工程摩擦学大作业题目：超滑技术的研究发展和成果概述姓名：冯新安班级：机械硕6007班学号：3116058010完成日期：2016年12月10日星期六目录摘要11.超滑现象的概念和研究背景22.超滑的机理分析32.1超滑机制的研究发展过程52.1.1超流52.1.2 超滑62.1.3超动滑动72.1. 4高分子聚合膜的分子刷理论92.2 超滑机理讨论92.2.1超滑的定义93.超滑的研究发展和类型114.超滑的最新成果和研究204.1超滑在MEMS、纳米机械中的应用和成果214.2超滑技术在芯片散热方面的应用及成果224.3超滑最新成果一（超薄膜润滑机理）254.4超滑最新成果二（有序分子膜）265.超滑的应用前景26参考文献26超滑技术的研究发展和成果概述作者：冯新安 指导老师：曾群锋摘要随着工业迅速发展，能源消耗的大幅增长与资源匮乏之间的矛盾日趋严重，因此，提高能源利用效率就显得非常重要。摩擦是消耗能源的重要途径之一，而超滑技术的出现能够大大提高运动系统的能源利用效率。超滑作为摩擦学的一个新领域，通常指两个物体表面之间的滑动摩擦系数在0001量级或者更小的润滑状态。自从20世纪90年代初提出超滑概念，它就吸引了摩擦学界、机械学界、物理学界和化学界研究者的广泛关注。他们一方面从理论上研究超滑的产生机理，另一方面从实验上探索超滑材料的特性。在过去的20年里，关于超滑的研究已经取得了很大的进展。本文将阐述超滑现象的概念、超滑的研究背景、机理、类型、发展、应用背景及其最新成果等，介绍国内外超滑技术的最新研究进展，并对未来超滑技术的应用进行展望。关键词：摩擦；超滑；超滑机理；液体超滑剂；超滑成果1.超滑现象的概念和研究背景在机械系统中，包括动力单元(电机、发动机等)、连接机构(螺旋副连接、搭接、销接等)、传动机构(轴承、齿轮、液压阀门等)和执行机构(抓取、切削、模压等)，广泛存在着零部件之间的摩擦和磨损。这些摩擦和磨损会造成大量的能量损耗和机械零部件的失效，从而影响机械设备的使用效率和寿命。更为严重的是，当出现润滑失效和过度磨损时，还会造成恶性的机械事故。据统计，摩擦消耗掉全世界13的一次性能源，约有80的机械零部件都是因为磨损而失效，而且50以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效。在大多数发达的工业国家，比如美、日、英、德等，每年与摩擦和磨损相关的能量耗散和材料损失费占到整个国民生产总值的27，而在中国，每年因摩擦磨损造成的损失占国民生产总值的4.5。按中国2013年国民生产总值58万亿元计算，中国2011年摩擦磨损造成的损失约为26万亿元。因此，在当前中国的能源缺口越来越大，装备制造业在国民经济中的作用越来越强的情况下，改善机械零件之间的摩擦状态并有效降低摩擦系数就显得尤为重要，这对中国走新型工业化道路、建设循环经济、实现节能减排的发展战略具有十分重要的现实意义。超滑技术就是目前解决上述摩擦磨损问题的一个重要手段。超滑是指两个表面之间的摩擦力接近零的润滑状态，它最早由两位日本学者Hirano和 Shinjo在20世纪90年代初提出。在此背景下, 提出的超滑和零磨损概念, 引起了摩擦学、 机械学、 物理学和化学等各界研究学者的关注。超滑是实现摩擦因数为零的润滑状态。 但是, 一般认为摩擦因数在0.001 量级或更低时的润滑状态即为超滑态。 对超滑技术和机理进行深入的研究, 不但对探索润滑和摩擦的本质具有很大的意义, 而且也是对润滑理论体系的一种丰富。因此，从理论上来说，超滑可以实现近零摩擦和近零磨损。但是实际上，由于摩擦系统各种因素的干扰和测量极限的限制，通常将摩擦系数到达0001量级或更低时的润滑状态称之为超滑，如图1所示。