目录 1
第1章 绪论 1
1.1 传统润滑原理 2
1.2 薄膜润滑 4
1.3 纳米尺度润滑及其要求 6
1.4 纳米尺度润滑薄膜的特性 7
1.4.1 黏着和键合 7
1.4.2 材料和摩擦化学特性 8
1.4.3 耐磨性和自修复特性 8
1.5 薄膜组成 9
1.6 混合分子膜 10
1.7 分子在表面的沉积 11
1.8 磁记录硬盘和微电子机械系统中的纳米尺度润滑 12
1.8.1 磁记录硬盘的润滑 12
1.8.2 微电子机械系统的润滑 12
1.9 纳米尺度润滑薄膜的测试技术和理论研究方法 13
1.10 纳米尺度润滑研究的意义 13
参考文献 14
第2章 表面特性 16
2.1 液体表面 16
2.1.1 表面张力与表面自由能 16
2.1.2 Laplace公式与毛细现象 18
2.2 固体表面 20
2.2.1 固体的表面自由能和表面张力 20
2.2.2 固体表面结构 23
2.2.3 表面结构中的晶格缺陷 24
2.3 物理吸附 30
2.3.1 物理吸附与化学吸附 30
2.3.2 吸附膜的一般性质 31
2.3.3 物理吸附的力 32
2.3.4 物理吸附理论 33
2.4 化学吸附 34
2.4.1 化学吸附与物理吸附的区别 35
2.4.2 化学吸附与脱附的动力学 37
2.5 润湿现象 38
2.5.1 润湿的类型 38
2.5.2 接触角和Young方程 41
2.5.3 液体对固体表面的润湿规律 42
参考文献 43
第3章 粗糙表面的表征和接触力学 44
3.1 表面粗糙度的重要性 45
3.1.1 “粗糙”的含义 45
3.1.2 表面粗糙度在摩擦学中的影响 46
3.2.1 高度分布概率 48
3.2 表面粗糙度表征 48
3.2.2 RMS值和尺度相关性 50
3.2.3 分形技术 51
3.2.4 分形和非分形表面的一般技术 58
3.3 接触点的尺寸分布 59
3.3.1 分形表面尺寸分布的观测 60
3.3.2 任意表面尺寸分布的导数 61
3.4 粗糙表面接触力学 64
3.4.1 Greenwood-Williamson模型 64
3.4.2 Majumdar-Bhushan模型 66
3.4.3 分形和非分形表面的一般模型 69
参考文献 70
第4章 纳米尺度下的摩擦 72
4.1 表面力 72
4.1.1 Derjaguin近似 73
4.1.2 静电力 73
4.1.3 电动力 75
4.1.4 电磁力 76
4.1.5 液体力 77
4.2 黏着力 78
4.2.1 弹性连续接触力学的黏着滞后 78
4.2.2 纳米尺度接触的黏着 81
4.3 纳米尺度摩擦的能量耗散 83
4.3.1 针尖-样品系统的模拟 84
4.3.2 针尖和样品的弹性 86
4.3.3 摩擦 87
4.3.4 横向弹性和能量耗散 89
4.4 纳米尺度下摩擦与速度的关系 90
参考文献 92
第5章 LB膜技术 93
5.1 LB膜的制备 94
5.1.1 LB膜的制备原理 95
5.1.2 制备槽的结构 95
5.1.3 LB膜制备的影响因素 96
5.1.4 两亲分子的结构特征 100
5.1.5 表面压-单分子占有面积的等温曲线 102
5.1.6 LB膜的沉积方式 105
5.1.7 混合单分子膜 110
5.1.8 特殊材料的成膜技术 110
5.2 LB膜的热稳定性 112
5.2.1 有序-无序转变 112
5.2.2 单分子层解吸 113
5.3 LB膜的摩擦学特性 113
5.3.1 LB膜层数对摩擦系数和磨损寿命的影响 113
5.3.2 LB膜摩擦的各向异性和不对称性 114
5.3.3 速度和载荷对LB膜摩擦行为的影响 115
5.3.4 外加电场对LB膜摩擦学特性的影响 115
5.3.5 基底对LB膜力学强度的影响 117
5.3.6 粒子复合LB膜的摩擦学特性 118
参考文献 119
第6章 自组装技术 120
6.1 自组装分子膜的制备 121
6.1.1 有机硅衍生物的自组装单分子膜 122
6.1.2 有机硫化物在金属和半导体基底上的自组装分子膜 129
6.1.3 脂肪酸在金属氧化物表面上的自组装分子膜 131
6.1.4 硅表面烷基单层膜 132
6.1.5 多层自组装分子膜 133
6.2 自组装分子膜的热稳定性 136
6.2.1 氯化硅烷自组装分子膜的热稳定性 136
6.2.2 有机硫化物自组装分子膜的热稳定性 137
6.2.3 其他自组装分子膜的热稳定性 137
6.3 自组装分子膜的解吸机理 138
6.4 自组装分子膜的摩擦学特性 139
6.4.1 烷烃自组装分子膜的摩擦磨损特性 139
6.4.2 金表面烷基硫醇的摩擦特性 140
6.4.4 纳米粒子对自组装分子膜摩擦学特性的影响 141
6.4.3 自组装单分子膜对粗糙固体黏着和变形的影响 141
6.4.5 液体环境下自组装分子膜的摩擦特性 142
参考文献 144
第7章 纳米尺度润滑薄膜的测试分析技术 146
7.1 扫描隧道显微镜的基本原理 147
7.2 扫描力显微镜 150
7.2.1 与扫描力显微镜相关的力 150
7.2.2 原子力显微镜的基本原理 151
7.2.3 原子力显微镜工作模式 154
7.2.4 力-距离曲线 155
7.2.5 摩擦力显微镜的基本原理 157
7.3 电子能谱法 159
7.3.1 X射线光电子能谱法 159
7.3.2 紫外光电子能谱法 163
7.3.3 俄歇电子能谱法 164
参考文献 167
第8章 纳米尺度润滑薄膜理论研究的计算机模拟技术 168
8.1 模拟基础 170
8.1.1 势函数 170
8.1.2 周期性边界条件 173
8.1.3 温度调节 174
8.2.1 基本思想 177
8.2 蒙特卡罗法 177
8.2.2 大数法则和中心极限定理 179
8.2.3 重要抽样法 180
8.3 分子动力学方法 182
8.3.1 分子运动方程的数值求解 183
8.3.2 分子动力学模拟的基本步骤 185
8.4 计算机模拟在纳米尺度润滑膜特性研究中的应用 187
8.4.1 蒙特卡罗法对润滑剂在硬盘表面分散特性的模拟分析 187
8.4.2 分子动力学方法对硬盘表面润滑膜性能的模拟分析 188
参考文献 189
第9章 硬盘磁记录系统中的纳米尺度润滑技术 191
9.1 硬盘的加工工艺流程和薄膜硬盘的结构 193
9.2 润滑剂的分子结构 194
9.3 磁记录硬盘用润滑剂的性质 195
9.3.1 物理性质 195
9.3.2 化学性质 196
9.4 硬盘的润滑 196
9.4.1 润滑剂键合 196
9.4.2 润滑剂的分散特性 198
9.4.3 润滑剂的降解机理 199
9.4.4 添加剂的作用机理和影响 203
9.4.5 润滑剂厚度变化的影响因素 204
9.5 润滑剂对磁记录系统动力学特性的影响 205
9.4.6 润滑剂的摩擦磨损特性 205
9.6 硬盘磁记录技术发展展望 207
参考文献 207
第10章 微电子机械系统中的纳米摩擦学问题及润滑技术 211
10.1 微电子机械系统的设计理论 214
10.2 与MEMS组装和操作相关的典型摩擦学问题 215
10.3 微结构材料 217
10.4 表面表征 218
10.5 表面力和静摩擦机理分析 219
10.5.1 固体桥 220
10.5.2 毛细管力 220
10.5.3 范德华力 222
10.5.4 静电力 223
10.5.5 微凸体变形力 223
10.5.6 微机械临界刚度 224
10.6 表面改性方法 225
10.6.1 微结构挠曲 225
10.6.2 表面形貌改性 226
10.6.3 表面处理和涂层沉积 228
10.6.4 自组装单分子膜润滑 230
10.7 微电子机械系统应用展望 232
参考文献 233