啊，问题来了:摩擦膜形成的AFM研究

齿轮、轴承和活塞等承载面之间的滑动接触区域是机械系统中最可能发生故障的部位[我]．这些接口通常处于高机械应力下，并经历材料(磨损)和能量(摩擦)耗散，这导致浪费，更糟糕的是，导致灾难性的故障。

了解这些“摩擦”(或“摩擦”)界面中发生了什么对于开发新材料(如润滑剂和添加剂)至关重要，这些新材料可以改善损失并将故障降至最低。摩擦和磨损是严重的经济问题，占全球能源消耗的五分之一以上(二)．然而，研究它们的机制，特别是在微观层面上，是非常具有挑战性的，因为这些现象实际上隐藏在接触体之间。可以这么说，这就是问题所在。

自20世纪90年代以来，afm已经成为摩擦学研究的主要工具，无论是在滑动实验后可视化磨损轨迹的纹理，还是在纳米尺度上测量摩擦力[3]．AFM尖端代表一个单一的粗糙接触模型，滑动通常是在边界条件下，其中摩擦力最大。AFM光学检测系统既监测悬臂弹簧的法向运动(代表法向载荷)，也监测扭转运动(代表摩擦力)。因此，我们可以测量在特定负载下的摩擦响应，或者更好的是，摩擦对负载的依赖关系，这本质上是阿蒙顿定律中的系数。

在下面的例子中，我们来看看在往复摩擦计进行了1h和6h的滑动实验后，在坚硬的高摩擦表面上形成的摩擦膜。摩擦膜是在接触表面滑动过程中形成的薄涂层，可以深刻地影响其摩擦磨损行为(四)．摩擦膜的形成通常是复杂的，而且往往知之甚少。它涉及材料从接触表面或其周围环境(如润滑剂和添加剂)的转变，并由机械、化学和热反应诱导。这些摩擦膜一旦形成并附着在表面，就可以控制滑动接触的摩擦性能。因此，它们是研究和工程的重要目标。

如前所述，除了通过横向力显微镜绘制摩擦响应之外，还可以使用其他技术来深入了解摩擦膜的纳米力学。例如,AM-FM粘弹性映射模式这是Asylum Research独有的一种技术，可以同时生成模量和耗散图，同时在敲击模式下对样品进行成像[v]．这些代表了弹性响应和粘性(和粘性)阻尼-了解聚合物薄膜至关重要的机械性能。

图1。摩擦膜纹理随时间的演变。地形图像显示了摩擦膜的纹理在往复滑动时间从1小时增加到6小时时的变化。(a & c)滑动1小时后，形成斑块状薄膜，斑块大小极不均匀。(b & d)滑动6 h后，仍能看到斑块，但斑块体积更小，尺寸更单一，表面分布更均匀。

图2。摩擦膜耗散和模量随时间的演化。耗散图和模量图采用AM-FM粘弹性映射模式。(左)耗散直方图显示，经受6 h往复滑动的薄膜表现出较低的阻尼行为(约为1小时时的一半)以及更均匀的分布。(右)与1 h时的薄膜相比，6 h时的薄膜的模量也略微向较低的值移动。

图3。往复滑动1 h后摩擦膜的地形和摩擦图像及摩擦环。地形和摩擦图像的比较表明，凸起的摩擦膜斑块(即高原)的摩擦响应低于山谷。这表明，与薄膜顶部相比，山谷具有不同的材料属性(可能还有成分)。如图所示，在不同区域的500 nm段上获得摩擦环。山谷(如区域A)显示出更宽的摩擦环，表明摩擦力更高，而高原(如区域B)显示出更紧密的摩擦环(摩擦力更低)，但有显著的粘滑滑动，如锯齿图案所示。

图4。往复滑动6小时后摩擦膜形成摩擦环。与仅磨损1小时的薄膜一样，6小时薄膜的摩擦环数据表明在山谷中有更高的摩擦，尽管摩擦更加不规则。高原区域同样显示出较低的摩擦和更多的锯齿状滑动行为，再次与1小时膜一致。请注意，在1小时和6小时摩擦膜测量中使用了相同的尖端安装和正常负载，以便可以或多或少地比较横向信号的大小。由此，我们可以看到摩擦环的宽度在摩擦膜斑块或高原上增加了8倍，在山谷中增加了8到12倍。

参考文献

[i]威廉姆斯，约翰。工程摩擦学。牛津大学出版社，1994年。
[ii] Holmberg, Kenneth, Ali Erdemir。摩擦学对全球能源消耗、成本和排放的影响摩擦5,没有。3(2017): 263-284。
[iii] Carpick, Robert W.， Miquel Salmeron。“摩擦表面:原子力显微镜下摩擦学的基础研究。”化学评论97,没有。4(1997): 1163-1194。
[iv]罗，全顺。“固体润滑剂中的摩擦膜。”摩擦学百科全书(2013):3760-3767。
[v] Kocun, Marta, Aleksander Labuda, Waiman Meinhold, Irene Revenko和Roger Proksch。“快速，高分辨率，宽模量范围的纳米机械映射与双峰攻丝模式。”ACS nano11,没有。10(2017): 10097-10105。

样品由卢布尔雅那机械工程学院摩擦学和界面纳米技术实验室Lucija Coga博士提供。