宋保江１,２
㊀阎绍泽１,２
１．清华大学摩擦学国家重点实验室，北京,１０００８４
２．清华大学机械工程系，北京,１０００８４
摘要：从宏观尺度和微观尺度两个方面介绍了界面黏滑摩擦的研究进展，重点概述了宏观黏滑现象及其摩擦特性㊁微观黏滑现象及其摩擦特性㊁黏滑摩擦的建模以及黏滑实验研究进展，分析了现阶段界面黏滑摩擦研究中的重点问题.最后指出，从微观和介观尺度上研究界面摩擦行为是黏滑摩擦的未来发展方向. 关键词：界面；黏滑摩擦；微观黏滑；宏观黏滑；摩擦特性中图分类号:T H １１７．１
D O I :１０．３９６９/j
．i s s n ．１００４ １３２X．２０１７．１３．００１R e s e a r c hP r o g r e s s e s o n I n t e r f a c i a l S t i c k Ｇs l i p F
r i c t i o n s S O N GB a o j i a n g １,２㊀Y A NS
h a o z e １,２
１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fT r i b o l o g y ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g ,１０００８４２．D e p a r t m e n t o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g
,１０００８４A b s t r a c t :T h e r e c e n t p r o g r e s s e s i n s t i c k Ｇs l i p f r i c t i o n o n b o t h o fm a c r o s c o p i c a n dm i c r o s c o p
i c s c a l e s w e r e r e v i e w e d ．T h e f r i c t i o n p r o p e r t i e s e m b o d i e db y t h em a c r o s c o p i c s t i c k Ｇs l i pp
h e n o m e n o n ,t h ed i s Ｇc o v e r y o f t h em i c r o s c o p i c s t i c k Ｇs l i pp h e n o m e n o n a n d t h e i n f l u e n c e f a c t o r s o f t h em i c r o s c o p i c s t i c k Ｇs l i p f r i c t i o nw e r e i n t r o d u c e d ．T h e a c h i e v e m e n t s o f t h em o d e l i n g r e s e a r c h e s a n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e s i n t h e f i e l do f s t i c k Ｇs l i p f r i c t i o n sw e r e s u mm a r i z e d ．T h i s p a p e r g a v e a b r i e f p e r s p e c t i v e t o t h e f o c u s s t u d i e s o n s t i c k Ｇs l i p f r i c t i
o n s a n d p r o p o s e dt h e i d e a s t h a te x p l o r i n g t h e i n t e r f a c e f r i c t i o nb e h a v i o r f r o m m i c r o Ｇs c o p i c a n dm e s o s c o p i c s c a l e s i s t h ed e v e l o p i n g t r e n d i n t h e a r e a o f s t i c k Ｇs l i p f
r i c t i o n s ．K e y w
o r d s :i n t e r f a c e ;s t i c k Ｇs l i p f r i c t i o n ;m i c r o s t i c k Ｇs l i p ;m a c r o s t i c k Ｇs l i p ;f r i c t i o n p r o p e r t y 收稿日期:２０１６Ｇ１０Ｇ０９
基金项目：国家自然科学基金资助项目(１１２７２１７１)；北京市自然科学基金资助项目(３１７２０１７
)０㊀引言
黏滑(s t i c k Ｇs l i p
)摩擦现象广泛存在于自然界及工程领域，它是一种在低速驱动情况下接触界面间滑动和静止交替出现的摩擦现象.地震时板块间的黏滞运动㊁刺耳的刹车声㊁弦乐器的演奏㊁机床导轨低速运动时的爬行现象等，都是由接触界面间黏滑运动引起的.对精密的工程设备而言，一方面，界面间的黏滑摩擦现象一般是有害的，它会引发噪声㊁能量损失和界面磨损，并导致系统运动精度下降；另一方面，也可利用黏滑现象
实现微纳米级的驱动[
１Ｇ２
].界面黏滑摩擦诱导机械系统产生振动[３
]，宏
观黏滑现象一般发生在干摩擦和边界润滑的状态
下[４]
，表现为黏滞阶段的静摩擦力和滑动状态下
的动摩擦力.在２０世纪８０年代之前，以研究宏观的界面摩擦现象为主.随着微纳米技术的发展，人们逐步关注微观尺度下的黏滑现象，并从实验与理论分析方面对界面黏滑摩擦机制开展研究.本文从黏滑摩擦特性㊁理论建模㊁实验研究等
几个方面，对界面黏滑摩擦的研究进展进行综述，探讨现阶段界面黏滑摩擦的研究重点，分析界面黏滑摩擦的未来发展方向.
