Доминирующее положение на наноуровне занимают поверхностные эффекты, и поэтому можно предположить, что те области нанотехнологий, где присутствуют контактирующие и подвижные компоненты, могут быть критически ограничены трибологическим поведением взаимодействующих материалов.
В особенности это относится к материалам, основанным на углероде, так как их трибологическая характеристика велика настолько, что ее во многих случаях невозможно превзойти. В данной статье рассматриваются новые данные, полученные в результате исследований нанотрибологии различных форм углерода. При этом особое внимание уделяется тонкопленочным материалам.

К системам, основанным на углероде, относится огромное количество материалов, причем список постоянно увеличивается, от строительных блоков биологии до аллотропных модификаций углерода с особенными и экзотическими свойствами, например нанотрубки, бакиболлы, графин и диамондоиды. Углерод может принять множество устойчивых форм, большей частью это происходит благодаря его способности объединяться во множество устойчивых связывающих состояний и создавать прочные связи со многими другими атомами, в том числе с водородом.

Было разработано большое количество углеродных тонких пленок, предназначенных для применения в различных областях, которые требовали нанесения покрытия. К таким можно отнести и те области, для которых необходимо наличие высочайшей трибологической характеристики в самых различных рабочих условиях.

Наиболее важными композиционными переменными являются распространение связывающих состояний и атомное содержание водорода. На Рис. 1 изображен процесс смешивания. Для изменения поверхностной энергии, механических свойств и электрической проводимости можно добавлять такие элементы, как Si, F, N, B и O.

Рис. 1. Диаграмма Робертсона, иллюстрирует различные соединения стандартных материалов на основе углерода.

В данном случае особое внимание уделяется следующему: (i) материалы с упорядоченной сильной sp-связью (то есть, алмаз в монокристаллической или поликристаллической форме); (ii) аморфные материалы с сильной sp-связью, часто упоминаются как тетраэдрический аморфный углерод (ta-C); (iii) аморфные пленки со смешением sp и sp соединений, обязательно присутствие водорода как стабилизатора, часто используются под общим наименованием алмазоподобного углерода (DLC); и (iv) углерод с упорядоченной sp-связью (то есть, графит).

На макроуровне механические и трибологические свойства этих материалов поражают. Алмаз, самый жесткий и прочный из всех известных материалов, можно вырастить в нанокристаллической тонкопленочной форме, причем механические характеристики будут почти эквивалентными. Коэффициенты трения ниже 0,05, то есть материал скользкий как лед, а скорость изнашивания аналогична той, которая свойственна чистым участкам атомного слоя при одном проходе границы полосы скольжения.

При этом, необходимость в смазывающем материале отсутствует. DLC пленки, выращенные в определенной форме, известной как углерод с почти отсутствующим трением (NFC), могут обладать коэффициентами трения на очень низком уровне в 0,001, а скорость изнашивания даже ниже, чем у алмаза.

Алмазные пленки успешно применяются в таких трибологических областях, как покрытия для инструментов, оптические компоненты, биологические имплантаты. В последнее время к ним добавилось применение в качестве конструкционных материалов для резонаторов микроэлектромеханических систем (MEMS) и других связанных устройств. DLC-пленки обладают значительно более устоявшейся сферой применения, к которым относятся покрытия для жестких дисков, аэрокосмические подшипники, детали для автомобилей, ортопедические имплантаты и режущие лезвия.

Тем не менее, широкому применению углеродных пленок на всех уровнях препятствует несколько проблем, к которым относятся напряжение пленки, адгезия пленки, скорость роста и однородность. С более фундаментальной точки зрения, углеродные пленки могут быть очень чувствительны к воздействию окружения. Например, трибологическая характеристика DLC значительно ухудшается в присутствии воды.

В противоположность этому, алмазные пленки могут быть очень неэффективны в вакууме или сухих условиях Коэффициенты трения могут превышать 1,0, а износ становится очень высоким. Для нанотехнологий также имеет значение расположение атомов на локальном участке, ориентация, а также химический состав на границах. Однако, эти факторы еще не изучены.

Широко известны неудачные попытки коммерциализации всех MEMS устройств на основе кремния, имеющих контактирующие подвижные компоненты. Это подчеркивает потребность в альтернативных материалах для устройств и систем микро- и наноуровней.

Ключом к решению проблемы могут стать углеродные материалы. В настоящей статье рассматривается нанотрибология углерода; цель состоит в том, чтобы подчеркнуть нынешнюю степень изученности вопроса и выделить нерешенные проблемы для того, чтобы оценить потенциал использования углеродных материалов в наносистемах.

