碳纳米管与摩

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1、碳纳米管与摩擦学前沿李　瑞2008.07.141目录摩擦学前沿碳纳米管的性质和应用前景碳纳米管在纳米摩擦学的应用2目录摩擦学前沿碳纳米管的性质和应用前景碳纳米管在纳米摩擦学的应用3摩擦学简史标准定义：“研究作相对运动、相互作用的对偶表面的理论和实践的一门科学技术”总体：摩擦学有三大分支，即：摩擦、润滑、磨损，但是这三方面之合并不等于摩擦学，另外还涉及到摩擦学设计,摩擦学系统分析、监控,摩擦与振动,表面工程等。•摩擦学研究涉及面：相当广大，上至火箭、卫星，下至潜艇、石油。无论是家庭生活（刀、自行车等），还是军事工业（摩擦振动产生

2、的噪音、坦克寿命）。4摩擦学简史(1)朴素应用:远古--15世纪击石取火；4600年前中国出现的车、以滚动摩擦代替滑动摩擦。(2)古典摩擦定律15世纪：LeonardodaVinci（达·芬奇）17世纪末法国的G.Amontons（阿蒙顿）18世纪法国物理学家C.A.Coulomb（1736-1806）(3)润滑理论19世纪末，Reynolds方程奠定了流体润滑理论基础(4)纳米摩擦学20世纪末纳米摩擦学、微纳米生物摩擦学兴起5摩擦学前沿研究领域纳米摩擦学生物摩擦学与仿生摩擦学表面工程微纳制造过程中的摩擦学6纳米摩擦学纳米(n

3、m)：10-9m纳米尺度：0.1nm~100nm纳米摩擦学：纳米尺度上关于摩擦过程的科学，它在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及对策。7纳米摩擦学主要研究内容包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损机理，以及表面和界面分子工程。定律f=F失效，宏观摩擦学的结论不再适用纳米摩擦学发展的主要意义：完善摩擦学理论推动纳米电子学、纳米生物学和微型机械的发展（摩擦副间隙或润滑膜厚度通常处于纳米范围）8纳米摩擦学--研究手段实验仪器：表面力仪SFA扫描电子显微镜SEM扫描隧道显微镜STM原子力显微镜AFM摩擦力显微镜FFM石英晶体微天平

4、QCM纳米量级润滑膜厚度测试仪模拟方法：分子动力学模拟9纳米摩擦学--研究手段左：总体框图；右：密封工作室结构表面力仪（SFA）结构图。法向间隙测量光学系统10纳米摩擦学--研究手段原子力显微镜（AFM）探针工作原理图自组装膜表面形貌11纳米摩擦学--研究手段扫描电子显微镜（SEM）羧化后的碳纳米管（3万倍）表面形貌、表面元素成分分析、化学成分分析12纳米摩擦学--研究手段纳米膜厚测量仪石英晶体微天平（QCM）13纳米摩擦学--研究手段分子动力学模拟方法分子动力学模拟（MD）是采用各种经验力场，根据原子间作用势函数求解各个粒子

5、的运动方程，进而得到模拟系统动力学演化过程的方法。宏观、介观尺度纳米尺度原子内部14纳米摩擦学--主要研究方向摩擦的表面形态粘着现象与表面接触微观摩擦规律与影响因素原子尺度摩擦机理微观磨损与纳米加工分子膜与边界润滑15微纳米生物摩擦学与仿生摩擦学减小摩擦的系统：鲨鱼皮泳衣的研制与减阻增加摩擦的系统：壁虎、蜥蜴垫的移动粘附16表面工程17表面工程地球表面处理绿化沙化药丸表面处理糖衣皮肤表面处理化妆建筑物表面处理喷刷镶装饰器物鎏（镏）金表面技术概论18表面工程按使用功能:---装饰减摩耐磨防腐光电……按制备技术:---表面涂层/膜

6、技术表面改性复合表面处理技术分类19表面工程表面涂层/薄膜(SurfaceCoating/Film)---以某种方法在基体表面添加一层新的物质既改变(增加)原始材料表面的几何尺寸,又改变其特性表面改性(Modification)---不改变原始表面的宏观几何尺寸,只改变表面的物理化学性质表面处理技术分类20机械处理---喷丸、滚压表面热处理---火焰淬火、高频淬火、激光、电子束处理表面化学热处理---渗碳、渗氮、渗硫、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬离子注入转化涂层----阳极氧化、磷酸盐处理物理气相沉积PVD----溅射,弧

7、离子镀,高能束蒸发沉积化学气相沉积CVD,等离子体辅助化学气相沉积PCVD凝胶-溶胶法SOL–GEL电镀、化学镀、复合镀,热浸镀激光熔敷,堆焊热喷涂---等离子、电弧、火焰、超音速、爆炸自蔓延涂层SHS(Self-propagatinghigh-temperaturesynthesis)黏结涂层---静电喷涂、涂镀表面工程基体基体表面处理方法一览21微纳制造过程中的摩擦学48个铁原子构成的“量子栅栏”分子齿轮22微纳制造过程中的摩擦学化学机械抛光（CMP）化学机械抛光实验机硬盘盘片：目前达到的表面粗糙度Ra0.2nm要求：Ra

8、0.05nm以下、波纹度Wa0.1nm以下23微纳制造过程中的摩擦学硬盘存储密度：MB,GB100GB/in21000GB/in2飞行高度：50nm20nm10nm3-5nm?表面保护膜：10nm5nm3nm1-2nm?保护膜功能：防吸附、防磨损、防腐蚀、润滑