（机械设计及理论专业论文）过渡层模型及其润滑性能研究.pdf

中支摘要 中文摘要 摘要：在微机电系统、纳机电系统以及微纳器件中，与面积相关的摩擦力、黏滞 力等成为制约系统性能的关键因素，这一点与宏观机械明显不同。常规流体润滑 中，可以认为黏度不受摩擦副壁面的作用；然而，在微纳系统中，当摩擦副间隙 下降到微纳尺度间隙时，摩擦副壁面对润滑剂黏度的作用则不能忽视。本文提出 一种数学计算模型来描述微纳尺度间隙下黏度的变化，我们称之为过渡层模型。 过渡层模型认为，在微纳尺度间隙下，黏度变化分为三层，即靠近两固体壁面的 两个过渡层及中问流体层。过渡层中的润滑剂受到同体壁而的作用，而且越靠近 壁面，所受影响越大。所以，过渡层中流体黏度可以根据距离壁嘶的远近来确定。 中l 、日j 流体层远离两固体壁面，可以认为它不受壁面的作用，黏度保持恒定。 据此，我们建立了过渡层模型等效黏度的数学模型。并且推导了基于过渡层 模型的二维、三维r e y n o l d s 方程。求解二维与三维r e y n o l d s 方程并对过渡层模型 的润滑性能进行了深入的分析与讨论。 计算结果表明，过渡层比例很小时可以忽略其作用而润滑与常规流体类似当 过渡黏度层所占比例增大到一定程度后，其润滑特性与常规流体有较大差异。这 一模型可以解释微纳尺度间隙下的尺度效应等特征，具有较广泛的应用前景。 图6 2 幅，参考文献6 5 篇。 关键词：微纳尺度间隙；润滑；黏度：过渡层；尺度效应；有序分子层 分类号：t h l l 7 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ei n f l u e n c eo nl u b r i c a n te x e r t e db yt h es u r f a c eo ff r i c t i o np a i rc a nb e i g n o r e di nc o n v e n t i o n a ll u b r i c a t i o n ；h o w e v e r , s u c hi n f l u e n c e b e c o m e so b v i o u sw h e nt h e s i z eo ft h eg a pb e 觚e e ns u r f a c e so ff r i c t i o np a i rr e d u c e st om i c r o n a n os c a l e i nt h i s p a p e r , at r a n s i t i o nl a y e rm o d e li sp r e s e n t e dt od e p i c tt h e v a r i a t i o no ft h ev i s c o s i t yo ft h e 1 u b r i c a n ti nm i c r o n a n os c a l ec l e a r a n c e t h ev i s c o s i t yv a r i a t i o ni nt r a n s i t i o nl a y e rm o d e l i sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r s ，n a m e l yt w ot r a n s i t i o nl a y e r sc l o s et os u r f a c e so ff r i c t i o np a i r a n do n em i d d l ef l u i dl a y e rf a ra w a yf r o ms u r f a c e so ff r i c t i o np a i r t h el u b r i c a n ti n t r a n s i t i o nl a y e ri si n f l u e n c e db ys o l i dw a l l s t h ec l o s e ri ti st ot h es o l i dw a l l s ，t h eg r e a t e r t h ei n f l u e n c ei s t h u s ，t h ev i s c o s i t yo ft h el u b r i c a n tc a nb eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e d i s t a n c ea w a yf r o ms o l i dw a l l s t h ev i s c o s i t yo ft h el u b r i c a n ti nf l u i dl a y e rk e e p s c o n s t a n tb e c a u s ei ti sf a ra w a yf r o mt h es o l i dw a l l sa n dc a nb ec o n s i d e r e dn o ta f f e c t e d b y t h e m m a t h e m a t i cm o d e lo fe f f e c t i v ev i s c o s i t yo ft h el u b r i c a n ti nt r a n s i t i o nl a y e ri sb u i l t a n d2 da n d3 dr e y n o l d se q u a t i o n sa r ed e d u c e db a s e do ns u c hm o d e l t h er e y n o l d s e q u a t i o n sa