研究亮点：本研究通过原子力显微镜(AFM)实验，深入探讨了聚合物纳米尺度磨损的机理，揭示了应力分布和温度对聚合物磨损行为的影响，并建立了1个能够准确预测不同条件下磨损体积的转变态理论(TST)模型。

研究背景：

1、聚合物的磨损在许多应用中至关重要，包括轴承、骨科植入物和纳米光刻过程。

2、聚合物的磨损速率受到界面应力和温度的强烈影响，但这些影响通常是基于经验的描述，因为磨损过程涉及粗糙表面上多个尖端之间的复杂相互作用。

3、在以前的这些工作中，尽管接触中存在不均匀的应力，但模型中使用的是平均应力，这导致测得的磨损系数存在很大的不确定性。更重要的是，仍然缺乏对聚合物在纳米尺度上的基本磨损机制（包括温度影响）的理解。

研究思路：

本研究以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为模型聚合物，通过原子力显微镜(AFM)在不同温度下进行纳米尺度的磨损实验，研究了应力和温度对聚合物磨损的影响。实验结果表明，聚合物磨损受到原子磨损和黏弹性松弛的共同控制。研究考虑了接触界面的局部应力分布，这是理解磨损行为的关键，而这一效应在早期对硬质材料的研究中未被考虑。

主要结论：

1、通过AFM实验对PMMA薄膜进行的磨损实验表明，随着施加负载的增加，PMMA结构的磨损速率加快。

2、通过有限元力学分析和TST磨损系数的确定，研究者能够预测不同实验条件下的体积损失率，且预测结果与实验数据的偏差平均小于8%。

3、在提高温度的条件下，实验结果和提出的修正TST模型表明，聚合物磨损的基本机制包括原子磨损过程和黏弹性松弛。

4、该研究建立的模型能够准确预测一系列体积损失率和温度下的磨损行为，为纳米制造（例如纳米光刻）以及医疗应用（如骨科植入物）等领域提供了重要的理论基础。

文章信息：

1、Yijie Jiang, Kevin T. Turner. Thermal and Mechanical Mechanisms of Polymer Wear at the Nanoscale[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c11933.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c11933

2、作者团队来自美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系。