这里做一个比较，冰的表面的摩擦系数通常在002左右，润滑油的摩擦系数通常在005左右，由此可知，超滑对应的摩擦系数比常规润滑剂的摩擦系数要小一个数量级以上。由于超滑对应的摩擦系数非常小，所以超滑能够显著地提高润滑效率，节约能源和资源。随着现代机械科学的发展，许多高新技术装置如微电子设备、微型机器人、生物医疗微型器械等的摩擦副间隙常处于纳米量级，从而使表面力、润滑分子间的作用力对摩擦力的影响相对于传统机械中的体积力而言显得非常突出，于是传统的润滑理论已经无法满足现代纳米机械发展的需求，而超滑则成为了精密仪器最理想的运行状态1。图1 摩擦系数与超滑之间的关系2.超滑的机理分析随着现代机械科学的发展, 出现机电一体化、 超精密化和微型化的趋势, 许多高新技术装置如微电子设备、 微型机器人、 生物医疗微型器械等的摩擦副间隙常处于纳米量级。 由于它们具有质量轻（毫克量级）, 载荷小（微克量级） , 表面比大, 间隙小（纳米量级） 等特点, 从而使表面力、润滑分子间的作用力对摩擦力的影响相对于传统机械中的体积力而言显得非常突出。在此背景下, 提出的超滑和零磨损概念, 引起了摩擦学、机械学、物理学和化学等各界研究学者的关注。超滑是实现摩擦因数为零的润滑状态。但是, 一般认为摩擦因数在0. 001 量级或更低( 与测试干扰信号同一量级) 的润滑状态即为超滑态。 对超滑技术和机理进行深入的研究, 不但对探索润滑和摩擦的本质具有很大的意义, 而且也是对润滑理论体系的一种丰富。超滑机理的研究发展和超滑润滑材料的研制成功, 将为人们逐渐地摆脱摩擦和磨损的束缚以及现代高新技术装备和纳米技术的发展提供可能。超滑概念提出后, 国外已有一部分摩擦学家、 物理和化学家投身到超滑机理和技术的研究中去。一方面从理论上研究超滑的产生条件和存在机理,另一方面进行超滑材料的配置研究和超滑态的存在条件研究。这两方面都已取得了初步进展。2.1超滑机制的研究发展过程目前超滑的产生机制有四种: 一是处于宏观量子态的低温超流问题; 二是特定对偶面和特定滑移方面的超滑问题; 三是高速剪切导致润滑剂分子有序排列而出现的超动滑动问题; 四是高分子膜造成的界面斥力场而出现的超滑问题2。2.1.1超流超流现象先是由卡皮察于 1938 年在一次低温实验中发现液氦（He） 在 2.17K 以下时出现无摩擦的流动现象。 在 2.17K 时发现盛在陶瓷容器中的超流氦会象水经过滤网一样漏出来。盛在玻璃容器中的超流氦会沿容器的壁“ 爬” 出容器。Kubota最新研究表明临近固体表面的是一层正常流体, 而超流层仅仅是正常流体最外层的厚度为零点几纳米的薄层, 如图2所示。 从而纠正了人们普遍认为的超流层是最临近固体而且比较厚的想法。超流的机理是玻色子在低温下会发生玻色凝聚现象, 大量的离子都会处于同一最低的能态上。当有宏观量级的离子处于这一能态时, 这个态的量子性质就表现为宏观量子效应。于是, 处于最低能态的离子构成的流体就是超流体。而在基态上发生了元激发的流体就是正常流体。如图 3 所示, 一宏观物体 M 在超流体中以初速度 v 运动。如果有摩擦阻力, 必然产生能量和动量的变化。在激发一个动量为p 的元激发后, M 的速度为 v 1 , 根据能量和动量守恒定律可知两式联立, 消除 v 1 得M 相对很大, 最后一项可以忽略。设 p 与 v 之间的夹角为 , 于是有图2 液氦超流模型图3 超流模型由于液体处于宏观量子态, 能量不连续, 存在一个势垒, 即存在一大于 0 的最小值。当传递给宏观量子态的液体一个小于 最小值的能量时,不会引起该液体的能量变化。也就是说物体M 存在一临界速度 V c = / p min 。 当运行速度v 小于V c时, 其在宏观量子态的液体中运行时所传递给该液体的最大能量小于 最小值, 元激发动量 p 就不能产生, 于是液体的动量就不发生变化, 即能量和动量守恒定律就不成立。于是, 物体 M 在运动过程中本身的动量和能量不发生变化, 即无摩擦阻力。 对于液氦, V c 为 58m/ s。由此可见存在超流的条件为3:（1）存在宏观量子态;（2）元激发的能谱应大于 0。超流现象发现后, 引起了物理学界的广泛关注。先后有几位从事该方面研究的科学家获得了诺贝尔奖。但是, 由于超流是低温下出现的特性, 一直无法应用于工程中, 特别对摩擦学领域而言, 目前很难对其实用价值进行评述。2.1.2 超滑超滑是由日本Hirano 和Shinjo 于 1991 年根据宏观力学的理论通过计算而提出的。他们指出按照一定规律排列的两个晶体表面作相对运动时, 由于分子间力的弱作用和时效作用, 在特定匹配对偶面和滑动方向条件下, 摩擦阻力为零, 即处于超滑态, 见图4。其超滑条件为4: （1）准静态; （2）弱粘附力;（3）接触面不相适程度大;（4）存在出现超滑的特定方向（如塑性变形中的滑移方向）。在一些实验中, 如采用云母、 高真空下特定滑移方向的二硫化钼, 高取向热解石墨作摩擦副; 已观察到沿特定方向滑移时, 摩擦因数迅速减少（MoS 2 在真空下摩擦因数小于 0. 001）的现象。Hirano 等人在 1993 到 1997 年间, 运用晶体结构和表面能的理论对二硫化钼等固体润滑剂的超滑现象作了有益的探索。他们用扫描隧道显微镜观察到净洁的 Si（001）面与探头表面 W（011）之间摩擦力消失的现象, 从而证明在强粘附力作用下, 加载表面间仍然存在摩擦力消失的现象。遗憾的是由于其实验精度不太确切, 他们的研究结果未得到世人的公认。另外,在两接触面最不匹配的情况下是否会发生摩擦力为零的超滑现象是摩擦学界乃至物理学界正在关注的问题。特别是实验验证方面尚需做大量的工作。对偶滑移晶面原子分布, 晶格的不适应角 为 45图 4滑动动量随位置和滑移方向的变化情况2.1.3超动滑动超动滑动是由 Yoshizawa 和 Israelachvili于1993年提出的。他们用 DHDAA( 双十六烷基二甲基醋酸铵) 在表面力仪上进行实验, 当发现滑动速度V V c 时, 出现粘- 滑现象, 当 V V c 时, 粘- 滑现象消失, 见图5（a） 。 若速度进一步提高, 摩擦力突然降低并趋于 0, 即出现超动滑动现象。 实际上观察到DHDAA 在相对湿度Hr 为 100%时, 摩擦因数达到0. 0005, 见图 5（b） 。Yoshizawa等人将此现象推测为润滑分子从咬合状态转变为分离态有序排列而造成的, 见图 5（c）。但是, 这种分子作用状态的转变机理尚不清楚, 而且还没有得到实验的验证。另外, 对于非直链分子是否存在超动滑动?如何从咬合状态转变为分离态有序排列还有待于进一步研究。图 5DHDAA 单分子层摩擦力随工况变化情况2.1. 4高分子聚合膜的分子刷理论从 1982 年以来, Jacob Klein 等人一直在研究表面力的问题, 1994 年他们在表面力仪上采用高分子聚合膜（带极性端头的聚苯乙烯）进行实验。这种高分子聚合膜的极性端头以植入基体表面的方式或以吸附的方式与基体表面形成比较牢固的表面膜, 长链漂浮在甲苯液中, 形成一层“ 分子刷” ,并会发生伸展而不脱离基体。分子刷之间只能产生有限的相互渗透, 并且在双电层排斥力和色散力的作用下, 两聚合物间的作用力场处于排斥力场范围。而此作用力场与所采用的高分子的结构、 极性、 柔性和溶剂等有关。 当选择合适时, 斥力场可达分子团半径的 615倍即几百纳米如图 6 所示（图中 R g 为分子团的等效半径） 。 斥力随云母片间距离的减小而迅速增大。 由于分子刷层间巨大的排斥力, 使两个云母片保持隔离, 便于自由滑动, 于是在较高的