WikiDer > Нанотрибология

Нанотрибология это филиал трибология что изучает трение, носить, адгезия и смазка явления на наноразмер, где нельзя пренебречь атомными взаимодействиями и квантовыми эффектами. Целью этой дисциплины является описание и изменение поверхностей как для научных, так и для технологических целей.

Нанотрибологические исследования исторически включали как прямые, так и косвенные методологии.^[1] Методы микроскопии, включая Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), Атомно-силовой микроскоп (AFM) и Аппарат поверхностных сил, (SFA) использовались для анализа поверхностей с чрезвычайно высоким разрешением, в то время как косвенные методы, такие как вычислительные методы^[2] и Кварцевые микровесы (QCM) также широко используются.^[3][4]

Изменяя топологию поверхностей в наномасштабе, трение может быть уменьшено или усилено более интенсивно, чем макроскопическая смазка и адгезия; таким образом, суперсмазка и может быть достигнута суперадгезия. В микро- и наномеханические устройства Проблемы трения и износа, которые критичны из-за чрезвычайно высокого удельного объема поверхности, могут быть решены путем покрытия движущихся частей суперсмазкой покрытия. С другой стороны, там, где возникает проблема адгезии, нанотрибологические методы предлагают возможность преодолеть такие трудности.

История

Трение и износ были технологическими проблемами с древних времен. С одной стороны, научный подход последних веков к пониманию лежащих в основе механизмов был сосредоточен на макроскопических аспектах трибологии. С другой стороны, в нанотрибологии изучаемые системы состоят из нанометровых структуры, где объемные силы (например, связанные с масса и сила тяжести) часто можно считать незначительным по сравнению с поверхностные силы. Научное оборудование для изучения таких систем было разработано только во второй половине 20 века. В 1969 году появился самый первый метод изучения поведения молекулярного тонкая жидкая пленка зажатый между двумя гладкими поверхностями через ОТВС.^[5] С этой отправной точки в 1980-х годах исследователи использовали другие методы для исследования твердый состояния поверхностей в атомном масштабе.

Прямое наблюдение за трением и износом в наномасштабе началось с первого сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который может получать трехмерные изображения поверхностей с атомарным разрешением; этот инструмент был разработан Герд Бинниг и Генрих Рорер в 1981 г.^[6] СТМ может учиться только проводящий материалов, но в 1985 году с изобретением Биннингом и его коллегами атомно-силового микроскопа (АСМ) также можно наблюдать непроводящие поверхности.^[7] Впоследствии АСМ были модифицированы для получения данных о нормальный и силы трения: эти модифицированные микроскопы называются Микроскопы силы трения (FFM) или микроскопы бокового усилия (LFM). Термин «нанотрибология» впервые был использован в названии публикации 1990 г., в которой сообщалось об исследованиях с помощью АСМ трения «скачкообразного» трения на алмазных пленках.^[8] «Нанотрибология» была впервые определена как подраздел трибологии, охватывающий ряд экспериментальных и вычислительных методов, в публикации 1991 г., в которой сообщалось об измерениях QCM уровней трения скольжения пленок толщиной в один атом.^[9]

С начала 21 века компьютерные методы атомного моделирования использовались для изучения поведения отдельных неровностей, даже состоящих из нескольких атомов. Благодаря этим приемам природа облигации и взаимодействия в материалах можно понять с высоким пространственным и временным разрешением.

Анализ поверхности

Аппарат поверхностных сил

SFA (Аппарат поверхностных сил) - это инструмент, используемый для измерения физических сил между поверхностями, таких как адгезия и капилляр силы в жидкости и пары, и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия.^[10] С 1969 года, когда был описан первый подобный аппарат, были разработаны многочисленные варианты этого инструмента.

