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1、会计学1碳纳米管与摩擦学前沿碳纳米管与摩擦学前沿(qinyn)第一页，共45页。2摩擦学简史摩擦学简史n n标准定义：标准定义：n n “研究作相对运动、相互作用的对偶研究作相对运动、相互作用的对偶(du(du u)u)表面的理论和实践的一门科学技术表面的理论和实践的一门科学技术”n n总体：总体：n n 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涉及到摩擦学设计,摩擦学系统分析、监控摩擦学系统分析、监控,摩擦与振动摩擦与振动,表面工程等。表面工程等。n n 摩擦学
2、研究涉及面：摩擦学研究涉及面：n n 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（摩擦振动产生的噪音、坦克寿命）。军事工业（摩擦振动产生的噪音、坦克寿命）。第2页/共45页第二页，共45页。3摩擦学简史摩擦学简史(1)(1)朴素应用朴素应用:远古远古-15-15世纪世纪 击石取火；击石取火；46004600年前中国出现的车、以滚动摩擦代替滑动摩擦。年前中国出现的车、以滚动摩擦代替滑动摩擦。(2)(2)古典摩擦定律古典摩擦定律(dngl(dngl)15 15世纪：世纪：Leo
3、nardo da VinciLeonardo da Vinci（达（达 芬奇）芬奇）17 17世纪末法国的世纪末法国的G.AmontonsG.Amontons（阿蒙顿）（阿蒙顿）18 18世纪法国物理学家世纪法国物理学家C.A.CoulombC.A.Coulomb（1736-18061736-1806）(3)(3)润滑理论润滑理论 19 19世纪末，世纪末，ReynoldsReynolds方程奠定了流体润滑理论基础方程奠定了流体润滑理论基础(4)(4)纳米摩擦学纳米摩擦学 20 20世纪末纳米摩擦学、微纳米生物摩擦学兴起世纪末纳米摩擦学、微纳米生物摩擦学兴起第3页/共45页第三页，共45页。4
4、摩擦学前沿研究摩擦学前沿研究(ynji)领域领域n n纳米摩擦学n n生物(shngw)摩擦学与仿生摩擦学n n表面工程n n微纳制造过程中的摩擦学第4页/共45页第四页，共45页。5纳米纳米(n m)摩擦学摩擦学n n纳米(nm)：n n 10-9mn n纳米尺度(chd)：0.1nm100nmn n纳米摩擦学：纳米尺度(chd)上关于摩擦过程的n n 科学，它在原子、分子尺度(chd)n n 上研究摩擦界面上的行为、损n n 伤及对策。第5页/共45页第五页，共45页。6纳米纳米(n m)摩擦学摩擦学n n主要研究内容包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损机理，以及表面主要研究内容包括纳米薄膜润滑
5、和微观摩擦磨损机理，以及表面和界面分子工程。和界面分子工程。n n定律定律f=f=F F失效，宏观摩擦学的结论不再适用失效，宏观摩擦学的结论不再适用n n纳米摩擦学发展的主要意义：纳米摩擦学发展的主要意义：n n 完善摩擦学理论完善摩擦学理论(l(l ln)ln)n n 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）或润滑膜厚度通常处于纳米范围）第6页/共45页第六页，共45页。7纳米摩擦学纳米摩擦学 -研究研究(ynji)手段手段n n实验仪器：n n 表面力仪SFAn n 扫描电子显微镜SEMn n
