基于DMT模型的金刚石表面纳米摩擦学研究.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：杨欣，杨宁基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究润滑与密封，（）：，（）：基金项目：四川省科技计划项目（）；装备技术基础项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：杨欣（），男，硕士研究生，研究方向为金刚石纳米摩擦。：。通信作者：杨宁（），男，工学博士，高级工程师，研究方向 为 金 刚 石 及 超 硬 材 料 加 工。：。基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究杨 欣 杨 宁（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 四川成都）摘要：基于 接触模型，在理论上计算金刚石表面纳米摩擦的摩擦力和摩擦因数；采用原子力显微镜，以金刚石探针和片状金刚石试件作为摩擦副，在大气环境下分别研究机械抛光和聚焦离子束（）刻蚀的金刚石试件的摩擦学特性，并比较实验结果和 接触模型计算结果。结果表明：金刚石试件的摩擦因数均随着载荷的增加而减小，这与以往对金刚石微观摩擦的研究结果相符合；接触模型计算结果与机械抛光表面试验结果吻合较好，而略高于 刻蚀表面试验结果，验证了 模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性。通过表面粗糙度和碳原子化学状态分析，得出粗糙表面对探针滑动的阻碍作用和 刻蚀过程中生产的非晶碳的减摩作用是 模型应用于上述 种加工表面产生差异的原因。关键词：接触模型；金刚石；纳米摩擦；聚焦离子束刻蚀中图分类号：（，）：，（），：；金刚石晶体具有高硬度、高耐磨性和强化学惰性等优点，在高端制造领域得到了广泛的应用，如超精密加工、高性能轴承。然而金刚石工具 工件摩擦学问题凸显，引起了众多学者的关注。许多学者通过实验手段研究了金刚石摩擦特性的影响因素，如温度、摩擦速度和表面润滑等。然而实验研究难以揭示其不易观测的摩擦学本质，需应用理论建模方法。研究表明，金刚石工具 工件在应用过程中产生的纳米级的金刚石微粒，在金刚石表面发生刻划与犁耕造成金刚石的磨损现象，涉及到纳米尺度的黏着现象和表面接触。因而在金刚石摩擦磨损过程中，有必要考虑接触界面的表面粗糙度和非晶化层的影响。传统的 接触模型没有考虑 个表面间表面力的影响，在微纳米尺度下，表面力的影响已经不能被忽略。年，等给出了 黏着接触模型，认为黏着力作用发生在接触区域内，这一模型适用于硬度相对较小，黏附力和接触半径较大的情况，与金刚石磨粒的接触情况并不一致。年，等从理论上提出了 模型，假定黏附力作用在 接触区域之外，这一模型适用于硬度相对较大，黏附力和接触半径较小的情况，这与金刚石磨粒的接触条件较为接近。以往的基于模型的金刚石摩擦磨损研究大多针对金刚石材料的性能参数，如不同晶面的剪切强度，摩擦方向与不同晶面的夹角等，较少关注接触表面粗糙度和金刚石的非晶化等表界面因素的影响。例如，年 等在 模型的基础上，考虑晶面和晶向对摩擦力的影响，对模型进行了修正，并采用实验和分子动力学模拟进行验证，但未关注接触界面金刚石非晶化的现象。