１㊀宏观黏滑现象及其摩擦特性
１．１㊀预滑动现象
R A B I N OW I C Z [
５Ｇ８
]
利用图１所示的P i n Ｇo n Ｇ
f l a t 摩擦试验机对黏滑运动各阶段的运动状态进行了研究，其中弹簧刚度k p 为驱动机构刚度和界
面接触刚度的等效值.在较低的驱动速度v 下,
质量块在水平方向上受到弹簧力和摩擦力的共同
图１㊀P i n Ｇo n Ｇf l a t 摩擦试验机原理示意图[５
]
F i g ．１㊀S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f f r i c t i o na p p
a r a t u s c a p a
b l e o f p r o d u
c i n g s t i c k Ｇs l i p o
s c i l l a t i o n s [５]
作用(忽略系统的阻尼力).在运动初期，质量块与平面处于相对静止状态；随着弹簧力的增大，质量块与平面间的静摩擦力不断增大，当弹簧力足以克服最大静摩擦力时，质量块与平面之间开始相对滑动.在界面相对运动之前，在系统弹簧力由零增大至最大静摩擦力的过程中，界面间会产生极小的位移而达到新的平衡位置，该现象被称为预滑动现象.图２给出了两种驱动速度下界面黏滑运动中试验机弹簧驱动力随时间的变化曲线，该曲线描述了界面静摩擦力随时间的变化，由弹簧力曲线可以看出预滑动过程(黏滞过程)和全滑动过程，说明了两接触构件的界面黏滑过程
.
图２㊀P i n Ｇo n Ｇf l a t 摩擦试验机黏滑实验中不同驱动速度下
弹簧力和时间的关系曲线[
５]
F i g ．２㊀T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s p r i n g f o r c e a n d t i m e u n d e r d i f f e r e n t d r i v i n g s p e e d i n s t i c k Ｇs l i p
e x p
e r i m e n t [５]
１．２㊀S t r i b e c k 效应
防喷盒
当相互接触的物体处于预滑动阶段时，驱动力要克服平行于接触界面的最大剪切力，即最大静摩擦力.在低速驱动情况下，界面动摩擦力小于最大静摩擦力；在临界速度范围内，在恒定的驱动速度和驱动刚度下，接触界面间的相对运动并不是稳定的，而是呈现出明显的黏滑现象.这种在临界速度范围内，动摩擦力随相对运动速度增大而减小的特性被称为S t r i b e c k 特性[９]
，如图３曲线中摩擦力的负斜率部分.临界速度范围内的S t r i b e c k 效应被认为是宏观黏滑现象的成因[１
０]线内钩子
，一般在干摩擦和边界润滑条件下产生这种界面黏滑摩擦现象.
１．３㊀最大静摩擦力的可变性由图２可得，随着驱动速率的变化，黏滑运动
中的最大静摩擦力也会发生变化[
５
].通常在界面静摩擦阶段，最大静摩擦力随着驱动力增长速率
的增大而减小，如图４所示[
１１]
化学膨胀螺栓.
墨粉最大静摩擦力与图３㊀S t r i b e c k 效应F i g
．３㊀T h e S t r i b e c k e f f e c t 驱动力增长速率之间的关系为消除宏观黏滑现象提供了方法和依据，当驱动力增长速率增大到一定程度后，界面间的最大静摩擦力接近于库仑摩擦力，黏滑现象消失.显然，在一定的系统刚度下，驱动力增长速率随驱动速度的增大而增大，所以提高界面驱动速度是减弱或消除黏滑现象的有效手段
.
