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第一部分 实验和理论分析装置与方法3

第1章 绪论3

1.1 纳米科学技术的发展3

1.2 摩擦学发展的历史回顾6

1.3 纳米摩擦学研究7

参考文献10

第2章 实验测试与分析仪器12

2.1 引言12

2.2 表面力仪13

2.3 扫描隧道显微镜18

2.4 原子力显微镜21

2.5 非接触式原子力显微镜23

2.6 摩擦力显微镜25

2.6.1 摩擦力显微镜的工作原理25

2.6.2 摩擦力显微镜的载荷和摩擦力标定26

2.6.3 摩擦力显微镜的应用29

2.7 纳米压／划痕仪31

2.7.1 纳米压痕仪31

2.7.2 纳米划痕仪34

2.8 纳米润滑膜厚度测量技术38

2.9 其他分析测试设备简介41

2.9.1 微观结构分析设备41

2.9.2 化学成分分析仪器43

2.9.3 表面三维轮廓仪45

2.9.4 石英晶体微天平47

参考文献48

第3章 分子动力学模拟技术52

3.1 基本原理与应用52

3.2 平衡态分子动力学模拟55

3.3 宏观特性统计与控制56

3.3.1 系统控制方法57

3.3.2 宏观量的统计提取方法59

3.4 柔性大分子动力学模拟60

3.5 非平衡态分子动力学模拟61

参考文献63

第二部分 摩擦学基础理论69

第4章 摩擦表面形态69

4.1 引言69

4.2 固体结构与表面特征69

4.2.1 固体结构特征69

4.2.2 固体表面特征72

4.3 接触表面形态73

4.3.1 金属磨损表面形态特征74

4.3.2 陶瓷磨损表面形态特征75

4.3.3 聚合物磨损表面形态特征76

4.3.4 单晶硅磨损表面形态特征77

4.4 加工表面的机械性能78

4.5 表面润湿与吸附80

4.5.1 黏附能与表面润湿性80

4.5.2 物理吸附与化学吸附81

参考文献82

第5章 摩擦物理与摩擦化学84

5.1 引言84

5.2 摩擦物理84

5.2.1 物理磨损84

5.2.2 摩擦闪温88

5.2.3 摩擦辐射92

5.2.4 摩擦起电98

5.3 摩擦化学102

5.3.1 吸附102

5.3.2 摩擦扩散106

5.3.3 摩擦化学反应108

5.3.4 摩擦膜111

参考文献114

第6章 黏着现象与表面接触118

6.1 引言118

6.2 固体黏着现象118

6.2.1 磨损中的黏着现象118

6.2.2 黏着摩擦理论119

6.2.3 摩擦中的黏滑现象120

6.3 界面黏着能与表面力122

6.3.1 分子间作用力122

6.3.2 表面间力与表面能、界面能123

6.4 固体表面接触124

6.4.1 Derjaguin近似124

6.4.2 经典接触模型124

6.5 有关黏着的其他问题128

6.5.1 粗糙度对黏着的影响128

6.5.2 毛细力对黏着的影响129

6.5.3 液下的固-固黏着130

6.6 液体与固体的接触132

6.6.1 宏观液滴与固体的接触132

6.6.2 液体铺展与聚集133

6.6.3 固液吸附膜136

参考文献137

第三部分 微观摩擦、微观磨损和薄膜润滑141

第7章 微观摩擦141

7.1 引言141

7.2 从宏观摩擦到微观摩擦141

7.3 微观摩擦与表面形貌144

7.4 微观摩擦的影响因素149

7.4.1 气体吸附的影响149

7.4.2 犁沟效应150

7.4.3 材料特性的影响151

7.4.4 黏着效应155

7.4.5 载荷的影响158

7.4.6 速度的影响160

7.4.7 湿度的影响163

7.4.8 温度的影响164

7.4.9 电磁场的影响166

7.5 黏滑168

7.5.1 粗糙表面模型169

7.5.2 与长度相关的模型170

7.5.3 与速度相关的模型171

7.5.4 相变模型171

7.5.5 黏滑的临界速度172

7.6 零摩擦状态173

7.6.1 零摩擦的定义173

7.6.2 多维摩擦系统的零摩擦173

7.6.3 超滑在原子尺度的观察175

参考文献181

第8章 微观磨损185

8.1 引言185

8.1.1 微机电系统与纳米制造中的微观磨损问题185

8.1.2 微观磨损的研究方法186

8.1.3 微观磨损的研究进展187

8.2 纳米压痕与纳米硬度192

8.2.1 纳米硬度与显微硬度的对比193

8.2.2 单晶硅的纳米压痕行为196

8.2.3 其他材料的纳米压痕行为198

8.3 单晶硅的微观磨损及其损伤机理研究200

8.3.1 单晶硅的机械磨损200

8.3.2 单晶硅的摩擦化学磨损205

8.4 单晶硅的切向纳动217

8.4.1 单晶硅切向纳动的运行规律218

8.4.2 单晶硅切向纳动的损伤特征222

8.4.3 DLC薄膜对单晶硅的切向纳动防护226

8.5 径向纳动228

8.5.1 典型微机电系统材料的径向纳动228

8.5.2 薄膜表面的径向纳动229

8.6 镍钛形状记忆合金的微观磨损研究233

8.6.1 镍钛合金的压痕硬度与微观磨损233

8.6.2 镍钛合金的切向纳动239

参考文献241

第9章 分子膜与边界润滑244

9.1 边界润滑244

9.2 分子膜的形成245

9.3 边界分子膜的流变性能245

9.4 物理形态与相变247

9.5 有序分子膜248

9.5.1 LB膜249

9.5.2 自组装膜250

9.6 分子膜的摩擦特性251

9.6.1 自组装膜的摩擦特性251

9.6.2 磁头／磁盘系统中的分子膜润滑253

参考文献255

第10章 薄膜润滑257