本文作者采用原子力显微镜，利用曲率半径为（）的金刚石针尖，在 的载荷条件下，对比研究了机械研磨和聚焦离子束（）刻蚀的金刚石试件在纳米尺度下的摩擦力和摩擦因数，进而分析了不同表面的摩擦力和摩擦因数的差异，验证了 模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性，对金刚石工具 工件制造和使用提供了理论支撑。试验部分 试验材料为获得在表面形貌和表层组织材料上具有差异的金刚石表面，分别采用机械抛光和 刻蚀的方法制备金刚石试件。金刚石试件采用镓（）离子源，加速电压为 ，束流为 ，加工区域 。机械抛光和 刻蚀试件如图 所示。原子力显微镜探针采用 全金刚石探针，图 所示为探针的电镜照片，探针尖端如图（）所示，标称刚度为 ，标称针尖半径为（）。图 金刚石试样及刻蚀区域显微照片 ：（）；（）；（）图 原子力显微镜探针的 图 年第 期杨 欣等：基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究 试验方法文中所有的纳米摩擦试验以及表面形貌扫描均在同一台原子力显微镜上完成，为避免金刚石针尖的磨损对试验结果的影响，试验中分别采用两根针尖曲率半径为（）的球形金刚石探针作为摩擦副，该针尖的悬臂梁刚度通过热噪声法进行标定，其刚度分别为 和 。此外，为了得到准确的摩擦力数值，采用渐变力楔形法对探针的侧向力灵敏度进行标定，结果分别为 和 。图 所示为采用 刻蚀加工的标定用斜坡试样，坡面角 。表 给出了探针的具体参数。图 加工斜坡的电镜照片（）；斜坡的 扫描照片（）；机械抛光表面摩擦力信号（）及 刻蚀表面摩擦力信号（）（）；（）；（）；（）表 探针参数 （）（）试验前，首先用超声波清洗机将 种金刚石试件分别在无水乙醇和去离子水中清洗 ，待其表面干燥后备用。所有的纳米摩擦试验均在一个矩形区域内完成，通过形貌扫描后计算获得表面粗糙度。摩擦区域为 ，速度为 ，在这一区域进行 道划痕，每道划痕选取 个采样点测量摩擦力，法向载荷为 ，试验环境大气相对湿度，环境温度为（）。对单次刻划的数据，为了避免零点漂移对摩擦力数值的影响，将 信号和 信号按式（）处理，作为单次刻划的摩擦力信号。（）式中：和 分别为 采集的单次刻划的往、返摩擦力信号数值；为处理后的摩擦力信号，乘以探针的侧向力灵敏度即为摩擦力。对摩擦试验中采集到的摩擦力和法向力信号，在 道划痕中等间距地选取 组数据的平均值，再分别乘以标定的探针法向灵敏度和侧向力灵敏度，即为摩擦试验的法向力和侧向力，摩擦因数为摩擦力与法向力之比。结果与讨论在上述条件下，分别在机械抛光和 刻蚀的金润滑与密封第 卷刚石试件上进行了一系列摩擦试验。理论模型与试验结果对比利用 测量金刚石探针与金刚石试样的 曲线，如图 所示，横坐标为探针竖直位置，纵坐标为探针悬臂的法向形变量。结合金刚石探针的法向刚度得到的黏附力约为 ，这一黏附力与外加载荷的比值大于 ，因此不能忽略摩擦中的黏附力，在模型选择的过程中需要考虑黏附力的影响。图 曲线 由于 模型和 模型之间的差异，对于处在 和 模型之间的情形，提出了过渡参数 数，用来描述不同接触模型之间的转化，定义为 （）式中：为黏着应力，为碳原子的平衡距离，即金刚石晶格中共价键的长度，；为等效半径，在探针和平面接触情况下，为探针半径；为复合模量，文中 个表面都是金刚石，因此复合模量 （），为金刚石表面的弹性模量；为两表面的黏着功，金刚石的黏着功 。和 绘制了黏着图，采用力参数 （）与弹性参数 数，作为判断接触模型适用范围的依据。把上述金刚石摩擦副的物理参数代入式（）计算可知，力参数约为，弹性参数 ，在上述黏着图中落在接近 模型的区域，因此在金刚石纳米摩擦中利用 模型来计算。在微米纳米的尺度下，宏观的摩擦定律不再适用，为此，等提出了以金属材料摩擦试验为基础的黏着理论。该理论认为，在相对滑动过程中，摩擦力 是由材料在界面上的屈服引起的，其值与摩擦副之间的实际接触面积 成正比，可以表达为 （）式中：为材料的剪切屈服强度，对于金刚石等脆性材料，在变形过程中不发生屈服，剪切屈服强度等于动态剪切强度。接触模型表示的接触半径与载荷的关系可以表达为（）（）式中：为实际接触半径；为外加载荷；为等效半径，、分别为两曲面的曲率半径；为复合模量；、分别为两表面的弹性模量；为两表面的黏着功，金刚石的黏着功 。接触面分离时最大的黏附力为 （）将金刚石的材料参数代入式（）计算，黏附力约为 ，与试验测得的实际黏附力相近。文中，摩擦副的 种材料都是金刚石，因此式（）的第二个公式可以改写为（）（）其中，金刚石的弹性模量 ，泊松比。将式（）代入式（）中重新整理，得到摩擦力关系式：（）（）由式（）可以看到，摩擦力随着外加载荷和接触半径的增大而增大。摩擦因数可由式（）给出：（）（）（）对于各向同性的材料来说，力学性能与内部构型的取向无关，即式（）中的剪切屈服强度为常数。然而，由于特殊的原子构型，单晶金刚石晶体的性能表现出显著的各向异性。、等，发现金刚石的强度严格地取决于晶面和取向，并建立了单晶金刚石定向动态剪切强度计算公式，其表达式为（）（）（）（）（）年第 期杨 欣等：基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究 式中：为修正因子；为金刚石的表面能；为单一粗糙面的楔角；和 分别为单个粗糙面的综合系数和几何系数；是与表面状态相关的系数；为金刚石的解理角；是金刚石的努普硬度；是决定表面粗糙度的抛光痕深度。机械抛光后的金刚石表面粗糙度源于其表面抛光痕迹。表面粗糙度与抛光痕深度呈正相关。主要由塑性变形引起的抛光痕深度计算如下：（）其中：为解理角 相关的系数，解理角 定义为解理面与抛光后的小面之间的角度；是由取向角 决定的系数，取向角 是摩擦方向与“软”取向之间的角度。将式（）代入式（）中，整理得到：（）（）可以看出金刚石动态剪切强度与金刚石物理参数、晶面和晶向有关。根据 等的计算结果，文中试验所用金刚石试件为（）晶面，剪切强度为 。根据上述理论模型进行的计算结果见表。表 模型计算结果 图 所示为 种金刚石表面的摩擦因数和摩擦力随外加载荷的变化曲线与模型计算结果的对比。可以发现，模型计算结果能较好地吻合机械抛光表面的试验结果；当外加载荷较低时，摩擦因数关于载荷的变化率较大，随着外加载荷逐渐增大，摩擦因数在降低的同时逐渐趋于稳定。对比试验结果与模型计算结果，可知无论载荷大小，模型计算的摩擦因数和机械抛光表面摩擦因数差别不大，而 刻蚀表面摩擦因数小于前两者，约为机械抛光金刚石表面的 左右；当载荷从 增加至 ，摩擦因数模型计算结果在 的范围内变化，而试验测得 种金刚石表面的摩擦因数分别在 和 的范围内变化；此外，刻蚀表面的摩擦因数关于载荷的变化率小于机械抛光表面，即变化更加趋于平稳。根据 的摩擦理论，两表面间的摩擦阻力 可以分为界面摩擦力 和犁沟摩擦力；随着法向载荷的增大，摩擦表面的摩擦机制会经历一个由界面摩擦机制为主向犁沟摩擦机制为主的过渡过程；而过渡时所对应的载荷的大小与材料的硬度等固有性质有关，硬度越高，越难发生犁沟摩擦。由于金刚石的硬度很高，难以发生犁沟磨损，因而界面摩擦占主导作用。此时的磨损机制主要是金刚石在机械应力作用下的非晶化以及非晶化层的去除。金刚石表面在机械应力的作用下，表面金刚石晶体出现 键的断裂，非晶化的程度增大，金刚石晶体向非晶态的碳转变，由于碳的低硬度和低剪切强度，所以表面呈现出更低的摩擦因数。图 试验测试和模型计算的摩擦力与摩擦因数对比 综上，模型计算结果能较好地吻合机械抛光表面试验结果，但是两者在数值上比 刻蚀表面要大。文中认为这一差别归因于表面形貌的差异和表润滑与密封第 卷面相变的影响，下文将展开具体分析。表面形貌的影响机械抛光和 刻蚀的金刚石表面形貌如图 所示，可以明显地看到，机械抛光表面有抛光时留下的沟槽，而 刻蚀金刚石表面较为光滑。分别计算了 个表面的粗糙度，得出机械抛光（）、（）、（）个表面的粗糙度 分别为 、，取其平均值 ；刻蚀（）、（）、（）个表面粗糙度 分别为 、，取其平均值 。图 表面形貌：（）、（）、（）机械抛光表面；（）、（）、（）刻蚀表面 ：（），（），（）；（），（），（）由于 模型在计算黏附力时没有考虑接触表面的表面粗糙度，假设是理想球面和理想平面的接触，导致得到的接触表面黏附力相比实际接触表面的黏附力要大。这是因为理想情况下探针与试件表面接触半径为，而实际接触则是探针尖端与试件表面粗糙峰之间的接触，接触半径为，因此，。由式（）可知，黏附力与接触半径成正比，实际接触半径小于模型计算接触半径，即实际黏附力要小于模型计算结果，这与试验结果相吻合。和 观察到原子力显微镜探针在高取向热解石墨表面滑动时摩擦因数很小，但是在表面存在的若干条状区域内，其摩擦因数骤然增加。透射电镜分析表明条状区域的石墨是由无定形碳组成的。这一现象和金刚石表面的摩擦情况比较相似，因此认为表面形貌对摩擦因数有一定的影响。关于摩擦力和表面形貌的对应关系，和提出了“棘轮”模型，如图 所示，在界面摩擦中，这一效应对摩擦力的变化起着主导作用。图“棘轮”模型 “”年第 期杨 欣等：基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究 对于对称形状的粗糙峰，扫描得到的平均摩擦因数 为 （）（）式中：为平面上的摩擦因数，根据这个模型建立的力平衡关系可知，粗糙峰使微观摩擦因数增加，增加量与 成正比，所以摩擦因数与粗糙峰斜率密切相关。此外，当探针沿斜面上升时，表面斜率为正值；当探针沿斜面下滑时，表面斜率为负值。然而，当探针突然沿斜面上升时，探针会与样品表面发生碰撞，进而造成悬臂梁扭转程度加大；当探针突然沿斜面下滑时，探针与样品表面不会发生这种碰撞效应。因此，当探针在样品表面往复扫描时，这种碰撞效应对摩擦力的变化也有贡献。总的来说，模型在黏附力计算中没有考虑表面粗糙度的影响，所以黏附力计算结果略大于试验结果；而机械抛光金刚石表面粗糙度比 刻蚀表面大，且由于有明显的沟槽，因此粗糙峰斜率比 刻蚀表面大，所以机械抛光表面的摩擦因数大于 刻蚀表面。表面相变的影响以往的研究表明，金刚石材料在摩擦的过程中，会发生金刚石键的断裂伴随纳米金刚石颗粒的形成；同时，局部存在高的剪切应力导致局部闪温较大，金刚石表面会发生无序化过程，随之在摩擦界面生成团簇结构，这一现象会影响界面的摩擦学特性。对于金刚石材料的摩擦界面，由于剪切带来的金刚石结构的相变会伴随着界面纳米颗粒以及转移膜的形成，例如 的剪切诱导相变，形成了石墨化的摩擦层，所产生的相被认为是一种具有石墨层状结构的单层易剪切单元，可以实现界面的减摩效果。