6、 扫描隧道显微镜STMn n 原子力显微镜AFMn n 摩擦力显微镜FFMn n 石英晶体(jngt)微天平QCMn n 纳米量级润滑膜厚度测试仪n n模拟方法：n n 分子动力学模拟第7页/共45页第七页，共45页。8纳米摩擦学纳米摩擦学 -研究研究(ynji)手段手段 左：总体框图(kungt)；右：密封工作室结构表面(biomin)力仪（SFA）结构图。法向间隙测量光学系统第8页/共45页第八页，共45页。9纳米纳米(n m)摩擦学摩擦学 -研究手段研究手段原子力显微镜（AFM）探针(tn zhn)工作原理图自组装(z zhun)膜表面形貌第9页/共45页第九页，共45页。10纳米纳米(
7、n m)摩擦学摩擦学 -研究手段研究手段扫描(somio)电子显微镜（SEM）羧化后的碳纳米管（3万倍）表面形貌(xn mo)、表面元素成分分析、化学成分分析第10页/共45页第十页，共45页。11纳米纳米(n m)摩擦学摩擦学 -研究手段研究手段纳米(n m)膜厚测量仪石英(shyng)晶体微天平（QCM）第11页/共45页第十一页，共45页。12纳米摩擦学纳米摩擦学 -研究研究(ynji)手段手段n n分子动力学模拟(mn)方法分子动力学模拟（MD）是采用(ciyng)各种经验力场，根据原子间作用势函数求解各个粒子的运动方程，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
8、内部第12页/共45页第十二页，共45页。13纳米纳米(n m)摩擦学摩擦学 -主主要研究方向要研究方向n n摩擦的表面摩擦的表面(bi(bi omin)omin)形态形态n n粘着现象与表面粘着现象与表面(bi(bi omin)omin)接触接触n n微观摩擦规律与影响因素微观摩擦规律与影响因素n n原子尺度摩擦机理原子尺度摩擦机理n n微观磨损与纳米加工微观磨损与纳米加工n n分子膜与边界润滑分子膜与边界润滑第13页/共45页第十三页，共45页。14微纳米微纳米(n m)生物摩擦学与仿生生物摩擦学与仿生摩擦学摩擦学n n减小摩擦的系统：减小摩擦的系统：n n 鲨鱼皮泳衣的研制与减阻鲨鱼皮泳
9、衣的研制与减阻n n增加摩擦的系统：增加摩擦的系统：n n 壁虎、蜥蜴垫的移动壁虎、蜥蜴垫的移动(ydng)(ydng)粘附粘附n n 第14页/共45页第十四页，共45页。15表面工程表面工程第15页/共45页第十五页，共45页。16表面工程表面工程地球表面处理地球表面处理 绿化绿化 沙化沙化药丸表面处理药丸表面处理 糖衣糖衣皮肤皮肤(p f)(p f)表面处理表面处理 化妆化妆建筑物表面处理建筑物表面处理 喷喷 刷刷 镶镶 装饰器物装饰器物 鎏（镏）金鎏（镏）金 表面技术(jsh)概论第16页/共45页第十六页，共45页。17表面工程表面工程按使用功能按使用功能按使用功能按使用功能:-装饰
10、装饰装饰装饰 减摩减摩减摩减摩 耐磨耐磨耐磨耐磨 防腐防腐防腐防腐 光光光光 电电电电 按制备技术按制备技术按制备技术按制备技术:-表面涂层表面涂层表面涂层表面涂层(t cn)/(t cn)/(t cn)/(t cn)/膜技术膜技术膜技术膜技术 表面改性表面改性表面改性表面改性 复合复合复合复合 表面处理(chl)技术分类第17页/共45页第十七页，共45页。18表面工程表面工程n n表面涂层表面涂层表面涂层表面涂层/薄膜薄膜薄膜薄膜(Surface Coating/Film)(Surface Coating/Film)(Surface Coating/Film)(Surface Coatin
11、g/Film)n n -以某种方法在基体表面添加一层新的以某种方法在基体表面添加一层新的以某种方法在基体表面添加一层新的以某种方法在基体表面添加一层新的 物质物质物质物质n n 既改变既改变既改变既改变(增加增加增加增加)原始材料表面的几何尺寸原始材料表面的几何尺寸原始材料表面的几何尺寸原始材料表面的几何尺寸,又改又改又改又改 n n 变其特性变其特性变其特性变其特性(txng)(txng)(txng)(txng)n n表面改性表面改性表面改性表面改性(Modification)(Modification)(Modification)(Modification)n n -不改变原始表面的宏观几