图４㊀界面最大静摩擦力与驱动力增长速率关系曲线F i g
．４㊀C u r s e o f t h em a x i m u ms t a t i c f r i c t i o na n d a c c e l e r a t e d s p e e do f t h e d r i v i n g
f o r c e １．４㊀摩擦滞后现象
摩擦滞后现象是界面摩擦力的变化滞后于界面相对滑动速度变化的一种现象.如图３中
S t r i b e c k 效应所示,
界面摩擦力与界面相对速度不相互独立，而在界面相对运动速度发生变化时，界面摩擦力不会如图５a 中所示的那样立即发生
改变.R A B I N OW I C Z [５]发现界面相对速度发生
变化后，在经过Δt 时间后，界面摩擦力才会发生相应的改变，如图５b 所示.很多学者通过实验验
证了这种摩擦滞后现象[
１２Ｇ１３
].宏观界面黏滑现象作为一种摩擦诱导振动的
现象，包含了预滑动和全滑动两种界面运动状态，在干摩擦和边界润滑等润滑模式下均可发生.上述分析表明，黏滑系统的驱动刚度㊁界面间的相对运动速度和润滑条件等是影响黏滑运动的主要因素，而由此导致的黏滑运动过程中接触界面间摩擦的动静特性尚待进一步研究.
２㊀微观黏滑现象及其影响因素的研究
随着微纳米技术的发展，微观黏滑现象的内
(a
)错误情况
㊀㊀(b
)实际情况㊀㊀图５㊀界面摩擦力随速度变化而改变的示意图F i g ．５㊀T h e s c h e m a t i c d i a g
r a mo f t h e f r i c t i o n f o r c e c h a n g i n g w i t h t h e s p
e e d 在机理研究成为摩擦学领域的热点之一.１９８７
年MA T E 等[１４]
用原子力显微镜(a t o m i cf o r c e
m i c r o s c o p
e ,A F M )在微观尺度下发现了钨探针在石墨表面上运动时的切向力波动现象，即微观
尺度的黏滑现象，且切向力的波动呈现周期特性.实验还发现,A F M 钨探针与石墨表面间黏滑运动的周期近似等于石墨基底的晶格常数，如图６所示，其中探针正反两个方向扫描所得的侧向力与位移曲线构成了一个封闭区域，被称为 摩擦回路 ，该封闭区域的面积等于探针与试样接触界面黏滑摩擦过程中所消耗的能量.此后，一些学者在多种材料表面上也发现了微观尺度的黏滑摩擦现象
[１５Ｇ１６
].对于发生于探针与试样之间的微观黏滑
现象，有学者将其机理解释为系统从稳态到失稳并伴随着滑移和能量跃迁的非连续运动过程
[１７
]
.
图６㊀原子力显微镜测得微观黏滑曲线示意图F i g ．６㊀S k e t c ho f a f r i c t i o n l o o p s c a n f o r t h eA F Mt i p
微观黏滑现象的研究方法主要有两种：实验研究和计算机分子动力学模拟.实验研究主要利用扫描探针显微镜(s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p
e ,S P M )㊁表面力仪(s u r
f a c e f o r c e a p p
a r a t u s ,S F A )
㊁光干涉纳米润滑膜测试仪等精密仪器观测微观界面间的摩擦行为[
１８
].计算机分子动力学模拟则针对原子与原子之间所构成的多体系统,
通过势函数确定原子间的作用力，根据传统的牛顿力学得到原子在相空间中运动的轨迹，统计分
析得到该多体系统的物理性质.S H I M I Z U 等[１
９]
通过分子动力学仿真方法对金刚石探针在单晶铜试样表面的微观黏滑现象进行了模拟，与实验结果对比分析表明，采用分子动力学模拟方法对原
子尺度的黏滑行为进行分析是有效的.L I 等[２
０]利用A F M 得到了铂金(P t )探针在金(A u )表面微观黏滑运动的黏滑曲线，与实验结果进行对比分析发现，分子动力学模拟方法在较低的驱动速
