图 12-12 Si 尖端和金刚石基底的原子磨损示意图，来源：成像和理解原子级粘附和磨损：使用原位 TEM 进行定量研究，Tevis Jacobs，博士论文，第 151 页。
近几十年来，摩擦学领域对 发生在微米级和纳米级的摩擦 和 磨损过程产生了极大的兴趣。这种兴趣导致了摩擦学的一个新分支的发展，该分支专注于小规模现象—— 纳米摩擦学。随着这一领域的发展，可以通过微观和纳米尺度的过程来研究宏观层面的润滑、摩擦和磨损的奥秘。最近，出版了一本专门研究纳米级摩擦学的教科书：《小尺度摩擦学：关于摩擦、润滑和磨损的现代教科书》. 这本书的作者是来自工业界的表面科学家和物理学家 Mathew Mate 博士，以及摩擦学领域的两位著名科学家——物理学家和（纳米）摩擦学家 Robert Carpick 教授。作者专注于微观和纳米尺度的现象，并将这些过程与宏观摩擦学行为联系起来。这本新书实际上是 Mathew Mate 十多年前写的一本书（《小尺度摩擦学： 摩擦、润滑和磨损的自下而上方法》）的第二版。新版本对所有章节进行了广泛的修订和更新。
本书将研究人员或工程师在小规模摩擦学问题上或当小规模现象驱动宏观行为时所必需的信息集中在一个地方。教科书包含理论，但也包含与摩擦学领域相关的实例。最重要的是，这本书包含了一份有价值的参考资料清单，用于进一步的细节和练习问题的清单。对于那些对原子和分子尺度的摩擦学研究感兴趣的人来说，这本书可以作为初步的基础。
本书以导言章节开篇——概述了摩擦学科学、其经济和技术重要性、其历史和前景。作者详细讨论了摩擦学发现在减少汽车行业摩擦方面的成功应用、微机电系统 (MEMS)中粘着问题的解决方案以及硬盘驱动器设备的改进。本章确保读者对本书的主题充满热情。
自 1950 年代以来，人们认识到表面粗糙度在摩擦、粘附和磨损现象中起着关键作用。它是所有处理粗糙表面接触的接触模型的主要成分之一，因此不能低估该主题对摩擦学家的重要性。表面粗糙度本章介绍了测量表面粗糙度的方法，以及表征表面的各种方法。测量方法包括光学、电子显微镜、原子力显微镜、接触轮廓测量法和其他几种方法。本章详细讨论了这些方法的可能性和局限性。除了测量技术外，表面粗糙度表征是工业中处理摩擦学的研究人员和工程师的重要课题。本章描述了各种表面粗糙度参数，包括R_a, R_q和功率谱密度。还讨论了自仿射分形曲面。
图 2.5.不同尺度的粗糙度[1]。
固体的机械特性和实际接触面积一章讨论了接触体变形的起源，涵盖了弹性和塑性变形机制，并介绍了实际接触面积的概念——这是摩擦学中最重要但最具争议的概念之一。本章的最后一部分专门介绍粗糙表面的接触力学，其中介绍了著名的Greenwood、Williamson和 Persson 粗糙表面接触模型。这些模型允许将表面粗糙度、固体的机械特性和实际接触面积联系在一起。
摩擦是许多机械部件能量损失的根源，考虑到最近讨论的摩擦对气候变化的影响，摩擦学研究的这一领域从未如此重要。摩擦一章向读者介绍了该主题，涵盖了经典摩擦定律和关于摩擦起源的经典观点。Amonton 和 Coulomb 对三个经典摩擦定律的讨论开启了这一章，并使读者熟悉了摩擦系数的概念以及影响该参数的因素。动摩擦系数和静摩擦系数的区别从原子和分子的角度来解释。这里明确区分了干摩擦和润滑摩擦，因为它们的来源不同。介绍了干摩擦的两种主要机制：粘附和耕作。
表面力在纳米尺度上变得很重要，表面能和毛细管压力章节涵盖了这些现象对摩擦和粘附的影响。它从表面能、界面能、表面张力、粘附功和毛细管压力的定义开始。本书的这一部分还回答了为什么固体不像液体以及如何通过接触角测量获得（近似）固体表面能的问题。本章的最后一部分重点介绍粘附滞后及其机械和化学起源。
表面能产生表面力。源自表面能的表面力一章重点介绍了与干燥和潮湿环境中的这些量相关的各种理论。考虑平面球体的典型接触，并介绍和讨论 Derjaguin-Müller-Toporov 以及 Johnson-Kendal-Roberts 理论。本章的后半部分介绍毛细管压力及其对各种自然现象的影响。这包括沙堡的强度、埃及人在沙漠中运输沉重纪念碑时将水倒在沙子上的奥秘，以及普通家蝇在天花板上行走的能力。
