2.5　微摩擦基础

摩擦磨损对微型机械性能的影响十分重要。例如，它将影响微电机和其他微型运动机构的性能和活力，严重的情况下会使微机构根本不能运动而导致完全失效。因此，最大限度地降低摩擦磨损乃至实现无磨损条件，是保证微型器件功能和使用寿命的关键。

对微型机械来说，由于尺度效应，表面积比较大，接触面更平滑，致使摩擦力作用远大于体积力，与宏观摩擦磨损机理有着明显不同。

微观摩擦学由原子、分子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层的摩擦行为。

①微摩擦力取决于两表面发生黏附的程度；

②微摩擦力与把两表面挤压在一起的力的不可逆程度成比例，而不是与力的大小成比例；

③微摩擦力与摩擦表面的真实接触面积成比例；

④在保持滑动速度远低于声速且不使表面变热的条件下，微摩擦力与真实接触点界面上的滑动速度成正比。

传统摩擦中固体表面之间的摩擦是由表面破损造成的，很重的压力和大块的质量作用在固体表面上，造成快速和深入的磨损，主要是研究大块质量的性质。与此相反，研究微摩擦的目的是研究在压力轻微和质量很小的条件下获得无磨损的条件。传统摩擦学研究的摩擦副表面受较大压力，局部表面产生塑性变形，而在微机电系统中，由于运动件质量很小，产生的压力很轻微，表面形变在弹性范围之内，有利于耐磨。

在微机电系统中，虽然摩擦表面之间的压力依然存在，但摩擦表面的摩擦力主要取决于表面之间的相互作用力而不再是载荷压力。

在实际滑动摩擦系统中确实存在无磨损的状况。如果拿两个完全清洁无缺陷结晶的表面对着摩擦，并且如果表面之间没有化学黏结剂形成，则摩擦表面将不发生破坏。理论上也已经预言有摩擦力完全消失的超润滑存在，而超润滑极有可能出现在两个晶体表面之间。一般情况下，表面吸附润滑剂是为了防止磨损，但实际上，滑动摩擦表面早已被大气分子所污染，并且表面上还有许多缺陷和凹凸不平。因此实际摩擦表面获得无磨损条件是很不容易的。

初步的研究结果表明，在微摩擦的环境中，摩擦副表面的物理、化学性能取代了力学性能成为影响摩擦的主要因素。如果条件允许，在微环境中可以达到无摩擦的目的。

需要指出的是，不仅是微机电系统的运动部件间存在摩擦现象。静止不动的构件也受静摩擦力的影响。特别是在微机电系统的制造过程中，静摩擦现象的影响是很严重的。例如在表面微机械加工一些悬空的静止结构时，这些微结构经常因静摩擦力的作用而牢固地黏附在其下衬底表面上，造成器件失效。

大部分表面效应都是和温度有关的。在滑动摩擦的情况下，载荷和滑移速度除影响摩擦和磨损以外，通常都伴随着界面温升现象，输入的摩擦能除了引起材料的塑性变形还在摩擦界面处转化为热能。还应注意，虽然弹性变形几乎不损失能量，但塑性变形会导致晶格振动能的增加即热能的增加。在弹塑性变形的情况，弹性迟滞也导致热能的增加。许多材料的力学械性能（如弹性模量、硬度）和润滑性能随着摩擦界面的温度的升高而蜕化，进而影响其摩擦性能。因此，估算界面的摩擦温升对于合理设计微机电系统的摩擦界面是非常重要的。