SFA 2000, который состоит из меньшего количества компонентов и более прост в использовании и чистке, чем предыдущие версии устройства, является одним из наиболее совершенных в настоящее время устройств, используемых для нанотрибологических целей на тонкие пленки, полимеры, наночастицы и полисахариды. SFA 2000 имеет один сингл консоль который способен генерировать механически грубые и электрически точные движения на семь порядков величины соответственно с катушки и с пьезоэлектрический материалы. Сверхточное управление позволяет пользователю иметь точность позиционирования менее 1 Å. Образец захватывается двумя молекулярно гладкими поверхностями слюда в котором он отлично держится эпитаксиально.^[10]

Нормальные силы можно измерить простым соотношением:

${ Displaystyle F_ {нормальный} (D) = k ( Delta D_ {применено} - Delta D_ {измерено})}$

куда ${ displaystyle Delta D_ {применено}}$ это приложенное смещение с использованием одного из упомянутых ранее методов управления, ${ displaystyle k}$ это жесткость пружины и ${ displaystyle Delta D_ {измерено}}$ это актуальный деформация образца, измеренного MBI. Более того, если ${ Displaystyle { partial F (D) over partial D}> к}$ тогда возникает механическая нестабильность, и поэтому нижняя поверхность перескакивает в более устойчивую область верхней поверхности. Итак, сила сцепления измеряется по следующей формуле:

${ displaystyle F_ {адгезия} = k Delta D_ {jump}}$.

С использованием Модель ДМТ, то энергия взаимодействия на единицу площади можно рассчитать:

${ Displaystyle W_ {плоский} (D) = {F_ {изогнутый} (D) более 2 pi R}}$

куда ${ displaystyle R}$ - радиус кривизны и ${ displaystyle F_ {изогнутый} (D)}$ сила между циклически изогнутыми поверхностями.^[10][11]

Сканирующая зондовая микроскопия

Такие методы СЗМ, как АСМ и СТМ, широко используются в исследованиях нанотрибологии.^[12][13] Сканирующий туннельный микроскоп используется в основном для морфологического топологического исследования чистого проводящего образца, поскольку он может дать изображение его поверхности с атомарным разрешением.

Атомно-силовой микроскоп - мощный инструмент для изучения трибологии на фундаментальном уровне. Он обеспечивает ультратонкий контакт поверхности с наконечником с высокой точностью управления движением и точностью на атомном уровне. мера. Микроскоп состоит, в основном, из высоко гибкого кантилевера с острым концом, который является частью, контактирующей с образцом, и поэтому поперечное сечение должно быть идеально атомного размера, но фактически нанометрового (радиус сечения варьируется от 10 до 100 нм). В нанотрибологии AFM обычно используется для измерения нормальных сил и сил трения с разрешением пико-ньютонов.^[14]

Острие приближается к поверхности образца, следовательно, силы между последними атомы иглы и образца отклоняют кантилевер пропорционально интенсивности этого взаимодействия. Нормальные силы изгибают консоль вертикально вверх или вниз от положения равновесия, в зависимости от знака силы. Нормальную силу можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

${ Displaystyle F_ {нормальный} = к Delta V / sigma}$

куда ${ displaystyle k}$ - жесткость кантилевера, ${ displaystyle Delta V}$ это результат фотоприемник, что является электрический сигнал, непосредственно со смещением кантилевера и ${ displaystyle sigma}$ оптический рычаг чувствительность АСМ.^[15][16]

С другой стороны, поперечные силы можно измерить с помощью FFM, который в своей основе очень похож на AFM. Основное отличие состоит в движении наконечника, который скользит перпендикулярно его оси. Эти боковые силы, то есть силы трения в данном случае, приводят к скручиванию кантилевера, которое регулируется так, чтобы гарантировать, что только наконечник касается поверхности, а не других частей зонда. На каждом этапе скручивание измеряется и соотносится с силой трения по следующей формуле:

${ displaystyle F_ {frictional} = {{ Delta Vk _ { phi}} over {2h_ {eff} delta}}}$

