Seminar课程

纳米摩擦学 / 机电与控制工程学院 / 刁东风、范雪

   纳米摩擦学是机械工程硕士研究生的一门专业选修课。摩擦学是研究自然界系统中摩擦学元素(相对运动、相互作用诸表面及参与作用的介质)的行为及结果的科学,以及有关的应用技术。摩擦过程消耗了全世界1/3以上的一次性能源,此外,摩擦对于机械系统服役性能起到至关重要的作用。摩擦学自远古时期就在人类的生活中发挥了巨大的作用,从远古时代的钻木取火,到秦朝的车马以及士兵鞋底的纹理,摩擦伴随着人类文明的不断的发展。到了现代社会,无论是高铁、汽车离合器、变速器中,摩擦学问题也是影响这些设备工作稳定性的关键因素。在未来社会中,无论是太空设备中的润滑,还是环境保护,还是大数据云储存中信息存储技术,摩擦学存在更多的挑战,尤其是纳米尺度摩擦学。

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   摩擦学是研究自然界系统中摩擦学元素(相对运动、相互作用诸表面及参与作用的介质)的行为及结果的科学,以及有关的应用技术。摩擦学在日常生活中以及机械零部件系统中发挥着至关重要的作用,然而,传统的摩擦学往往局限于书本上传统的摩擦学知识,以及已经既定的摩擦学原理,尽管这可以对摩擦学知识有一定的了解,但学生往往更多是为了拿学分而选课,并非真正对摩擦学感兴趣。为此,在本课程学习的过程中,主要围绕纳米摩擦学的前沿研究,让学生们针对某一特定摩擦学问题(超低摩擦、粘滑摩擦、原位摩擦、纳米磨损等等)进行文献阅读与思考,并发表自己的理解。此外,为了,增强学生对于课程内容的理解,全面的了解纳米表面的摩擦特性,希望能够通过学生参观实验室,动手做实验,进行实验数据的处理,完成实验报告,来进行关于纳米表面摩擦特性研究以及一般科学研究过程的理解。

   与以往以教材为主,传授型专业选修课不同,本项目对《纳米摩擦学》课程的教学方式进行了改革,主要的创新思路体现在:

(1)摒弃传统教学过程中使用已出版的教材,即便是最新出版的教材,仍跟不上当今世界最新的研究成果。因此,本课程除了几个章节介绍摩擦学基本知识外,关于纳米摩擦学的教学内容均来自于近三年发表的期刊论文,以此激发学生对于研究创新的兴趣。

(2)通过带领学生进入实验室,结合对于摩擦测试装置的讲解,让学生实际操作测试纳米表面的摩擦学特性,直观的感受到纳米表面对于摩擦学特性的改进作用;此外,通过进入实验室,可以让学生对于纳米尺度的实验研究有更深入的了解,拓宽学生的知识面,有助于学生在自己的研究过程中结合相应的内容发现并解决问题。

(3)通过课程随堂报告全面地考察学生对于纳米摩擦学方面的理解能力,以及学生查阅文献、总结发表的能力。通过当场给予学生反馈,使学生在发表的过程中发现自己的优点和不足。


   对学生在整个上课过程以及课程报告进行分析发现:学生的课堂上对于课程感兴趣的章节并不一致,主要结合学生自身的研究方向,但是对于实验的兴趣很大,对于进入到洁净间进行纳米表面摩擦学实验非常感兴趣,在实验过程中无论是了解实验装置部分,还是实验过程讨论,积极性都较高。课堂发表能够及时认真的完成,绝大多数同学能够清楚地介绍摩擦学中的某一个问题,小部分同学在对内容的理解上还不够充分;对于期末课程报告,学生在数据处理能力和数据分析能力方面较好,而在研究总结以及语言表达上略有不足。总体上来讲,16名选课同学对于纳米摩擦学均获得了一些有效的认识,较大地拓展了他们的专业知识范围,授课效果良好,在学生总结能力的培养方面有待加强。此外,通过让学生在报告中撰写课程总结,了解学生对于本课程的评价,供本项目后续继续改进和提高。

   本课程的考核结果包括学生的平时成绩(40%)和期末课程报告成绩(60%),其中平时成绩包括学生的出席以及课堂发表,期末课程报告是摩擦学实验的总结,课程论文的评价包括数据处理能力、数据分析能力、研究总结能力以及语言表达及格式四个方面,如下图所示。


   从总评成绩来看,课程论文的部分主要是实验环节的总结分析,由于学生在实验阶段较为认真,因此这部分成绩均较好,最高分99分,最低分85分,平均分91.3分。而平时成绩部分,根据学生上课的认真程度和课堂发表的效果,差异较大,认真的同学可以得到满分,而部分同学仅得到75分。综上,本课程通过综合学生在课程各个环节的表现,给出的成绩能够公平公正的评价学生的学习效果。对于学生未来的研究工作能够有所帮助和启发。


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   本课程的设置以教学和实验结合方法。其中教学内容无特定的教材,以纳米摩擦学领域最新研究成果作为课程的主要内容,以激发学生的创新性;实验内容以纳米表面科学与工程研究所的实验条件作为基础,通过实验了解纳米表面的低摩擦和耐磨损特性。具体如下:

教学部分:

(一) 人类文明科学发展史-摩擦学:通过介绍摩擦定义、摩擦学定律、绿色摩擦和纳米摩擦,要求学生了解摩擦学的发展史以及未来发展方向,激发学生对摩擦学的兴趣。具体教学内容:

1.  摩擦学发展史;

2.  过去100年摩擦学发展史;

3.  未来50年表面与纳米摩擦发展展望。

(二) 纳米表面先进制造技术:通过介绍等离子体,电子回旋共振等离子体物理沉积方法,碳纳米表面键合结构及特性,了解真空的定义,获得方法以及测试;掌握等离子体的概念,了解电子回旋共振等离子体的产生方法;熟悉利用电子回旋共振等离子体制造纳米表面的方法;能够理解碳的键合形式,并了解不同碳键合形式纳米表面的特性。具体教学内容:

1.  真空的定义、获得方法与测量;  

2.  电子回旋共振等离子体;  

3.  碳纳米表面制造;

4.  碳纳米表面特性。

(三) 纳米表面接触:通过介绍表面粗糙度,赫兹接触理论,使学生掌握表面粗糙度的概念、表征方法,单微凸体赫兹接触理论,了解多微凸体接触模型及分析方法。具体教学内容:

1.  纳米表面简介;

2.  单微凸体接触;  

3.  多微凸体接触;

(四) 摩擦、磨损和润滑:通过介绍摩擦、磨损机理,固体润滑理论,使学生掌握宏观尺度下摩擦磨损的基本类型及机理、了解流体润滑理论,掌握固体润滑的方法。具体教学内容:

1.  摩擦分类、机理;

2.  磨损类型、机理;  

3.  润滑理论;

4.  摩擦测量

(五) 纳米表面摩擦学:通过介绍纳米摩擦机理,纳米磨损类型,碳纳米表面超低摩擦过程,使学生掌握纳米尺度下摩擦接触机理、纳米磨损类型;了解粘滑摩擦的原理,掌握超低摩擦机理以及碳纳米表面磨损过程;了解透射电镜原位摩擦测量方法。具体教学内容:

1.  纳米摩擦机理;

2.  纳米磨损;  

3.  粘滑摩擦;

4.  超低摩擦;

5.  透射电镜原位摩擦。

 

实验部分:

   实验分组进行,每位同学拿到不同参数下的碳纳米表面样品,利用球盘式摩擦磨损测试氮化硅球与硅基体和碳纳米表面之间的摩擦系数和磨损寿命,并对结果进行分析,完成课程论文报告。


                                                 

球盘型摩擦磨损实验装置的示意图


本实验使用纳米表面科学与工程研究所自行设计的球盘式摩擦磨损试验机对碳纳米表面的摩擦特性进行评价,球盘式摩擦磨损试验机主要由杠杆/悬臂梁加载系统、高精度旋转运动驱动系统、应变信号采集板、应变传感器等装置组成。球盘式摩擦磨损实验工作原理如下:固定旋转样品台的圆心与对磨球中心间距,从而确定摩擦圆的半径。调节配重块的位置使悬臂梁在未施加法向载荷时处于水平状态,通过在托盘中放置砝码施加试验时所需的法向载荷。电机驱动试样台上的试样匀速旋转,样品台的转动精度为2μm,确保摩擦圆上各个点线速度一致。试样与对磨球之间的摩擦力使悬臂梁固定的应变片发生形变产生电信号,电信号经过A/D 信号转换器转换成模拟信号,通过数据采集软件实时记录这些模拟信号。通过对应变片和采集装置进行标定,可以得到该摩擦磨损机的摩擦力的标定公式,利用标定公式对采集到的信号进行处理从而得到摩擦力大小,进而得到试样与对磨球之间的摩擦系数。

本课程的研讨过程分为三部分,包括课堂讨论、实验讨论以及课程报告讨论。

1、课堂讨论:以学生在上课过程中或者在科研过程中遇到的摩擦学或纳米表面相关问题为主,包括(1)粘弹性材料光学玻璃与涂层配副体系下的高温摩擦特性研究,研究设备的标定,以及如何有效测量玻璃在高温变形下的摩擦系数;(2)石墨烯纳米表面的制备以及石墨烯材料在现代工业中的应用例子。

2、实验讨论:以学生在实验过程中遇到的问题为主,包括(1)不同制备参数下纳米表面的结构特性,及其对表面摩擦特性的影响;(2)原子力显微镜的用途;(3)用表面台阶仪的作用,以及纳米表面厚度对于摩擦特性的影响;(4)摩擦实验机的悬臂梁应变片的工作原理以及摩擦力测量分析方法。

                                             

3、课程报告讨论:主要针对学生的课堂报告,通过与学生讨论摩擦学相关的问题,发现学生在整个课程学习中掌握较好的知识点,感兴趣的方向,同时指出学生在报告中遇到的问题,希望对学生的后续学习以及研究工作有所帮助。具体报告内容如下:

 


   本课程在实施过程中,由于结合的最新研究成果、进入实验室实际操作实验,以及课程讨论,对于学生的帮助还是较大的,无论是从对于摩擦学的理解和未来深入研究的探索,还是对于一般科研过程的体验以及对于个人发表能力的提升,均收获了较好的评论,如下为部分选课学生对于课程的总结和评论: