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