r e a f t e r w a r d s s o l v e da n dl u b r i c a t i o np r o p e r t i e so ft r a n s i t o nl a y e ra r e d i s c u s s e da n da n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec o m p u t i n gr e s u l t s t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h et r a n s i t i o nl a y e rc a nb ei g n o r e dw h e ni t sp r o p o r t i o nt ot h e w h o l eg a pi s v e r ys m a l la n dt h e l u b r i c a n tp r o p e r t i e sa r es i m i l a rw i t ht h a to f c o n v e n t i o n a lf l u i d s h o w e v e r , w h e nt h ep r o p o r t i o ni sl a r g ee n o u g h ，i t sl u b r i c a n tf e a t u r e s d i 骶rf r o mc o n v e n t i o n a lf l u i d sd i s t i n c t i v e l y t h i sm o d e lc a ne x p l a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha ss i z e e f f e c t si nm i c r o s c a l eg a pa n dh a sar o s ya p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：m i c r o n a n og a p ；l u b r i c a t i o n ；v i s c o s i t y ；t r a n s i t i o nl a y e r ；s i z e e f f e c t ； o r d e r e dm o l e c u l e s c i a s s n o ：t h l l7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师虢小童i | 衰y 签字日期：易面年6 月o 闩 卯f 枷 月 p 彭 0 备 年 登 前 利 弘 作 ： 文 期 沦 同 位 字 学 签 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字r 期：年月同 致谢 本论文的工作是在我的导师张朝辉副教授的悉心指导下完成的，张朝辉副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来张朝辉老师对我的关心和指导。 张朝辉副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张朝辉老师表示衷心的谢意。 张朝辉副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，叶巍、章建群、王子成、王燕等同学对我论 文中的计算结果分析与讨论给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感鲥家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、i k 。 序 序 为适应信息、医学、生物等领域的新需要，人们在不断追求尺度越来越小， 性能越来越完善的微型装置，例如m e m s 力传感器、微加速度传感器、微显示器 芯片、微惯性传感器、微机械血液测试仪、微阀、微泵、微齿轮、微马达等等。 这些具有广泛应用前景的微纳器件、微机电系统( m e m s ) 至纳机电系统( n e m s ) 以及计算机硬盘中都存在微纳米尺度问隙的流体润滑，成为当前一个研究热点。 在含有运动副的这些微纳系统中，摩擦力成为影响系统性能与稳定性的关键 性因素。微纳系统面对的摩擦学问题已经成为制约其发展的一个技术难题，如果 能突破这一技术瓶颈，微纳系统的发展将实现质的飞跃。同时，微纳系统不同于 宏观系统的一个本质性的因素就是尺度效应。相同的参数在宏观系统与微纳系统 表现出完全不同的变化规律，这些参数在微纳系统中更容易受到表面力作用的影 响。 本文提出的黏度过渡层模型很好的模拟了黏度在微纳系统运动副之间的黏度 变化，并分析了过渡层模型的润滑性能。过渡层模型具有如下功能：过渡层模型 为更好地实现微纳机电系统的润滑奠定了基础；过渡层模型很好的解释微纳器件、 微机电系统以及纳机电系统中的尺度效应现象；过渡层模型为其他受到尺度效应 影响的物理量提供了一个建模参考。 本研究工作得到国家自然科学基金( 5 0 7 0 5 0 0 6 ) 、博士点基金新教师项目 ( 2 0 0 7 0 0 0 4 0 3 6 ) 以及北京交通大学科学基金( 2 0 0 4 s m 0 4 1 ) 的资助。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微纳尺度间隙下制造技术及其对摩擦学的挑战 随着现代科学技术的发展，人们不断追求尺度小且性能完善的微型装置，以 适应信息、生物、环境、医学、航空航天和灵巧武器等领域的要求。这一发展趋 势对于现代制造科学技术的发展具有深远的影响。