图 6.12.公元前 1880 年 Djehutihotep 墓中的壁画描绘了一个巨大的雕像被 172 名男子拖过沙漠（Newberry 1895）。站在雪橇的前缘是一个人在雪橇前倒一种液体，推测是一种润滑剂，可以减少底部雪橇的摩擦力。
表面力的物理起源一章考虑了原子的相互作用。这些相互作用包括范德华力（取向力、感应力和分散力）、固体之间的液体介导力（溶剂化力、静电双层、水合排斥力、疏水性吸引力）以及由于接触带电和静电而上升的力。详细讨论了力的来源，并给出了各种情况的计算示例，包括平面宏观情况下的球体。考虑了 Hamaker 常数和使用 Hamaker 常数的粘附力计算。提出并讨论了接触带电的理论。
图 7.1.分子结合能的比较[1]
由于表面力在摩擦学接触中起着重要作用，因此需要测量这些力。测量表面力一章涵盖了使用力-位移方法测量这些力的基本概念。该方法允许以类似的方式测量法向力和切向力。表面力仪 (SFA) 和原子力显微镜 (AFM)从操作和设计原理开始详细讨论技术。列出了使用这两种最流行的设备进行测量的提示和技巧。描述了原子力显微镜操作的模式，以及原子力显微镜测量的例子。本章的最后一部分说明了使用 AFM 测量各种力，例如范德华力、短程力、毛细管力和摩擦力等等。
多年来， 润滑剂 一直被用于减少摩擦。润滑章节涵盖了这个经典的摩擦学主题。在本章的第一部分，考虑了基本的润滑概念：润滑方式、Stribeck 曲线、润滑类型。还考虑了粘度和剪切稀化及其对润滑的影响。本章的很大一部分专门讨论固体壁附近的润滑剂滑移。最后，讨论了几种类型的轴承。
狭窄部位的润滑 章节 专注于润滑理论中的最新概念。当滑动表面之间的空间变得非常小时——在几个分子层的范围内——润滑剂的行为会发生变化。特别考虑了三种情况：密闭液体、边界润滑以及存在毛细管压力和分离压力。密闭液体表现出从散装到增强粘度和类固体液体的性质转变。正如本章所讨论的，这些转变是由于液体分子的有序化而发生的，并导致粘度增加高达 10^6 倍。关于边界润滑机制，从分子的角度考虑了这种润滑机制的起源。此外，还介绍了抗磨添加剂的影响及其作用机制。在本章的最后一节中，考虑了毛细管力引起的润滑剂弯月面的上升。毛细管压力和分离压力的平衡提供了平衡，并奠定了计算半月板曲率半径的方法。
摩擦的原子起源 考虑了导致原子级摩擦的能量耗散机制。考虑了各种摩擦模型：鹅卵石、Frenkel-Kontorova、Prandtl-Tomlinson 模型。这些模型可用于描述原子尺度的摩擦接触。例如，Frenkel-Kontorova 模型预测存在无摩擦滑动，称为 超润滑性。超润滑状态只有在没有磨损、没有化学反应、没有冷焊的情况下才能实现，因此在工业环境中是无法实现的。本章介绍了几个超润滑示例。此外还讨论了几种摩擦机制：声子摩擦和电子摩擦。
图 12-12 Si 尖端和金刚石基底的原子磨损示意图，来源：成像和理解原子级粘附和磨损：使用原位 TEM 进行定量研究，Tevis Jacobs，博士论文，第 151 页。
本书的最后一章专门介绍了 Wear。 它以术语的定义和磨损后果的几个例子开篇：从灾难性故障到用于将硅晶片抛光到半导体工业中几埃粗糙度的技术。据确定，有超过 182 个方程式可以用来模拟磨损，但是，其中大部分是经验性的。最常见的模型之一是 Archard 的模型。本章推导了模型。本书的这一部分进一步介绍了各种磨损机制：分层磨损、塑性变形磨损、 粘附磨损、 磨料磨损和氧化磨损过程进行了描述。这些过程是实践中最常遇到的。原子磨损——逐个原子的磨损过程和磨损的过渡态理论是最近研究的理论。使用原子力显微镜可以很好地研究原子磨损。最后，本章以纳米尺度的硬度、塑性和断裂的讨论结束。
参考
