410 / 2022-10-10 15:02:31

原子扩散介导的金属材料超低摩擦机理研究

原子扩散,金属,摩擦,表界面,原位透射电子显微镜

微纳器件零部件原子尺度表面易产生界面黏着，粘滑效应和磨损等摩擦学问题，对系统工作效率、可靠性造成致命伤害。揭示原子尺度表界面的摩擦学机理，探究微纳器件表面减阻耐磨机理，对提升金属零部件的服役寿命至关重要。遗憾的是，现有原子尺度摩擦学研究受实验设备条件限制，大多侧重于摩擦规律探索和理论模型的计算，急需摩擦界面结构原子尺度实时观察实验数据的论证。针对上述研究难题，本文将高分辨原位透射电子显微技术和原子力显微技术结合，原位观察摩擦过程中金属微凸体接触界面原子尺度结构变化，并实时监测摩擦力。研究结果表明：原子扩散是介导原子尺度摩擦过程中异质界面W（110）/Au（111）界面结构变化主导机制之一。金属异质界面在拉应力状态下，界面原子排布松散；在接触应力为零或者压应力状态下界面原子呈有序排布。当金属异质界面原子排布松散时，摩擦力极低，界面间可连续滑动，原子扩散介导摩擦全过程；当界面原子有序排布时，界面摩擦 “粘滑效应”（摩擦力呈周期性波动）明显。研究结果揭示了金属之间低摩擦力的来源，探究了原子扩散介导在摩擦界面结构变化的关键作用，实验结果得到分子动学模拟的论证，可为原子尺度表界面摩擦学机理研究提供了新的实验参考和理论支撑。