度下可以对实验结果进行精确预测.微观黏滑现象是诸多因素共同作用的结果，影响微观黏滑现象的主要因素包括微观表面间的公度性㊁法向载荷㊁界面温度和有序分子膜等.展开微观黏滑现象的研究对认识微观摩擦机理㊁提高显微操作的精度等具有重要意义[
２１Ｇ２２
].２．１㊀微观表面的公度性与微观黏滑现象
K R I M 等[２３Ｇ２４]
利用石英晶体平衡仪(Q C M )对微观黏滑现象与试样接触表面间的公度性进行了研究，实验结果表明，微观摩擦力随两接触表面间的公度程度增加而增大，当两界面不公度时，界
面间的切向力几近为零.此后,H I R A N O 等[２５]
利用扫描隧道显微镜进行了黏滑实验，证实了不
公度的微观界面处会出现 超滑现象 .D I E N Ｇ
W I E B E L 等[２
６
]
用摩擦力显微镜对石墨材料进行黏滑实验时也发现，在两接触表面间不公度时会
出现 超滑现象 ，而两接触表面间公度程度较高时，实验结果呈现明显的微观黏滑现象.微观界面间非公度接触并不是减弱或消除微观黏滑现象的充分条件，对于非公度的接触表面，在较大的法向载荷作用下，实验结果仍然会出现明显的切向力波动现象[
２７
].２．２㊀法向载荷对微观黏滑特性的影响
微观接触界面处的法向载荷通过影响微摩擦力的大小而改变微观黏滑曲线的峰值.MA T E
等[１４]利用钨探针在石墨表面进行微观黏滑实验时发现，微观界面间的平均摩擦力随法向载荷的
增大而近似线性增大.使用其他材料作为基底的实验也得到了类似的结论[
２８Ｇ３０]
.这与传统的C o u l o m b 摩擦定律中法向载荷与摩擦力的关系
类似，但法向载荷对微摩擦的影响比对宏观摩擦力的影响复杂.研究发现微观界面间的黏附作用对法向载荷与摩擦力之间的关系有明显影响，当
相接触的两种材料之间黏附作用较强时，微观界面处摩擦力与法向载荷之间不再满足线性关系[３１].S O C O L I U C等[２７]研究了不同载荷作用下界面出现黏滑运动的情况，发现：界面法向载荷较小时，微观界面间的黏附作用占据主导地位，微观摩擦力几乎不随法向载荷的变化而变化；当法向载荷大于某一阈值后，微观摩擦力随着法向载荷的增大而近似线性增大，微观黏滑运动中的切向力波动现象也愈发明显.微观摩擦力与法向载荷的关系曲线如图７所示.
图７㊀硅探针与N a C l单晶间微观摩擦力与法向载荷的
关系曲线[２７]
F i g．７㊀M e a n l a t e r a l f o r c e v e r s u s n o r m a l l o a db e t w e e n
t h e S i t i p a n d t h eN a C l(００１)s u r f a c e ２．３㊀界面温度对微观黏滑特性的影响
微观界面处温度的变化会影响界面微观粒子热振动的幅值和频率，进而影响微观界面之间相对运动的难易程度，即微观摩擦力的大小.对微观黏滑运动而言，界面温度通过影响微观摩擦力的大小来改变微观黏滑曲线的峰值.H A R R IＧS O N等[３２]采用分子动力学模拟方法研究了１０~３００K范围内界面温度对微观摩擦力的影响，研究结果表明：随着温度的升高，微观摩擦力逐渐减小，而微观摩擦力减小的速度也不断减缓.由此可知，提高界面温度可以有效地减小微观摩擦力[３３Ｇ３４].J A N S E N等[３４]指出微观黏滑过程中的摩擦力是界面温度的显函数，随着温度升高，微观黏滑曲线中的摩擦力峰值降低，如图８所示.２．４㊀界面间分子膜对黏滑特性的影响
当两微表面的分子紧密接触时，界面间的摩擦力较大，若表面间存在分子膜，则会显著地减小界面间的摩擦力.对于含有序分子膜的微观界面，在低速相对运动中也会出现黏滞和滑动的交替现象.I S R A E L A C H V I L I等[３５Ｇ３６]利用表面力仪对使用八甲基环四硅氧烷(OM C T S)作为润滑分子膜的云母试样表面间的黏滑现象进行了研究，发现在黏滑过程中界面摩擦力与分子膜的分子层数和相对滑动速度直接相关.