12、何尺寸不改变原始表面的宏观几何尺寸不改变原始表面的宏观几何尺寸不改变原始表面的宏观几何尺寸,只改变表只改变表只改变表只改变表n n 面的物理化学性质面的物理化学性质面的物理化学性质面的物理化学性质 n n 表面处理(chl)技术分类第18页/共45页第十八页，共45页。19 机械处理机械处理-喷丸、滚压喷丸、滚压 表表面面热热处处理理 -火火焰焰淬淬火火、高高频频淬淬火火、激光、电子束处理激光、电子束处理 表表面面化化学学热热处处理理-渗渗碳碳、渗渗氮氮、渗渗硫硫、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬 离子注入离子注入 转化涂层转化涂层-阳极氧化、磷酸盐处理阳极氧化
13、、磷酸盐处理 物物理理气气相相沉沉积积PVD PVD -溅溅射射,弧弧离离子子镀镀,高能束蒸发沉积高能束蒸发沉积 化化学学气气相相沉沉积积CVD,CVD,等等离离子子体体辅辅助助化化学学气相沉积气相沉积PCVDPCVD 凝胶凝胶-溶胶法溶胶法 SOL GEL SOL GEL 电镀、化学镀、复合镀电镀、化学镀、复合镀,热浸镀热浸镀 激光熔敷激光熔敷,堆焊堆焊 热热喷喷涂涂-等等离离子子、电电弧弧、火火焰焰、超超音音速速、爆炸爆炸 自自 蔓蔓 延延(mn(mn yn)yn)涂涂 层层 SHS SHS (Self-(Self-propagating high-temperature synthesi
14、s)propagating high-temperature synthesis)黏结涂层黏结涂层-静电喷涂、涂镀静电喷涂、涂镀 表面工程表面工程基体(j t)基体表面处理方法(fngf)一览第19页/共45页第十九页，共45页。20微纳制造微纳制造(zhzo)过程中的摩擦过程中的摩擦学学48个铁原子构成(guchng)的“量子栅栏”分子(fnz)齿轮第20页/共45页第二十页，共45页。21微纳制造微纳制造(zhzo)过程中的摩擦过程中的摩擦学学n n化学化学(huxu)(huxu)机械抛光（机械抛光（CMPCMP）化学(huxu)机械抛光实验机硬盘盘片：目前达到的表面粗糙度Ra0.2nm要
15、求：Ra0.05nm以下、波纹度Wa0.1nm以下第21页/共45页第二十一页，共45页。22微纳制造微纳制造(zhzo)过程中的摩擦过程中的摩擦学学n n硬盘存储密度：硬盘存储密度：MB,GBMB,GB100GB/in2100GB/in21000GB/in21000GB/in2n n飞飞 行行 高高 度：度：50nm 50nm 20nm 20nm 10nm 10nm 3-5nm?3-5nm?n n表表 面面 保保 护护 膜：膜：10nm 10nm 5 nm 5 nm 3 nm 3 nm 1-2nm?1-2nm?n n保护膜功能：保护膜功能：防吸附防吸附(xf)(xf)、防磨损、防腐蚀、润滑、
16、防磨损、防腐蚀、润滑第22页/共45页第二十二页，共45页。23技技术术(jsh)和和科科学学问问题：题：表表面面润润滑滑分分子子膜膜的的制制备备、迁移特性迁移特性 纳纳米米薄薄膜膜的的生生长长机机理理、界界面面力力学学特特性性和和均均匀匀生生长技术长技术(jsh)微纳制造(zhzo)过程中的摩擦学第23页/共45页第二十三页，共45页。24微纳制造微纳制造(zhzo)过程中的摩擦过程中的摩擦学学磁盘表面润滑分子迁移(qiny)流动示意图 第24页/共45页第二十四页，共45页。25目录目录(ml)n n摩擦学前沿n n碳纳米管的性质(xngzh)和应用前景n n碳纳米管在纳米摩擦学的应用第2
