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微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应-摩擦学学报

第 28 卷第 4 期 摩 擦 学 学 报 Vol. 28 No. 4 2008 年 7月 Tribo logy Ju ly 2008 微纳米摩擦的弹性棘轮模型与 形貌的尺度效应 1 1 2 1 董云开 , 张向军 , 刘  莹 , 温诗铸 ( 1. 清华大学 摩擦学国家重点实验室 , 北京  100084; 2. 南昌大学 机电工程学院 , 江西 南昌 330029) 摘要 : 建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响 ,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行 形貌修饰 ,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验. 结果表明:硅表 面经过形貌修饰后 ,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关 ,而且与接触副的等效曲率半径相关 ;在纳米尺度下 ,粗糙峰斜率 对摩擦力的影响较大 ;在微米尺度下 ,等效曲率半径对摩擦力的影响较大 ;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的 情况 ,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响 ,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规 律. 关键词 : 微纳米摩擦学 ; 表面形貌 ; 弹性棘轮模型 ; 尺度效应 中图分类号 : TH 117. 2 文献标志码 : A 文章编号 : (2008) 04 033306 ( )   在微机电系统 M EM S 中 , 由于尺寸效应和表 全对应 ,越是粗糙复杂的表面 ,其摩擦力波动的影响 面效应 ,微构件间的摩擦成为影响 M EM S性能和可 因素越复杂. 靠性的关键. 由于 M EM S空间小 、结构复杂 ,而且加 斜率参数并不能深入解释形貌对摩擦性能的影 工后一般无法拆装 , 因此针对接触副表面的各种润 响 ,而其理论结果与实际情况也不相符. 本文结合传 滑修饰都很困难 [ 1 ] . 在各种修饰技术中 ,微观形貌 统棘轮模型和理想单峰接触 H ertz模型建立了新的 物理修饰技术随着微纳米加工技术的发展 ,具有加 弹性棘轮模型 ,综合考虑了斜率和峰顶曲率半径对 工过程简单 、成本低和耐磨等优点 ,因此获得了广泛 摩擦性能的影响 ,并通过微摩擦试验装置对弹性棘 关注 [ 2 ] . 轮模型进行验证. 为了探索微观形貌修饰的作用机制 ,许多研究 1 微尺度摩擦的弹性棘轮模型 者通过研磨 、刻划 、高能束和光刻蚀等加工方法 ,在 硅 、云母和高定向热解石墨等材料表面制作了有规 1. 1 传统棘轮模型 律的纳米和微米级形貌 ,并研究了微观形貌几何参 Ruan 等 [ 6 ] 利用摩擦力显微镜研究了高定向热 数对摩擦的影响[ 3~8 ] . 结果表明 ,当微观形貌的特征 解石墨的微观摩擦机制与表面形貌的关系 ,认为探 参数远小于测头尺寸时 , 凸起的形貌能够有效的改 针滑过基片表面类似棘爪沿棘齿的运动 , 由此提出 善摩擦性能[ 3 ] . 这是因为在微观尺度下 ,表面黏着 ( ) 了微观摩擦的 “棘轮 ratchet ”

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