聚碳酸酯(PC)纳米尺度刮擦行为实验研究

摘要

聚碳酸酯（PC）是一种强韧的热塑性高分子材料，被广泛应用于电子电器、医疗器械、航空航天、光学设备等领域。随着纳米科学技术的发展，微纳米级设备由于其具有体积小、质量轻、能耗低、集成度和智能化程度高等特点得到显著发展。由高分子材料制备而成的这些小型化设备器件在微米级甚至纳米量级的尺度下受到磨损和刮擦，导致纳米级的表面损伤。因此，研究高分子材料在纳米尺度下的刮擦行为，将有助于理解材料的纳米刮擦机理与性能，为提高微型设备器件的表面质量提供指导。 为研究PC材料纳米尺度的刮擦行为，本文开展了以下研究工作： （1）根据原子力显微镜（AFM）工作原理，设计了高分子材料纳米尺度刮擦研究的实验方法。利用原子力显微镜进行了PC材料不同法向常荷载的纳米刮擦实验，并对纳米刮擦摩擦力进行了测量和表征； （2）利用原子力显微镜对纳米刮擦实验前后 PC 材料的表面形貌进行了观测，分析不同刮擦法向荷载下材料刮擦变形形貌的演化情况，并结合材料力学性能对其进行机理分析。随着法向荷载的增大，刮擦变形（损伤）机理发生明显的改变，并且可以被分为三种模式：探针在微凸体上滑动、刮擦弹性变形沟壑和永久刮擦变形； （3）讨论和分析纳米刮擦过程中探针所受摩擦力，以及纳米摩擦行为的演化机理。将纳米刮擦变形中的粘-滑现象与纳米刮擦摩擦力的周期性波动现象进行对比，并进行机理分析。刮擦摩擦力随法向荷载发生改变，并且出现与刮擦变形三种模式一一对应的三个阶段。不同刮擦法向荷载水平下，均出现了粘-滑现象，粘-滑现象与摩擦力沿刮擦路径的周期性波动存在对应关系。

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