17、5页/共45页第二十五页，共45页。26碳纳米管简介碳纳米管简介(jin ji)-碳笼分子家族碳笼分子家族 关注的热点：碳笼分子家族 1986年Smalley发现(fxin)C60，获得诺贝尔奖 1991年发现(fxin)多壁碳纳米管，1993年发现(fxin)单壁碳纳米管 2004年发现(fxin)石墨烯 第26页/共45页第二十六页，共45页。27碳纳米管简介碳纳米管简介(jin ji)-发现发现n n碳纳米管的发现(fxin)n n 1991年Iijima发现(fxin)多壁碳纳米管单壁碳纳米管多壁碳纳米管第27页/共45页第二十七页，共45页。28碳纳米管简介碳纳米管简介(jin ji
18、)-结构特征结构特征管状石墨(shm)第28页/共45页第二十八页，共45页。29armchair nanotube (n,n)=30zigzag nanotube (n,0)=0chiral nanotube (n,m)030碳纳米管简介(jin ji)-结构特征不同(b tn)手性角的碳纳米管第29页/共45页第二十九页，共45页。30碳纳米管的性质碳纳米管的性质(xngzh)及应及应用前景用前景 碳纳米管具有优良碳纳米管具有优良(yuling)(yuling)的场发射性能的场发射性能 碳纳米管作为场发射电源，具有低阈值电压、强发射电流的特点，三星公司制备出了15英寸的彩色动态(dngti
19、)显示器，碳纳米管场发射显示器正向市场化、商业化迈进。定向多壁碳纳米管阵列 第30页/共45页第三十页，共45页。31碳纳米管的性质及应用碳纳米管的性质及应用(yngyng)前景前景 不同手性角的碳纳米管具有半导体、不同手性角的碳纳米管具有半导体、导体的性质，可作为整流器、场效应导体的性质，可作为整流器、场效应管等，在纳电子器件制造中有广阔管等，在纳电子器件制造中有广阔(gu(gu ngku)ngku)的应用前景。的应用前景。碳纳米管具有二重碳纳米管具有二重(r zhn)(r zhn)电性质电性质碳纳米管构建的电路模型 第31页/共45页第三十一页，共45页。32 A、Top-Down（自上而
20、下(z shn r xi)）从块体从块体(kui t)(kui t)材料出发，自上而下地加工出具有特定功能的结构材料出发，自上而下地加工出具有特定功能的结构硅片硅片集成电路集成电路(jchng-dinl)(jchng-dinl)电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、光刻等电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、光刻等 碳纳米管的性质及应用前碳纳米管的性质及应用前景景纳米器件的构建路线纳米器件的构建路线第32页/共45页第三十二页，共45页。33组装组装(z(z zhun)zhun)构构件件纳米级的元件纳米级的元件(yunjin)(yunjin)B、Bottom-Up（自下而上(z xi r shn)）碳纳米管的性质
21、及应用前碳纳米管的性质及应用前景景纳米器件的构建路线纳米器件的构建路线第33页/共45页第三十三页，共45页。34 基于(jy)碳纳米管的存储器结构 化学性质非常稳定化学性质非常稳定(wndng)（C-C键，无悬空键）键，无悬空键）碳纳米管具有化学惰性，经历充放电不发生化学作用。因此，数据保存在这样的一个存储器中可以(ky)拥有更长的保存时间。碳纳米管的性质及应用前景第34页/共45页第三十四页，共45页。35 杨氏模量是钢的杨氏模量是钢的100100倍，弹性模量倍，弹性模量(tn xn(tn xn m lin m lin)是钢的是钢的6 6倍。倍。碳纳米管具有碳纳米管具有(jyu)(jyu)