куда ${ displaystyle Delta V}$ это выход Напряжение, ${ displaystyle k _ { phi}}$ это крутильная постоянная консоли, ${ displaystyle h_ {eff}}$ - высота наконечника плюс толщина кантилевера и ${ displaystyle delta}$ - чувствительность к боковому отклонению.^[15]

Поскольку наконечник является частью податливого устройства, кантилевера, можно указать нагрузку, и поэтому измерение выполняется в режиме управления нагрузкой; но в этом случае кантилевер имеет нестабильность с защелкиванием и отрывом, и поэтому в некоторых регионах измерения не могут быть выполнены стабильно. Этой нестабильности можно избежать с помощью методов, контролируемых смещением, одной из которых является микроскопия межфазных сил.^[11][17][18]

Метчик может контактировать с образцом в течение всего процесса измерения, и это называется контактным режимом (или статическим режимом), в противном случае он может колебаться, и это называется режимом постукивания (или динамическим режимом). Контактный режим обычно применяется на жесткий образец, на котором наконечник не может оставить никаких следов износа, таких как шрамы и мусор. Для более мягких материалов используется режим нарезания резьбы, чтобы минимизировать влияние трения. В этом случае наконечник вибрирует пьезо и ударяет по поверхности в резонансная частота кантилевера, то есть 70-400 кГци с амплитудой 20-100 нм, достаточно высокой, чтобы игла не прилипала к образцу из-за силы адгезии.^[19]

Атомно-силовой микроскоп можно использовать как наноиндентор для измерения твердости и Модуль для младших образца. Для этого приложения наконечник сделан из алмаз и прижимается к поверхности около двух секунд, затем процедура повторяется с разными нагрузками. Твердость получается делением максимальной нагрузки на остаточный отпечаток индентора, который может отличаться от сечения индентора из-за явления втягивания или наложения.^[20] Модуль Юнга можно рассчитать с помощью метода Оливера и Фарра, который позволяет получить связь между жесткость образца, функции площади вдавливания, ее значений Юнга и Пуассона модули.^[21]

Атомистические симуляции

Вычислительные методы особенно полезны в нанотрибологии для изучения различных явлений, таких как наноиндентирование, трение, износ или смазка.^[11] В атомистическом моделировании движение каждого атома и траектория может отслеживаться с очень высокой точностью, поэтому эту информацию можно связать с экспериментальными результатами, чтобы интерпретировать их, подтвердить теорию или получить доступ к явлениям, которые невидимы для прямого исследования. Более того, при атомистическом моделировании не существует многих экспериментальных трудностей, таких как подготовка образцов и приборная калибровка. Теоретически можно создать любую поверхность, от безупречной до самой беспорядочной. Как и в других областях, где используется атомистическое моделирование, основные ограничения этих методов связаны с отсутствием точных межатомные потенциалы и ограниченный вычислительная мощность. По этой причине время моделирования очень часто невелико (фемтосекунды), а временной шаг ограничен 1 фс для фундаментального моделирования и до 5 фс для крупнозернистых моделей.^[11]

С помощью атомистического моделирования было продемонстрировано, что сила притяжения между зондом и поверхностью образца при измерении СЗМ вызывает эффект перехода к контакту.^[22] Это явление имеет совершенно иное происхождение, чем защелкивание, которое происходит в АСМ с управляемой нагрузкой, поскольку последнее возникает из-за конечной податливости кантилевера.^[11] Было обнаружено происхождение атомного разрешения АСМ, и было показано, что ковалентные связи образуются между зондом и образцом, которые доминируют во взаимодействиях Ван-дер-Ваальса, и они отвечают за такое высокое разрешение.^[23] Моделируя сканирование АСМ в контактном режиме, было обнаружено, что вакансия или адатом может быть обнаружен только атомарно острым наконечником. Вакансии и адатомы в бесконтактном режиме можно различить с помощью так называемой техники частотной модуляции с неатомно-острым наконечником. В заключение, только в бесконтактном режиме может быть достигнуто атомное разрешение с помощью АСМ.^[24]

Характеристики

Трение

Трение, сила, противоположная относительному движению, обычно идеализируется с помощью некоторых эмпирических законов, таких как АмонтонПервый и Второй законы и Закон Кулона. Однако на наномасштабе такие законы могут потерять свою силу. Например, второй закон Амонтона гласит, что коэффициент трения не зависит от площади контакта. Поверхности, как правило, имеют неровности, которые уменьшают реальную площадь контакта, и поэтому уменьшение такой площади может минимизировать трение.^[25]

В процессе сканирования с помощью АСМ или FFM игла, скользящая по поверхности образца, проходит как через точки с низкой (стабильной), так и с высокой потенциальной энергией, определяемые, например, положениями атомов или, в более крупном масштабе, шероховатостью поверхности. .^[19] Без учета тепловых эффектов, единственной силой, которая заставляет наконечник преодолевать эти потенциальные препятствия, является сила пружины, создаваемая опорой: это вызывает скачкообразное движение.

На наномасштабе коэффициент трения зависит от нескольких условий. Например, в условиях легкой нагрузки, как правило, ниже, чем в макромасштабе. При более высоких условиях нагружения такой коэффициент стремится быть близким к макроскопическому. Температура и скорость относительного движения также могут влиять на трение.

Смазывающая способность и суперсмазка в атомном масштабе

Смазка это метод, используемый для уменьшения трения между двумя поверхностями во взаимном контакте. Как правило, смазочные материалы представляют собой жидкости, помещаемые между этими поверхностями для уменьшения трения.

Однако в микро- или наноустройствах часто требуется смазка, а традиционные смазки становятся слишком вязкими, когда они ограничиваются слоями молекулярной толщины. Более эффективный метод основан на использовании тонких пленок, обычно производимых Langmuir-Blodgett осаждение, или самособирающиеся монослои^[26]

Тонкие пленки и самоорганизующиеся монослои также используются для увеличения адгезионных явлений.

Было обнаружено, что две тонкие пленки из перфторированных смазочных материалов (PFPE) с различным химическим составом имеют противоположное поведение во влажной среде: гидрофобность увеличивает силу сцепления и снижает смазку пленок с неполярными концевыми группами; вместо этого гидрофильность имеет противоположные эффекты с полярными концевыми группами.

Сверхсмазочность

“Сверхсмазочность представляет собой трибологическое состояние без трения, иногда возникающее в соединениях материалов нанометрового размера ».^[27]

На наномасштабе трение имеет тенденцию быть неизотропным: если две поверхности, скользящие друг относительно друга, имеют несоразмерную структуру поверхностной решетки, каждый атом подвергается разному количеству силы с разных направлений. В этой ситуации силы могут компенсировать друг друга, что приводит к почти нулевому трению.

Самое первое доказательство этого было получено с помощью СВН-СТМ для измерения. Если решетки несоизмеримы, трение не наблюдалось, а если поверхности соизмеримы, сила трения присутствует.^[28] На атомном уровне эти трибологические свойства напрямую связаны со сверхсмазкой.^[29]

Пример этого дается твердые смазки, Такие как графит, MoS2 и Ti3SiC2: это можно объяснить низким сопротивлением сдвигу между слоями из-за стратифицированной структуры этих твердых тел.^[30]

Даже если в макроскопическом масштабе трение включает в себя несколько микроконтактов разного размера и ориентации, на основании этих экспериментов можно предположить, что большая часть контактов будет находиться в суперсмазочном режиме. Это приводит к значительному снижению средней силы трения, что объясняет, почему такие твердые частицы обладают смазывающим эффектом.

Другие эксперименты, проведенные с LFM, показывают, что режим прерывистого скольжения не виден, если приложенная нормальная нагрузка отрицательна: скольжение наконечника плавное, а средняя сила трения кажется равной нулю.^[31]

Другие механизмы повышенной смазки могут включать:^[32] а) термодинамическое отталкивание из-за слоя свободных или привитых макромолекул между телами, так что энтропия промежуточного слоя уменьшается на малых расстояниях из-за более сильного удержания; б) электрическое отталкивание из-за внешнего электрического напряжения; c) отталкивание из-за двойного электрического слоя; (d) Отталкивание из-за тепловых колебаний.^[33]

Смазывающая способность в атомном масштабе

С введением AFM и FFM тепловые эффекты на смазывающую способность в атомном масштабе уже нельзя было считать незначительными.^[34] Тепловое возбуждение может привести к многократным скачкам наконечника в направлении скольжения и назад. Когда скорость скольжения низкая, наконечнику требуется много времени, чтобы перемещаться между точками с низкой потенциальной энергией, а тепловое движение может привести к тому, что он совершит множество самопроизвольных прямых и обратных прыжков: следовательно, необходимая боковая сила, чтобы заставить наконечник следовать за медленным движение опоры небольшое, поэтому сила трения становится очень низкой.

Для этой ситуации был введен термин термосмазывающая способность.

Адгезия

Адгезия - это тенденция двух поверхностей оставаться вместе.

Внимание к изучению адгезии на микро- и наномасштабах возросло с развитием АСМ: его можно использовать в экспериментах по наноиндентированию, чтобы количественно оценить силы адгезии.^[35][36]

Согласно этим исследованиям, твердость была постоянной с толщиной пленки и определялась по формуле:^[37]

${ displaystyle H = { frac {P_ {c}} {A_ {c}}}}$

куда ${ textstyle A_ {c}}$ площадь отступа и ${ textstyle P_ {c}}$ нагрузка, приложенная к индентору.

Жесткость, определяемая как ${ textstyle S = { frac {dP} {dh}}}$, куда ${ displaystyle h}$ - глубина вдавливания, можно получить из ${ textstyle r_ {c}}$, радиус контактной линии индентора.

${ Displaystyle S = 2 cdot E ' cdot r_ {c}}$

${ displaystyle { frac {1} {E '}} = { frac {1- nu _ {i} ^ {2}} {E_ {i}}} + { frac {1- nu _ { s} ^ {2}} {E_ {s}}}}$

${ textstyle E '}$ - приведенный модуль Юнга, ${ textstyle E_ {i}}$ и ${ displaystyle nu _ {я}}$ - модуль Юнга индентора и коэффициент Пуассона, ${ displaystyle E_ {s}}$, ${ displaystyle nu _ {s}}$ те же параметры для образца.

Тем не мение, ${ textstyle r_ {c}}$ не всегда можно определить из непосредственного наблюдения; это может быть выведено из стоимости ${ textstyle h_ {c}}$ (глубина вдавливания), но это возможно только при отсутствии провала или нагромождения (идеальные условия поверхности Снеддона).^[38]

Если, например, имеется врезание, а индентор имеет коническую форму, ситуация описана ниже.

Смещение наконечника ( час), эластичный смещение поверхности образца на линии контакта с индентором ( он), глубина контакта (hc), контакт радиус (rc) и угол конуса (α) индентора.

Из изображения мы видим, что:

${ displaystyle h = h_ {c} + h_ {e}}$ и ${ displaystyle r_ {c} = h_ {c} cdot tan alpha}$

Из исследования Оливера и Фарра^[35]

${ displaystyle h_ {e} = epsilon cdot h}$

где ε зависит от геометрии индентора; ${ textstyle epsilon = 1 - { frac {2} { pi}}}$ если коническая, ${ textstyle epsilon = { frac {1} {2}}}$ если он сферический и ${ textstyle epsilon = 1}$ если это плоский цилиндр.

