正壓力對石墨超潤滑的影響及基于石墨超潤滑異質(zhì)性結構的摩擦學研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)中的摩擦磨損問題不僅嚴重制約其性能和使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟損失和資源消耗，還限制了微納米技術的發(fā)展。降低界面摩擦以及使用低摩擦系數(shù)材料將是解決這些問題的可行途徑之一。結構超潤滑概念由Hirano和Shinjo于1990年首次提出，指的是兩個原子級光滑非公度表面接觸形成的超低摩擦狀態(tài)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，研究者可以在大氣環(huán)境、宏觀尺度及高速條件下實現(xiàn)超潤滑，使得其應用在MEMS中變?yōu)榭赡?。以往對于微米尺度下石墨超?/p>

2、滑的研究很少涉及正壓力的影響。而在同時測量兩個表面之間的法向載荷和摩擦力的情況下，先前的實驗方法限于納米尺度（通過使用常規(guī)或修飾原子力顯微鏡探針與表面接觸）和宏觀尺度（摩擦磨損儀:pin-on-disk或者ball-on-disk）。為了深入理解石墨超潤滑的機制，需要建立一種能在微米尺度下同時測量兩個單晶石墨表面之間的正壓力和摩擦力實驗方法;基于此開展正壓力對石墨超潤滑的影響的研究。該研究不僅闡明石墨超潤滑的機理，還有助于促進MEMS的

3、制造進程。此外，應用基于超潤滑材料的異質(zhì)性結構（即兩個不同材料表面的結構）在系統(tǒng)的零部件是一個必然的趨勢，尤其是在硬盤驅(qū)動器新技術—“接觸模式”技術上。以往鮮有系統(tǒng)地研究該結構的摩擦磨損行為。因此，為了盡快使得接觸式硬盤能夠?qū)崿F(xiàn)，亟需進行系統(tǒng)地探索該結構的摩擦學。
　　本文系統(tǒng)地研究正壓力對石墨超潤滑的影響以及基于石墨超潤滑異質(zhì)性結構的摩擦磨損行為。首先，基于現(xiàn)有的商用原子力顯微鏡，耦合一個物鏡和一個可看到頭的探針，實現(xiàn)實時觀測樣

4、品移動并測量正壓力及摩擦力。該方法可準確測量石墨超潤滑表面之間的摩擦力在正壓力變化4個數(shù)量級的范圍內(nèi)（20nN至15μN）。其次，分析了在可施加壓力的實驗條件下(高達1.67MPa)石墨超潤滑特性跟法向載荷無關。在此基礎上改變溫度條件，獲取溫度變化對石墨超潤滑表面之間的摩擦力的影響，進一步探究石墨超潤滑的摩擦來源。最后，通過同時測量正壓力和摩擦力的方法以及兩種磨損表征手段揭示了基于石墨超潤滑的異質(zhì)性結構的摩擦磨損行為。本論文通過系統(tǒng)地研

5、究正壓力對石墨超潤滑的影響以及基于石墨超潤滑的異質(zhì)性結構的摩擦磨損行為，獲得以下主要結果及創(chuàng)新點:
　　(1)在微米尺度下成功地實時觀測并同時準確測量兩個石墨超潤滑表面之間的正壓力及摩擦力
　　本文通過使用一個放大倍數(shù)物鏡和一個特殊的懸臂梁耦合在一臺商用原子力顯微鏡，建立一個實驗方法能在微米尺度下實時觀察和精確地測量單晶石墨體系滑動過程中的正向載荷和側(cè)向力。另外，本文還揭示出原子力顯微鏡懸臂梁剛度的原位標定方法通過磁懸浮系統(tǒng)

6、。該方法為后續(xù)進行研究正壓力對石墨超潤滑的影響打下了基礎。此外,該方法提供一種有效的手段能在微米尺度下實時進行觀測并同時測量層狀材料表面之間的摩擦力和法向載荷。。
　　(2)揭示了兩個原子級光滑非共度單晶石墨（石墨超潤滑）表面之間的摩擦力隨正向載荷增加的演變規(guī)律
　　通過上面所述的方法，成功地測量在正壓力變化4個數(shù)量級的范圍內(nèi)（20nN至15μN）微米級石墨超潤滑表面之間的摩擦力。研究表明，隨著正壓力的增加石墨超潤滑特性仍然

7、保持(可施加壓力的范圍高達1.67MPa)。對于每一個樣品，當正壓力增加時，摩擦力保持基本不變并且卸載后石墨薄片仍然可以實現(xiàn)自回復運動。此外，實驗結果顯示在室溫條件下不同的樣品（均3×3μm2的尺寸）有不同的摩擦力。因此，本文還進行分析和驗證了不同樣品的摩擦力分散性結果。研究結果表明，在高溫情況下(150℃以上)，因水帶來的吸附物（分布在石墨島的邊緣）幾乎不存在，因此不同樣品的摩擦力都很一致?？梢?，石墨超潤滑的摩擦力主要來自于吸附物并且

8、高溫可以消除該影響。該研究為制造微米器件提供了新的途徑。
　　(3)揭示出基于石墨超潤滑異質(zhì)性結構（石墨超潤滑與其他材料互相滑動）的摩擦磨損行為
　　通過上述的測量方法研究了基于石墨超潤滑的異質(zhì)性結構（石墨超潤滑與類金剛石的接觸）在不同溫度條件下的摩擦磨損行為。研究表明，石墨超潤滑在類金剛石表面多次滑移后的摩擦幾乎不變。該結果初步證明了石墨超潤滑與類金剛石表面互相滑動后幾乎沒有磨損的特性。本文還通過原子形貌圖和拉曼光譜分析進

9、行磨損表征。研究結果表明，石墨超潤滑和類金剛石表面多次相互滑動后沒有明顯的磨痕。該結果初步證實了基于超潤滑石墨/類金剛石異質(zhì)性結構是一個有很大應用前景的超耐磨結構。此外，本文還研究了兩個原子級光滑物理（石墨島）和化學（云母）表面之間的摩擦行為。研究結果指出，在大氣環(huán)境下該結構很難保持超低摩擦特性。
　　本論文的主要結果為微米尺度單晶石墨界面之間的摩擦行為以及基于石墨超潤滑異質(zhì)性結構的摩擦磨損行為提供了新的理解。該結果能為石墨體系結