硬质过渡层对表面固体润滑膜层摩擦性能的影响 (4)
1.3.5.1接触面积对表面微观摩擦学性能的影响
在微/纳器件表面构筑一定形状和密度的织构可以减小摩擦对偶的接触面积，增强表面的疏水性，从而大大降低了表面的黏着力和摩擦力。1991 年Ranjan等［33］在计算机硬盘的起动停止区采用激光技术加工了由直径20μm，深10nm左右的凹坑组成的点阵，成功地降低了盘片与磁头的吸附力，减小了摩擦，延长了使用寿命。Suh等［34］在磁头或磁盘表面制造微小隆起或凹陷状织构以增加接触表面的粗糙度，结果表明织构化处理可以有效减小磁头与磁盘表面之间的真实接触面积，从而降低了摩擦和黏着力。Tan等［35］也在硬盘片上制备了织构图案，结果表明：相对于传统的设计，织构化处理后硬盘片表现出低黏着、长耐磨寿命、减轻了润滑剂分解、降低了滑行倾斜和失败的发生可能性。Zou等［36］用旋涂的方法在光滑的硅表面制备了胶体氧化硅球纳米织构表面，用二种曲率半径的金刚石针尖测定了织构表面的摩擦和黏着性质。结果显示: 与非织构表面相比，用100μm的金刚石针尖测定的织构表面的黏着力和摩擦力分别减少了98%和 88%。这主要是由于织构化处理后，表面与金刚石针尖的真实接触面积减小了。He等［37］用纳米压入划痕研究了表面织构对 PDMS 弹性体在宏观和微观尺度下摩擦性质的影响。结果发现：织构化的表面摩擦系数远远低于非织构化表面，宏观尺度下约减小 59%，微观尺度下减小 38%。摩擦系数的降低归结于接触面积的减小。沟槽状织构在不同的滑动方向下测定的摩擦系数表现出各向异性的特点。Bhushan 等［38－39］也发现通过改变微/纳米尺度的粗糙度可以获得超疏水和低黏着的表面。M/NEMS在应用过程中要求低摩擦、低黏着。通过改变材料表面的拓扑形貌，如在表面设计特殊的纳米织构，黏着和摩擦问题就会得到控制，器件的寿命和稳定性将得到显著提高Marchetto等［40］研究了具有平行沟槽状织构的硅片表面，其中原子力针尖被加工成一平台以便于表征织构化硅表面，研究发现：在分离力范围内，侧向力随载荷的增加线性增长，织构化表面的摩擦系数明显低于原始表面。他们［41］又研究了上述表面和针尖之间在室温和180 ℃时大气和高真空环境下的黏着力和摩擦力。由于水分子弯月力的存在，未织构化的硅片表面在高真空条件下的摩擦系数相对于室温约低 64%，而织构化表面在不同条件下的摩擦系数几无明显差别；同样，由于水层的存在，未织构化表面的黏着力大于织构化表面。
1．4 课题的意义、要解决的问题及研究主要内容
1.4.1 课题研究的重要意义
随着科技的发展，摩擦学深入到各个学科领域，在一些高科技设备上，器具的摩擦学性能往往决定了设备的使用性能和寿命，而且这些设备一般都在极端条件下工作，而普通润滑剂是无法满足的，例如真空条件下润滑油脂会急剧蒸发干燥而失效，所以不宜作为真空机械的润滑材料，而固体润滑涂层则不存在此类问题，因而固体润滑涂层在空间技术方面得到了广泛应用，尤其是在真空防冷焊方面，发挥了其他润滑材料无法代替的作用。固体润滑涂层在高低温条件下的应用已经非常普遍，如各类发动机的高温滑动部件、气缸、活塞环、飞机上的其他高温滑动件、远程炮的炮膛、金属热加工模具炼钢机械、热电机械，固体润滑膜在高低温条件下的成功运用解决了一系列高低温机械特殊润滑难题，为高低温机械的技术进步奠定了材料基础，显示了重大的社会经济效益。固体润滑涂层除了具有优异的摩擦学性能外，还具有防腐，防污、防震和降噪作用，是适用于腐蚀环境和解决环境污染问题的理想润滑材料，事实上某些固体润滑涂层的防腐性能甚至与某些防腐涂料相当，已经在海洋机械设备、化工设备、水中机械和野外作业设备等方面的到了广泛的应用。另一方面，固体润滑材料是一类概念上与传统润滑材料（润滑油、润滑脂）完全不同的新型润滑材料，与传统润滑材料在摩擦界面上形成某种形试的流体或半流体膜而起到有效的润滑作用相对应，固体润滑材料则主要是依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减磨的作用。通常固体润滑材料是以粉末、薄膜、涂敷层或整体材料的形试使用。作为一类新型润滑材料，固体润滑材料在性能上极大地突破了传统材料的使用极限，这就为解决现代军工高技术机械急需解决的超低温、超高真空、强辐射、高速高负载、特殊介质等典型特殊工况条件下的摩擦磨损问题提供了强有力的技术支持，同时也为提高军工机械的稳定性和可靠性奠定了重要的基础。
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