当分子层数减
(a)T＝１０９
K
(b)T＝１５５
K
(c)T＝２９５K
图８㊀不同界面温度下原子尺度黏滑运动切向力与
相对位移关系曲线[３４]
F i g．８㊀E x p e r i m e n t a l a t o m i c f r i c t i o n l o o p s f o r d i f f e r e n t
t e m p e r a t u r e s r e v e a l t h e s t i c kＧs l i p m o v e m e n t[３４]小，界面黏滞和滑动过程中的摩擦力均会增大，因此黏滑运动的摩擦力也会增大；而随着驱动速度的增大，黏滑过程中摩擦力幅值减小，黏滑运动频率降低；当驱动速度大到一定程度的时候，界面的黏滑运动转变为平稳滑动.Y O S H I Z AWA等[３７]指出：界面间边界润滑膜在滑动和黏滞的过程中分别处于液态和固态的状态，两种状态下分子膜的分子结构和性能不同.T HOM P S O N等[３８]通过分子动力学模拟方法对含分子膜黏滑运动中分子膜黏滞固化现象进行了解释，认为分子膜的液态球形分子在固体表面晶格上生成了外延的晶体是分子膜黏滞固化的原因.值得注意的是，界面分子膜的分子结构会影响分子膜的黏滑性能，对于相同层数的分子膜而言，小分子直径的分子膜
黏着作用较强，使得黏滑运动中摩擦力幅值增大且黏滑频率降低[３９].基于对分子膜摩擦特性的研究，一些学者研制了一类性能稳定㊁摩擦因数小的有序分子膜，如L B膜㊁自组装膜㊁分子沉积膜等，有序分子膜的研制对解决微机电系统中的摩擦学问题具有积极作用[４０].
此外，微观界面间的相对运动速度㊁微观表面特征等因素也会影响微观摩擦力，使微观黏滑曲线的峰值发生变化.影响微观黏滑现象的因素之间相互干渉，呈现出复杂的摩擦规律，因此，单一因素对微观黏滑运动的确定性影响还有待进一步研究.
３㊀黏滑摩擦的理论模型
目前，描述宏观和微观尺度的黏滑理论模型主要有三种：粗糙表面黏滑模型㊁特征长度黏滑模型和速度相关黏滑模型.
３．１㊀粗糙表面黏滑模型
粗糙表面黏滑模型将黏滑现象归因于接触面的粗糙属性[４１].两粗糙表面相互接触时，真实接触的部分是两表面上的粗糙峰，如图９所示，在一定的驱动速度下，当滑块接触面上的粗糙峰在基底表面上滑动时需要越过不同形状的粗糙峰，因而产生不同的阻力.粗糙峰的高度㊁坡度㊁驱动速度和接触面的材料特性等因素决定了界面运动中黏滞和滑动的状态；而黏滑运动曲线的规律性则取决于接触表面粗糙峰的规则程度[４２].一些学者认为,A F M探针在基底表面上运动所得出的微观黏滑现象从微观尺度上验证了粗糙表面黏滑模型的正确性[１４,４３].
图９㊀粗糙表面黏滑模型示意图[４２]
F i g．９㊀T y p i c a l s t i c kＧs l i p f r i c t i o n t r a c e s o f t h e
S u r f a c eT o p o l o g y M o d e l[４２]
３．２㊀特征长度黏滑模型
特征长度黏滑模型引入了特征长度的概念(或特征时间长度τs，它表示两接触表面上微凸体从进入接触区到完全接触状态所经历的时间)，特征长度概念由R A B I N OW I C Z[５]提出，该模型假定宏观粗糙表面之间的接触是通过表面微凸体之间的黏着作用实现的.对相对滑动的两接触表面而言，从其中一表面上的微凸体与另一表面微凸体相互接触开始，到二者分离时所移动的长度被定义为特征长度D c.图１０为特征长度黏滑模型的原理示意图，当相互接触表面相对运动时，滑块上的微凸体缓慢爬行过特征长度D c，如图１０a~图１０d所示，界面在该过程中处于黏滞状态.在两微凸体分离后，界面处于滑动状态，摩擦力骤降；而后，滑块微凸体与下一微凸体开始接触，如图１０e所示.该模型被普遍运用于分析岩石间相对滑动的过程[４４].特征长度黏滑模型也可以用来解释分子级平整表面的微观黏滑现象，对于大分子聚合物，特征长度D c即为分子链之间纠缠长度[４５]
.
(a)t＝
０
(b)t＝τ
贴片线圈
s
(c)
继续接触
(d)
进一步接触
(e)分离
图１０㊀特征长度黏滑模型示意图[４２]
F i g．１０㊀S k e t c ho f t h e d i s t a n c eＧd e p e n d e n t f r i c t i o nm o d e l[４２]３．３㊀速度相关黏滑模型
粗糙表面黏滑模型和特征长度黏滑模型一般用于接触界面无润滑的情况，而边界润滑的条件下黏滑现象依然可以发生.速度相关黏滑模型能够更全面地描述后者的黏滑现象.当两接触界面相对运动时，如果在一定运动速度下的动摩擦力小于预滑动阶段的最大静摩擦力，则两接触表面冶炼炉
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