Оливер и Фарр поэтому не рассматривали силу сцепления, а только силу упругости, поэтому они пришли к выводу:

${ displaystyle F_ {e} = { frac {2} { pi}} cdot E ' cdot tan alpha cdot (h-h_ {f}) ^ {2}}$

Учитывая силу сцепления^[38]

${ displaystyle P = F_ {e} + F_ {a}}$

Представляем ${ textstyle W_ {a}}$ как энергия адгезии и ${ displaystyle gamma _ {a}}$ как работа адгезии:

${ displaystyle W_ {a} = { frac {- gamma _ {a} cdot 4 cdot tan alpha} { pi cdot cos alpha}} cdot h_ {c} ^ {2} }$

получение

${ displaystyle F_ {a} = - { frac { gamma _ {a} cdot 8 tan alpha} { pi cdot cos alpha}} cdot (h-h_ {f})}$

В заключение:

$${ displaystyle P (h) = { frac {2E ' cdot tan alpha} { pi}} cdot (h-h_ {f}) ^ {2} - { frac { gamma _ {a } cdot 8 tan alpha} { pi cdot cos alpha}} cdot (h-h_ {f})}$$

Последствия дополнительного срока адгезии видны на следующем графике:

Кривые нагрузка-перемещение, показывающие влияние силы сцепления

Во время нагрузки глубина вдавливания выше, когда адгезия не является незначительной: силы адгезии вносят вклад в работу вдавливания; С другой стороны, в процессе разгрузки силы сцепления препятствуют процессу вдавливания.

Адгезия также связана с капиллярными силами, действующими между двумя поверхностями в присутствии влажности.^[39]

Применение исследований адгезии

Это явление очень важно для тонких пленок, потому что несоответствие между пленкой и поверхностью может вызвать внутренние напряжения и, как следствие, нарушение сцепления на границе раздела.

Когда нормальная нагрузка прикладывается к индентору, пленка пластически деформируется, пока нагрузка не достигает критического значения: начинает развиваться межфазная трещина. Трещина распространяется радиально, пока пленка не сморщится.^[37]

С другой стороны, адгезию также исследовали на предмет ее биомиметик Применение: несколько существ, включая насекомых, пауков, ящериц и гекконов, развили уникальные способности лазать, которые пытаются воспроизвести в синтетических материалах.

Было показано, что многоуровневая иерархическая структура способствует усилению адгезии: синтетический клей, воспроизводящий ноги геккона организация была создана с использованием технологий нанотехнологий и самосборка.^[40]

Носить

Износ связан с удалением и деформацией материала, вызванными механическими воздействиями. В наномасштабе износ не является равномерным. Механизм износа обычно начинается на поверхности материала. Относительное движение двух поверхностей может вызвать вмятины, полученные при удалении и деформации материала поверхности. Продолжительное движение со временем может увеличивать как ширину, так и глубину этих углублений.

В макроуровне износ измеряется путем количественной оценки объема (или массы) потерь материала или путем измерения отношения объема износа к рассеиваемой энергии. Однако в наномасштабе измерение такого объема может быть затруднено, и поэтому можно использовать оценку износа путем анализа изменений в топологии поверхности, обычно с помощью сканирования АСМ.^[41]

Смотрите также

• Модель Томлинсона
• Модель Френкеля-Конторова

внешняя ссылка

• Socoliuc, A; Gnecco, E; Maier, S; Пфайффер, О; Баратов, А; Бенневиц, Р.; Мейер, Э (2006). «Управление трением на атомном уровне с помощью контактов нанометрового размера». Наука. 313: 207–10. Bibcode:2006Научный ... 313..207С. Дои:10.1126 / science.1125874. PMID 16840695.
• Лаборатория нанотрибологии для хранения информации и MEMS / NEMS
• Нанотрибология на TRIBONET
• Лаборатория нанотрибологии Пенсильванского университета
• Лаборатория нанотрибологии в Государственном университете Северной Каролины
• Центр синергии исследований и образования в области трения атомного масштаба (AFRESH) инженерная виртуальная организация для сообщества по трению атомного масштаба, чтобы делиться, архивировать, связывать и обсуждать данные, знания и инструменты, связанные с трением атомного масштаба

Рекомендации