22、优良的机械性能优良的机械性能碳纳米管的性质及应用碳纳米管的性质及应用(yngyng)前景前景不同材料的强度比较不同材料的强度比较 碳纳米管作聚合物材料增强相碳纳米管作聚合物材料增强相 第35页/共45页第三十五页，共45页。36目录目录(ml)n n摩擦学前沿n n碳纳米管的性质和应用(yngyng)前景n n碳纳米管在纳米摩擦学的应用(yngyng)第36页/共45页第三十六页，共45页。37 在用作润滑剂方面，碳纳米管为管状结构，其轴向杨氏模量很高，但在用作润滑剂方面，碳纳米管为管状结构，其轴向杨氏模量很高，但径向杨氏模量却很低，具有低剪切强度径向杨氏模量却很低，具有低剪切强度(qingd
23、)(qingd)。同时碳纳米管具有。同时碳纳米管具有高拉伸、弯曲强度高拉伸、弯曲强度(qingd)(qingd)，并可能出现滚动现象，降低摩擦系数。，并可能出现滚动现象，降低摩擦系数。此外，自然碳纳米管、功能化的碳纳米管用作润滑添加剂也取得了良好此外，自然碳纳米管、功能化的碳纳米管用作润滑添加剂也取得了良好的效果。的效果。自发现碳纳米管之后，由于管状分子(fnz)外形和优异的机械特性被寄希望应用于润滑剂、复合材料、纳米制造等方面。碳纳米管摩擦问题碳纳米管摩擦问题(wnt)研究研究的背景的背景 在复合材料中添加适量的碳纳米管也可以提高材料的抗摩擦磨损性能，且具有一定自修复的功能。在纳米制造方面，
24、自下而上进行纳米制造时，黏着现象明显、摩擦力大，但实验表明碳纳米管的层间摩擦很小，有可能为纳米制造提供一种机遇。第37页/共45页第三十七页，共45页。38碳纳米管在石墨碳纳米管在石墨(shm)(shm)基底上基底上 碳纳米管在碳纳米管在SiSi基底基底(j d)(j d)上上 碳纳米管与不同碳纳米管与不同(b tn)基底间基底间的摩擦的摩擦第38页/共45页第三十八页，共45页。39碳纳米管与不同碳纳米管与不同(b tn)基底间基底间的摩擦的摩擦将碳纳米管沿垂直于轴向展开后，若晶格方向与下层石墨的晶格方向相同，则为公度(n d)，否则为不公度(n d)。不公度公度公度(n d)、不公度(n
25、d)结构图 公度、不公度结构第39页/共45页第三十九页，共45页。40碳纳米管与不同基底碳纳米管与不同基底(j d)间的间的摩擦摩擦运动方式：公度、不公(bgng)度结构下碳纳米管的运动呈现明显区别公度情况(qngkung)下运动过程的示意图起始起始滑动滑动滚动滚动终态终态第40页/共45页第四十页，共45页。41碳纳米管与不同基底碳纳米管与不同基底(j d)间的间的摩擦摩擦 公度(n d)不公(bgng)度侧向力：对公度、不公度运动方式和侧向力的差异进行分析，能够揭示微观摩擦规律和能量耗散机制。第41页/共45页第四十一页，共45页。42碳纳米管作为固体碳纳米管作为固体(gt)润滑剂润滑剂
26、的研究的研究碳纳米管在Si表面(biomin)间的模型图UMT实验(shyn)设备图模拟实验结果表明：具有完整结构的碳纳米管有望成为良好的固体润滑剂。第42页/共45页第四十二页，共45页。43碳纳米管作为碳纳米管作为(zuwi)润滑添加润滑添加剂的研究剂的研究四球机设备图通过比较磨斑、最大非咬合(yo h)载荷和胶合载荷评价润滑剂的摩擦磨损性能、承载能力和极压能力进行评价。碳纳米管作为油基、水基润滑添加剂均取得(qd)了较好的效果。第43页/共45页第四十三页，共45页。44李瑞Email：谢谢(xi xie)大家！第44页/共45页第四十四页，共45页。45感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第45页/共45页第四十五页，共45页。