УДК 681.586

Е.В.Шалобаев, канд. техн. наук, доц. Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)

МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТРИБОЛОГИИ

Рассмотрены тенденции развития современной трибологии на микро- и наноуровнях, указаны проблемы и направления их решений, а также их взаимосвязь с традиционной трибологией.

В современной трибологии наблюдается тенденция перехода к моделям, рассматривающим контакт на микро- и нанометровом уровнях [1,2].

С одной стороны, трибология появилась из недр классической механики и использует ее методы, результаты и подходы, а с другой – стимулирует интерес механиков к так называемым неклассическим задачам, адекватным условиям реального контакта – с учетом дискретности и поверхностных сил.

Общая тенденция к миниатюризации [3,4] настоятельно требует для моделей фрикционного контакта перехода от рассмотрения объемных свойств материала к изучению их поверхностных свойств, оцениваемых по данным микро- и наноиндентирования.

Основной проблемой остается физическая интерпретация экспериментальных данных при изменении масштаба измерения, поскольку в зависимости от избранного уровня такие характеристики, как модуль Юнга и твердость, могут отличаться не только по величине, но и по физическому смыслу [1].

При этом следует иметь в виду, что при взаимном скольжении твердых тел механические свойства контактирующих материалов могут изменяться под действием теплоты, генерируемой при трении. Хотя существуют многочисленные теории, позволяющие рассчитать объемную и поверхностную температуры и температуру вспышки, но механизм генерирования теплоты остается, по существу, не очень ясным. И здесь определенные перспективы можно связать с моделями нанотрибологии, описывающими процессы возникновения и разрушения молекулярных фрикционных связей.

Такой переход заставляет механиков подвергать ревизии физические основы своей науки, формулируя задачи на стыке молекулярной и статической физики, проливает свет на фундаментальные проблемы трибологии, такие как связь между адгезионными и деформационными механизмами трения [2].

Условно тенденция может быть выражена так. При переходе от макро- к наномодели снижается влияние механических свойств и топографии, повышается влияние таких факторов, как поверхностные силы и выделение тепла. В моделях же трения влияние деформаций, доминирующее в макромире (до 10^-3 м), в микромасштабе (до 10^-6 м) сравнивается с адгезией, а на наноуровне (до 10^-9 м) полностью вытесняется последней. При этом нужно отметить, что различие микро- и наноуровней заключается в наличии или отсутствии сплошности материалов.

Известно множество видов изнашивания, но в реальности не существует трибосистем с единственным видом изнашивания.

Общепринято, что форма частиц износа и внешний вид изношенных поверхностей ясно указывают на вид изнашивания. Однако совместное действие адгезии, пластической деформации, усталости, отслаивания, нагрева и т.д., т.е. различных видов изнашивания, в некоторых случаях приводит к возникновению частиц яйцеобразной формы с максимальным размером до 5 мкм. При достаточно большом количестве указанных частиц наблюдается снижение потерь на трение и замедление процесса изнашивания. И если при этом проводится замена смазки, то вначале фиксируется повышение износа соприкасающихся поверхностей и увеличение потерь на трение. Последнее, якобы парадоксальное, явление объясняется появлением наряду с трением скольжения трения качения. Кроме того, впадины микрорельефа играют роль ловушек для твердых частиц износа и определяют способность удерживать эти частицы, локализуя их действие и снижая износ. Механизм же образования указанных выше частиц пока неясен и наверное также связан с решением задачи на микро- и наноуровнях.

Контакт твердых тел и трение реализуются на микроскопически малых участках реальных площадей контактов, но только, начиная с 1970-х годов, трибологи столкнулись с проблемами трения и износа на микроуровне. Это произошло в результате бурного развития компьютерной техники, потребовавшей создания устройств записи, хранения и обработки информации на магнитных носителях памяти [1].

Развитие техники затронуло много других областей, где контроль трения и износа в микро- и наномасштабе стал необходимостью. Новая область трибологии, определяемая сейчас как микро- и нанотрибология, стала основой разработки нового класса приборов – МЭМС, и новой области микросистемных технологий. Микросистема определяется как миниатюрный прибор [2], сочетающий функции датчика, преобразователя сигнала и исполнительного механизма, т.е. мехатронный объект на микроуровне [3]. Трение, смазка и износ в микросистемах реализуются на очень гладких площадках контакта, соизмеримых с размерами самих систем, и поэтому роль адгезии и поверхностных сил в них очень велика.