10.1 薄膜润滑的提出257

10.2 润滑状态的转化258

10.2.1 润滑状态的划分258

10.2.2 弹流润滑向薄膜润滑的转化259

10.2.3 薄膜润滑向边界润滑的转化260

10.3 薄膜润滑的机理264

10.4 薄膜润滑的特性265

10.4.1 接触区膜厚曲线的形状265

10.4.2 润滑剂黏度对薄膜润滑的影响265

10.4.3 滑滚比对薄膜润滑的影响266

10.4.4 固体表面能对薄膜润滑的影响267

10.4.5 薄膜润滑的摩擦特性268

10.5 薄膜润滑的时间效应269

10.6 水基乳化液润滑下的薄膜润滑271

10.7 薄膜润滑的理论计算274

参考文献275

第11章 纳米表面工程和纳米粒子添加剂277

11.1 引言277

11.2 纳米表面工程277

11.2.1 纳米硬膜技术277

11.2.2 纳米薄膜润滑技术279

11.3 纳米粒子添加剂282

11.3.1 单质纳米颗粒283

11.3.2 纳米硫化物与纳米氧化物285

11.3.3 纳米无机盐287

11.3.4 纳米微球288

参考文献289

第12章 纳米生物摩擦学293

12.1 引言293

12.2 生物材料微观结构与性能的构性关系293

12.2.1 人体天然组织的构性关系293

12.2.2 动植物材料微观构性关系302

12.3 牙齿在磨损过程中的晶粒细化及其损伤自修复308

12.3.1 人牙牙釉质微观摩擦磨损行为研究308

12.3.2 纳米划痕前后羟基磷灰石颗粒的尺寸变化情况312

12.3.3 人工唾液再矿化对受损牙釉质表面HA颗粒的修复研究313

12.4 指甲摩擦学性能的各向异性及其损伤自修复314

12.4.1 指甲微观结构的机械性能314

12.4.2 指甲的变形恢复特性320

12.4.3 角蛋白材料损伤自修复326

12.5 仿生摩擦学328

12.5.1 仿生摩擦学概述329

12.5.2 人体仿生学329

12.5.3 动植物仿生研究331

参考文献333

第四部分 纳米摩擦学的工程应用339

第13章 MEMS中的纳米摩擦学339

13.1 MEMS中的纳米摩擦学问题339

13.1.1 黏着问题339

13.1.2 摩擦问题342

13.1.3 磨损问题345

13.2 MEMS中的抗磨减摩设计350

13.2.1 MEMS的抗黏设计350

13.2.2 MEMS减摩耐磨设计355

13.2.3 MEMS减摩耐磨进展358

参考文献362

第14章 仿生工程中的纳米摩擦学364

14.1 引言364

14.2 荷叶的超疏水性364

14.2.1 超疏水现象364

14.2.2 超疏水理论365

14.2.3 自清洁理论366

14.2.4 疏水表面制备368

14.3 壁虎的超黏特性369

14.3.1 壁虎卓越的爬行能力369

14.3.2 基于范德华作用力的壁虎刚毛黏附机理369

14.3.3 细分原理在壁虎刚毛仿生表面中的应用373

14.3.4 可控黏／脱附的最新进展374

参考文献377

第15章 纳米摩擦学在微纳制造中的应用381

15.1 引言381

15.2 微纳制造技术及其面临的摩擦学问题381

15.2.1 微纳制造的发展及应用381

15.2.2 微纳制造技术中的摩擦学问题386

15.3 微切削与纳米加工388

15.4 纳米抛光391

15.4.1 纳米抛光概述391

15.4.2 CMP的组成及其原理393

15.4.3 典型的CMP材料去除模型396

15.4.4 CMP的实验和仿真研究进展399

15.4.5 CMP的展望403

15.5 纳米压印与纳米铸造405

15.5.1 纳米压印与纳米铸造的原理和工艺要素405

15.5.2 纳米压印与纳米铸造技术新进展406

15.5.3 纳米压印与纳米铸造的技术挑战与趋势410

参考文献414

第16章 摩擦诱导纳米加工418

16.1 引言418

16.2 单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的加工规律419

16.2.1 单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构形成的临界载荷419

16.2.2 大气下摩擦诱导纳米凸结构的形成420

16.2.3 真空下摩擦诱导纳米凸结构的形成422

16.2.4 不同滑动速度下凸结构的形成426

16.2.5 晶面取向对凸结构形成的影响429

16.3 单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的产生机理431

16.3.1 单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的化学成分分析432

16.3.2 机械作用和氧化反应对摩擦诱导纳米凸结构形成的贡献436

16.3.3 单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构断面的透射电镜观察438

16.3.4 不同滑动速度下单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成机理441

16.3.5 单晶硅表面纳米凸结构的形成机理445

16.3.6 石英和玻璃表面的纳米凸结构450

16.4 单晶硅和石英表面摩擦诱导纳米加工451

16.4.1 纳米凸结构的机械性能表征451

16.4.2 纳米凸结构的直接加工456

16.4.3 摩擦诱导选择性刻蚀加工461

16.5 摩擦诱导纳米加工展望467

参考文献470

索引474