Трение о единичную неровность

Исследование физических источников трибологии осуществляется путем изучения отчетливых границ. Поэтому, эксперименты и модели часто сосредоточиваются на контактах с единичной неровностью (то есть, ситуации с единичной и непрерывной зоной контакта). Таким образом можно избежать значительных сложностей, вызванных шероховатостью поверхности.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) является самым широко применяемым инструментов для изучения единичных неровностей на наноуровне (Рис. 2), а для симуляции нанотрибологических границ часто используется молекулярная динамика (МД), которая обладает значительной силой, так как действие всех сил, движение и скорость начинаются на уровне атома. Это позволяет определить нагрузки, деформации, температуры и вибрации.

В некоторых случаях также возможно исследовать химические реакции и трансформации материалов. Информацию можно изучить с целью обнаружения и измерения физических механизмов, возникающих на внутренней границе.

 На сегодняшний день необходимо использовать только классическую, не квантовую, МД, чтобы появился хоть какой-то шанс достичь уровня симуляции (то есть, количества атомов), сравнимого с реальными экспериментами с АСМ. Поэтому полученные эмпирическим путем классические потенциалы могут быть неточны. К тому же, временные границы симуляций чрезвычайно малы (длина тактов 10 сек; время симуляции примерно 10 сек).

Рис. 2. Схематическое изображение типичной конструкции АСМ. Контакт единичной неровности на наноуровне возникает между иглой и поверхностью образца. Обычные и поперечные силы и перемещения измеряются с разрешением на атомном уровне. Окружающие условия можно контролировать в широком диапазоне.

К основным проблемам использования АСМ относится калибровка обычных и поперечных сил, контроль состава на поверхности игл, а также сохранение геометрии игл в течение экспериментального тестирования. Осуществленные ранее работы с применением АСМ привели к выводу о том, что трение во многих наноконтактах типа «твердое-твердое» ниже порога износа пропорционально фактической зоне контакта (то есть, количеству пограничных атомов). Другими словами, сила трения Ff для контакта с единичной неровностью выражается формулой:

Ff = τ A    (1),

где A – пограничная зона контакта, а t – сопротивление касательному сдвигу.

Таким образом, t отображает силу трения для каждого пограничного атома. Зона контакта A обычно не изменяется линейно вместе с нагрузкой; например, в классической теории Герца зона контакта пропорциональна нагрузке, увеличенной до 2/3 силы (L). Данные наблюдения полностью противоречат наблюдениям за коэффициентом трения на макроуровне (то есть, тому, что трение линейно пропорционально нагрузке).

Сопротивление сдвигу может быть постоянным или зависеть от контактного давления или действующего сдвига. Линейная зависимость от контактного давления в сочетании с ур. 1 приводит к появлению линейного члена, соединяющего трение и нагрузку, что сходно с известным результатом макроуровня. Но в этом случае результат более понятен с точки зрения физики. Неясным остается только то, как межатомные силы определяют величину самой переменной «t».

Также можно измерить пограничное действие адгезии (энергия адгезии на каждый пограничный атом), которое представляется формулой γ = γ1 + γ2 − γ12, где γ1 и γ2 отображают энергию поверхностей иглы и образца соответственно, а γ12 – это энергия границ.

Все действующие на границах силы включены в переменную γ, которая отображает усилие на единицу площади, необходимое для разрыва контакта между поверхностями.

Если игла «круглая», то есть параболическая, и контактирует с плоской упругой поверхностью, то поведение расходится по спектру от модели Джонсона-Кендалла-Робертса (ДКР) (для крупных игл и податливых материалов с сильной, коротко действующей адгезией) до модели Держагуина-Мюллера-Топорова (ДМТ) (для мелких игл и жестких материалов со слабой, долго действующей адгезией). В эксперименте с АСМ величина «g» определяется от силы FPO , необходимой для разрыва контакта иглы радиуса R с поверхностью:

 (2)

где «c» равномерно распределяется между 1.5 (ДКР) и 2 (ДМТ).

 При проведении многих исследований проявлялась такая тенденция, что механика сплошных сред обеспечивает точное описание зоны контакта А на наноуровне и других свойств контакта.

Следует помнить о таких условных допущениях, как однородность, изотропность, линейность и упругость материалов. Было получено несколько механических моделей с модифицированным непрерывным контактом, которые описывали другие случаи. Тем не менее, если перейти на более фундаментальный уровень, Луан и Роббинс недавно изучили контакты на наноуровне, используя атомистические симуляции, и обнаружили ситуации, когда механика сплошных сред полностью разрушается. Это представляет проблему для анализа контактных свойств в рамках этого атомистического ограничения.

Процесс изнашивания, играющий важную роль во время применения устройств, сложнее измерить в терминах фундаментальных физических параметров. К настоящему моменту, расчеты нагрузок и напряжений, инициирующих износ, а также определение характеристик изменений в форме неровности, отображают тот прогресс, которого достигли эксперименты с АСМ; МД симуляции, которые могут быть созданы при помощи разрыва связей в модели и реорганизации атомов, в значительной степени способствуют изучению природы этого процесса.

При подготовке статьи использованы материалы:
www.nanotoday.com

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Любовь Олиферова,
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru