相对湿度对材料表面粘附力影响研究.PDF

第 26 卷 　第 4 期 摩 擦 学 学 报 Vo l 26, 　No 4 2006 年 7月 TR IBOLO GY Ju ly, 2006 相对湿度对材料表面粘附力影响的研究 卿 　涛 , 邵天敏 , 温诗铸 (清华大学 摩擦学国家重点实验室 , 北京 　100084) ( ) 摘要 : 利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下 ,相对湿度对 Si 100 材料表面粘附力的影响 ,分析 了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献 ,并以 B ET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的 粘附力计算公式. 结果表明:在微载荷条件下 ,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著 ,随着相对湿度升高粘附力 增加 ,特别是相对湿度 RH 在 40% ～80%之间时 ,粘附力变化最为显著 ;当相对湿度 RH 小于 20%时 ,范德华力大于水 的毛细作用力且占主导地位 ;当相对湿度 RH 大于 20%后 ,水分子的毛细作用力不断增加 , 同时范德华力因水膜的存 在而降低 ,水的毛细作用力占主导地位. 关键词 : 粘附力 ; 相对湿度 ; 毛细力 ; 范德华力 中图分类号 : TH 117. 3 文献标识码 : A 文章编号 : (2006) 04 029505 　　暴露在大气中的材料表面能够吸附不同厚度的 对粘附力影响明显. 由于材料表面能的差别 ,其粘附 多层水膜 ,从而影响到材料表面的粘附力 [ 1～3 ] . 在微 力的影响不一样 , 即使同种材料在不同仪器上得出 摩擦条件下 ,当两固体表面的距离小于 10 nm 时 , 由 的规律也不一致. 于水分子的毛细作用力引起的粘附力是材料表面粘 本文作者利用 自制的试验装置 ,在微牛量级上 ( ) μ 附力的主要组成部分 ,这是导致微构件和微机械元 研究了 Si 100 材料表面与直径为 700 m 的 Si N 3 4 件失效的主要方式 [ 3, 4 ] . 国内外就相对湿度对材料 球之间粘附力受相对湿度的影响和变化情况 , 以期 表面粘附力的影响已开展了研究[ 5～11 ] ,其主要采用 为研究相对湿度对粘附力的影响提供实验依据. 的方法有 :利用原子力显微镜研究在纳牛量级载荷 [ 5～9 ] 1　实验部分 下相对湿度对材料表面粘附力的影响 ;利用表 面力仪研究云母材料表面粘附力受湿度影响的情 1. 1　试验装置 况 [ 10, 11 ] ;利用改装或自制装置研究湿度对材料粘附 图 1所示为自制的微摩擦及粘附力测试装置原 力的影响[ 1, 2 , 9 ] . 国内外的研究表明[ 7～11 ] ,相对湿度 理示意图 ,该装置通过微悬臂梁的变形进行加载 ,利