Поскольку микроэлектронные технологии основаны на использовании кремния и его оксидов, механические и трибологические характеристики которых очень низки, это требует применения специальных сверхтонких покрытий или методов модификации поверхностного слоя, например, ионной имплантации.

При этом необходимо напомнить, что метод регуляризации микрорельефа, предложенный проф. Ю.Г.Шнейдером [1,5,6] и дающий в макромире эффект резкого снижения трения и износа, имеет ряд ограничений по применению – в частности, это хрупкие, непластичные материалы, пленки, кристаллы.

Для замены используемого процесса вибронакатывания предлагается применять лазерное микроструктурирование поверхностей материалов, используемых в МЭМС [6].

Кроме того, лазерное микроструктурирование, основанное на местном испарении материала, можно использовать и для решения задач по снижению трения и износа в макромире. Так, для структурированных поверхностей наблюдается повышение срока их эксплуатации в 8 раз, благодаря образованию микропор [6], которые сохранялись и после завершения эксплуатации. Форма и размер неровностей – взаимосвязанные характеристики поверхности, поэтому для повышения износостойкости предложено использовать сетку достаточно глубоких кратеров, которые будут играть роль и маслоемких карманов и ловушек для продуктов изнашивания. Такой подход был реализован в работе [7]. Кстати, роль подобных карманов играют полости микроопор в микромеханических устройствах, отверстия в которых имеют звездообразную форму вместо традиционной цилиндрической в макромире [3].

В механике уже давно был замечен эффект резкого возрастания трения при уменьшении нагрузки до 30 Н, что учитывалось эмпирическим коэффициентом Понселе. Недавно был зарегистрирован еще один эффект – резкое (на порядок и более) увеличение трения при увеличении длины трибопары всего в 1,5 раза [8]. Однако механизм этого явления [9] полностью до сих пор не ясен. Переход к микро- и наномоделям трения должен дать ответ на указанные выше вопросы.

В заключение необходимо отметить, что микро- и нанотехнологии будут продолжать бурно развиваться в XXI веке на базе таких достижений науки, как сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия, новые технологии и материалы. Дальнейшее развитие современных технологий невозможно без использования достижений механики контактов, теории адгезии и граничной смазки, т.е. разделов традиционной трибологии.

Из всего изложенного выше можно заключить, что новые разделы трибологии, связанные с микро- и наноуровнями, иллюстрируют прекрасные возможности старой, как мир, науки в эпоху новых технологических возможностей, в частности, в области микросистемной техники.

Список литературы

1. Петроковец М.И., Мышкин Н.К., Чижик С.А. // Трение и износ. 1997. № 2. Т. 18. С. 147-154.

2. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения. Гомель: Изд-во ИММС НАН Б, 2002. 310 с.

3. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношения микро- и макроуровней // Микросистемная техника. 2000. № 4. С. 5-9.

4. Шалобаев Е.В. Проблемы микросистемной техники и XXI век // Микросистемная техника. 2001. № 3. С. 37-38.

5. Шнейдер Ю.Т. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. СПб.: ИТМО, 2001. 120 с.

6. Вейко В.П., Дышловенко С.С. Лазерное микроструктурирование поверхностей / Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). 2001. № 4. С. 119-129.

7. Weber Н.R. Laser microstructuring of surface for improving their tribologikal perfomance // Proc. SPIE. V. 4157. Laser-assisted Microtechnology. 23-25 August 2000. P. 105-112.

8. Шалобаев Е.В., Петров С.Ю., Шапошников М.М., Громова С.В. Проблемы лентопротяжного механизма мехатронного устройства // Материалы Межвузовской конференции: 28-я неделя науки в СПбГТУ. В 5 частях. Ч. 2. СПб.: ГТУ, 2000. С. 30-31.

9. Мусалимов В.М., Лертрунгруанг К. Бифуркации в механизмах // Известия вузов. Приборостроение. 2002. № 2. С. 36-46.