jìn)行了探討，認(rèn)為：壁面問液體轉(zhuǎn)化為類固體不一定要較大的壓力：類固態(tài)出現(xiàn)在室溫，而不是由于溫度達(dá)到凝固點。無論凝同時結(jié)晶與否的液體都出現(xiàn)類固態(tài)；臨界剪切力隨時間而增大，不是由于接觸面積的增加而產(chǎn)生的，而是一種分子的重構(gòu)，即認(rèn)為類固態(tài)的山現(xiàn)是一種典型的膜厚效應(yīng)。國

57、內(nèi)，清華大學(xué)摩擦學(xué)重點實驗寶對于：超薄膜潤滑機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，胡元中等等采用簡單的球形分子模型對壓力流和剪切流，以及采用珠簧模型對癸烷和十六烷的剪切流等進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，揭示了液體潤滑劑在納米薄膜中的性質(zhì)變化。雒建斌認(rèn)為在薄膜潤滑狀態(tài)下，油膜除了吸附膜和流體膜外，還存在兼有流體膜和吸附膜二者性質(zhì)的有序液體膜。提出了薄膜潤滑動態(tài)物理模型，即有序液體模型。鄒鯤等應(yīng)用表面力儀，對十六烷的超薄膜特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：在超薄膜狀態(tài)下，流體的等效粘度及彈性剪切模量隨膜厚的減小而明顯增大；十六烷在較低剪應(yīng)變率下出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象；隨著膜厚從宏觀厚度向超薄膜變化，十六烷從牛頓流體逐漸轉(zhuǎn)化為粘彈體；有些潤

58、滑劑的膜厚隨持續(xù)剪切時間的增加而增加，呈現(xiàn)剪切時間效麻：不同膜厚下，摩擦力隨剪切速度的變化呈非線性關(guān)系等。張朝輝等基于連續(xù)流體理論進(jìn)行了微極流體模擬、耦合應(yīng)力與二相流分析和邊界滑移潤滑方程的求解，分別分析了薄膜潤滑性能。指出：有序分子膜的存在其作用相當(dāng)于增加潤滑劑的粘度，因而增加了膜厚、提高了承載能力，且膜厚隨載荷變化較平穩(wěn)；增加固體顆粒濃度可使?jié)櫥瑒┑奶卣鏖L度增加，從而改善其潤滑性能：邊界滑移將使壓力波動、膜厚減小，降低承載能力等。4.4超滑最新成果二（有序分子膜）超滑技術(shù)與潤滑摸的有序性密切相關(guān)。有序分子膜具有制備簡便、性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)低、厚度可控、與基體結(jié)合性能好等特點，特別是一些高分子或具有極性端頭的太分子優(yōu)點更為突出。目前有序分子超薄膜按成膜機(jī)理的不同可分為以下六種類型：即Langmuir-Blodgetl (簡稱：L-B)膜、自組裝膜(self-assembled monolayers，簡稱：SAMs)、分子沉積