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1引言3

2微／纳米摩擦学的物理原理6

2.1 基本定义6

2.2模型材料8

2.3力学性能9

2.3.1粗糙度9

2.3.2 弹性体11

2.3.3粘弹性体11

2.3.4接触力学13

2.4粘着17

2.4.1 分子力20

2.4.2静电力21

2.4.3毛细作用力24

2.5 润滑27

2.5.1简单液体试验28

2.5.2简单液体仿真30

2.5.3水的整体性能31

2.5.4水的分子膜特性33

2.5.5 润滑和水膜厚度36

2.5.6固体润滑41

2.6摩擦41

2.6.1 宏观粘／滑43

2.6.2微观粘／滑44

2.6.3 纳米粘／滑47

2.6.4粘／滑与滑动速度48

2.6.5摩擦与滑动速度50

2.6.6摩擦与温度、湿度54

2.6.7摩擦与接触几何55

2.6.8 法向力的函数关系57

2.6.9振动59

2.7.1 微观范围的磨损61

2.7.2纳米范围的磨损61

2.7磨损61

2.7.3有机单分子层的磨损62

第二部分生物摩擦系统62

3生物的摩擦和粘附系统67

3.1 生物粘附67

3.2减少摩擦的系统68

3.2.1流体和摩擦68

3.2.2关节和关节软骨71

3.2.3肌结缔组织76

3.3增加摩擦的系统79

3.3.1 植物表面复制机制79

3.3.3 山涧鱼的粘附结构80

3.3.2硬骨鱼类的卵丝80

3.3.4鱼棘中的摩擦81

3.3.5蜥蜴垫的移动粘附82

3.3.6灵长类动物表皮84

3.3.7蛇鳞摩擦表面84

3.3.8寄生虫及植物孢子的互锁85

3.3.9 鸟羽毛的互锁装置85

3.4粘附介质87

3.4.1 粘结剂的高分子设计87

3.5粘附增加系统88

3.4.2偶联剂88

3.5.1 细胞粘附89

3.5.2无脊椎动物90

3.5.3软体动物足丝粘附93

3.5.4海星管脚94

3.5.5软体无脊椎动物的动态粘附96

3.5.6藤壶的粘附97

3.5.7 昆虫和蜘蛛的持久粘附98

3.5.8 水蚤甲壳类动物的临时粘附99

3.5.9 鱼类和海鞘类脊索动物的幼虫粘附99

3.5.10树蛙粘附99

3.5.11 蝙蝠粘附101

3.5.12植物102

3.5.13牙齿表面的粘附102

3.6抗粘附机制104

3.6.1 植物104

3.6.2动物105

4昆虫的摩擦装置107

4.1 昆虫附着装置的原理107

4.2 昆虫表皮——材料的超微结构108

4.3 具有两互补表面的系统110

4.3.1 蜻蜓头部制动系统110

4.3.2 翼锁装置111

4.3.3 昆虫的掣爪肌器官113

4.3.4草蜻蛉的基节互锁机构114

4.3.5跳蝉的基节互锁机构114

4.4一种适应性强的表面系统115

4.4.1 表面特征116

4.4.2爪垫材料的超微结构118

4.4.3 附着爪垫的其他两种样式119

4.5 外表皮的分泌物121

第三部分试验设备121

5.1.1 力的测试127

5微观测试设备127

5.1 微摩擦试验仪127

5.1.2微牛顿级的弹力128

5.1.3球的选择129

5.1.4基于干涉计的摩擦试验仪129

5.1.5 基于光纤光学系统的微摩擦试验仪131

5.1.6 生物微摩擦试验仪133

5.1.7数据分析134

5.2微观力学性能分析136

5.2.1 硬度测量136

5.2.2划痕测试137

5.2.3接触角测量138

5.2.4轮廓仪139

5.2.5润滑油分析140

5.3 相关的表面科学技术141

5.3.1 光电子能谱141

5.3.2俄歇电子能谱143

5.3.3红外光谱144

5.3.4低能量电子衍射145

6.1 扫描隧道显微镜148

6.1.1工作原理148

6纳米探针技术148

6.1.2恒电流方式／恒高方式150

6.1.3 隧道谱150

6.1.4水合扫描隧道显微镜151

6.2 AFM152

6.2.1 工作原理152

6.2.2接触模式153

6.2.3轻敲模式154

6.2.4非接触模式155

6.2.5力的调制155

6.3.1探针与分子间的力156

6.3选择结果156

6.3.2纳米级摩擦磨损157

6.3.3纳米压痕测试158

7显微镜技术160

7.1 显微镜技术原理161

7.1.1 光学显微镜161

7.1.2相衬显微镜162

7.1.3干涉显微镜162

7.1.4偏振光显微镜163

7.1.6透射电镜164

7.1.7扫描电镜164

7.1.5荧光显微镜164

7.2试样准备过程166

7.2.1 固定166

7.2.2包埋168

7.2.3切片168

7.2.4组织着色169

7.2.5组织化学170

7.2.6透射电镜的对比度技术170

7.2.7临界点干燥171

7.2.9低温切断与冷冻切断172

7.2.8冷冻干燥172

7.2.10冷冻置换法173

7.3用于表面表征的显微镜方法174

7.4研究材料结构的专用技术176

7.4.1 微观突起的超结构176

7.4.2孔道180

7.4.3 接触区的液体180

7.4.4纤维复合物的材料特性182

第四部分实例研究182

8试样、试样制备和试验装置187

8.1 一种生物微系统188

8.2试样老化190

9实例研究Ⅰ：压痕和粘着192

9.1测试过程192

9.2压痕193

9.3附着197

9.3.1 附着过程197

9.3.2分离过程199

9.3.3分泌物的粘着特性199

10实例研究Ⅱ：摩擦203

10.1 试验装置203

10.2试验结果204

10.2.1 负荷决定性和摩擦滞后205

10.2.2摩擦的各向异性与内部结构207

11实例研究Ⅲ：材料性能209

11.1弹性209

11.2粘弹性210

12展望213

附录附录A接触模型215

附录B毛细作用理论217

附录C词汇表219

附录D符号表228

参考文献231