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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