在机械抛光金刚石表面，载荷逐渐增大，摩擦力随之增大，表面的剪切也逐渐增大，诱导产生了金刚石的相变，因此摩擦因数随之降低。图 所示为机械抛光金刚石的亚表层损伤 照片，可以看到机械抛光后的金刚石表面存在无定形碳。这解释了试验结果中机械抛光表面摩擦因数随法向力增大逐渐减小的现象。图 低温条件下抛光的金刚石试样：（）试样；（），（）亚表层损伤 ：（）；（），（）刻蚀可以实现纳米精度定点直写加工，然而在 加工的同时，也常常伴随着表面的污染损伤。文中试验采用的聚焦镓离子束，在以往的研究中发现存在镓离子注入、离子轰击造成的损伤、相变、无定形化等现象。结合 刻蚀金刚石刀具的研究，当聚焦离子束能量从 增加到 时，金刚石刀具表面损伤层从 增加到 。图 所示为 电子电压下 刻蚀区域内、外 （电子背散射衍射）菊池花纹图样。可以看到，在刻蚀区域内，菊池花纹几乎消失，而在刻蚀区域外，菊池花纹十分明显。由于菊池花纹是由背散射电子衍射形成的，因此背散射电子的最大逃逸深度是否触及到表面损伤层下方的晶体结构决定了是否出现菊池花纹，非晶层的厚度决定了菊池花纹图样的浓度。刻蚀区域的内部菊池花纹暗淡，说明检测到的金刚石相成分较少，而外部菊池花纹明显，说明检测到的金刚石相成分较多。润滑与密封第 卷图 电子电压下 刻蚀位点的扫描图样 ：（）；（）相比机械抛光金刚石表面在摩擦过程由于机械应力作用逐渐产生了非晶态碳，刻蚀在加工过程中就会在表面形成十几到几十纳米厚度的无定形碳层，这一表层损伤导致探针在表面滑动的时候，实际上是在一个金刚石无定形碳的混合材料表面滑动。因为一定厚度的无定形碳层的存在，所以 刻蚀表面的摩擦因数对载荷变化的敏感度较低；也因为无定形碳极低的剪切强度，在摩擦表面会起到润滑作用，导致试验测得的摩擦因数低于机械抛光金刚石，为后者的 左右。这解释了试验结果中 刻蚀表面摩擦因数小于机械抛光表面的摩擦因数的原因，且 刻蚀表面摩擦因数变化很小，几乎可以认为是恒定值。结论（）接触模型计算结果与机械抛光表面试验结果吻合较好，而略高于 刻蚀表面试验结果，验证了 模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性。（）模型黏附力的计算结果略大于测量值，这是由于 模型假设的理想接触导致计算黏附力大于实际接触的黏附力。（）刻蚀表面和机械抛光表面的实验结果呈现相同的趋势，但 刻蚀表面的摩擦因数在数值上低于机械抛光表面，其差异归因于表面粗糙度和金刚石相变的影响。表面粗糙度的影响主要是机械抛光表面有较为明显的粗糙峰和较大的表面粗糙度，这对探针滑动有阻碍作用，这一作用可以用“棘轮”模型和碰撞模型来解释。金刚石相变的影响主要是 刻蚀在加工时离子束对金刚石表面冲击，形成表面缺陷，造成金刚石表面非晶化，产生十几到几十纳米的石墨层，这会起到减摩抗磨的作用，因此在相同的法向载荷作用下，刻蚀表面摩擦因数小于机械抛光表面，约为后者的。关于表面相变这一影响因素对减摩抗磨的贡献还需要进一步的研究。参考文献 ，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：吕茂强金刚石刀具沟槽磨损硬粒子刻划分子动力学仿真秦皇岛：燕山大学，：，（）：宗文俊，孙涛，李旦，等超精密切削单晶硅的刀具磨损机理纳米技术与精密工程，（）：，年第 期杨 欣等：基于 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