目前，微纳米制造技术【l 乏】已成 为制造业发展的重要方向，是2 1 世纪最具有前景的三大领域和当今世界竞争最激 烈、发展最迅速的领域之一。 在微纳米制造技术中，由于制造的特征尺寸( 如精度、f n j 隙、表面粗糙度及芯 片线宽等) 达到纳米量级，结构尺寸有时也达到微米甚至纳米量级，因此出现了一 系列新的科学问题【】。当器件的尺度从l m m 减小到l p m 时，面积减小近1 百万 倍，而体积减小近1 0 亿倍。此时，f 比于面积的摩擦力、粘性力和表面张力等阻 力与正比于体积的惯性力和电磁力等相比增大达数干倍。正因为如此，在微纳米 器件的设计、制造和使用过程中，发生在表面和界面的摩擦学、热学和化学等行 为占据了主导地位，而深入揭示这些表面行为的规律并寻求其有效的控制方法是 当前微纳米制造科学和技术亟待解决的重要课题。一般认为，微纳米制造技术涉 及到以下关键共性制造技术。 1 1 1 微结构制造技术 单位体积或单位面积内功能结构单元的密度往往决定着产品的性能。目自，j 有 两种微结构制造方案，即“自上而下”和“自下而上 的方案。“自上而下”技术 主要立足于传统的加工方式，通过不断进行技术创新来突破原有的加工极限，以 实现微小结构的制造，其代表工艺有光刻技术、微妪印技术和离了束刻蚀技术等。 以集成电路制造为例，其线宽达9 0 n m 以下，故特别需要关注线宽为2 4 5 0 n m 的集 成电路制造技术。“自下而上”的制造技术则主要立足于分子自组装技术、生物a 复制技术和微操纵技术等，如i b m 公司制作的由4 8 个铁原子构成的“量子栅栏” 【5 】。总体而言，无论是“自上而下”还是“自下而上”的制造技术，其相应的界面 粘着问题、摩擦力非线性问题和分子迁移过程的微摩擦学问题等均己成为微结构 制造技术中有待突破的主要瓶颈。 北京交通大学硕+ 学何论文 1 1 2 纳米精度加工技术 目前对晶片、硬盘和磁头的表面加工平整度要求达到了纳米级，表面粗糙度 要求达到了亚纳米级。在相应的表面加工过程中必然涉及微润滑和磨损机理及技 术。另外，为了实现纳米精度加工，新的加工技术和方法如双光子加工技术和超 微细电火花技术等应运而生，这些新兴的加工技术也需要解决在不同能量场作用 下加工界面与离子流的相互作用，包括微摩擦和微磨损作用。下面以计算机硬盘 为例加以说明。 随着硬盘磁存储密度的快速上升，磁头与磁盘磁介质之间的距离进一步减小， 对磁楹表面质量的要求也越来越高。一方面，当硬盘表面具有波纹度时，磁头会 随着高速旋转的存储器波动而上、下运动，如果波纹度超过一定的高度，磁头将 不能随着波纹度运动，而是与磁盘基片表面碰撞，发生所谓的“磁头压碎”，导致 磁盘设备发生故障或读写信息错误；另一方面，当存储器硬盘表面存在数微米的 微凸起时也会发生磁头压碎。此外，当硬盘表面存在纳米级凹坑时，在超高密度 存储中将难以完整地写入信息，从而导致“比特缺损”或信息读出失败【5 1 。因此， 就盘片表面抛光而言，要求使得磁头浮动高度更小、表面极光滑和无表面缺陷( 突 起、划痕和凹坑1 。 2 0 世纪9 0 年代兴起的新型化学机械抛光( 简称c m p ) 技术是机械磨削和化学腐 蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光液的化学腐蚀作用使被抛光 表面满足很高的光洁、平坦要求【6 一】。目前，大多数硬盘盘片的材料为镀覆镍。磷的 铝合会，用c m p 技术对盘片进行最终精抛光，能达到最终表面料l 糙度r 。值在0 2 n m 左右【8 1 。目前国内最新研究成果显示，盘片的r 值可控制到0 1 n m ( 基于原子力显 微镜a f m 测试) 【引。随着硬盘技术的发展，对盘片表面质量的要求不断提高，逐 步要求盘片的月值降至到0 1 n m 以下，固此，深入研究盘片c m p 抛光机理，丌发 新型的抛光液及抛光技术已迫征眉睫，其中摩擦超光滑表面和纳米颗粒碰撞的深2 n m 的纳米划痕【9 】，如何避免这些微损伤缺陷，实现尽量完美的表面加工是摩擦学 者面临的艰巨任务。 1 1 3 纳米间隙控制技术 就含有运动部件的电子产品( 如硬盘及m e m s ) 和制造装备而言，保证运动剐i 日j 隙处于严格的控制范围对器件的工作可靠性至关重要。计算机硬盘为例，其信息 的读写由磁头和磁盘之l 、日j 的高速旋转运动实现。硬盘盘片的多层膜组成从内到外 依次为盘基、底层、衬层、磁记录层、保护层和润滑层；磁头和磁盘运动副涉及 第一章绪论 高精度、高速度运动控制和定位、微摩擦与磨损、表面加工与改性等问题。这就 从纳米间隙控制技术方面对新型硬盘的制造技术提出了更高要求。计算机硬盘在 尺寸小型化和存储量扩大方面的发展极为迅速。目前，硬盘尺寸已从2 0 世纪8 0 年代的1 4 寸急剧减小至0 8 5 寸，存储量则由1 8 9 g b 飞速提高到1 2 0 g b 以上，并 逐步向1 0 0 0 g b 发展。磁头的飞行高度随磁存储密度的升高而迅速下降，飞行控制 精度却不断提高。2 0 0 4 年报道的最小飞行高度已降至8n n l ，目前国际上正力求实 现飞行高度3 r i m 下运动间隙的精确控制。而空气中分子的自由行程为7 0 n m ，这就 必然面临界面约束很强的稀薄气体润滑问题【l0 1 。其原因在于，随着磁头在磁盘上 飞行高度的降低，润滑气体的稀薄效应显著增强，而此时研究磁头浮动特性时必 须考虑气体分子平均自由程的影响。由于早期的气膜较厚，努森数较小，故可将 气流视为在滑流领域的连续介质。随着磁记录技术的不断发展，头盘问隙越来越 小( 接近1 1 0 分子自由行程) ，润滑气体的稀薄效应不容忽视。因此。建立新的润 滑方程和模型，为纳米间隙运动副提供设计理论已成为急需解决的问题】。 1 1 4 纳米运动精度控制技术 纳米线宽的光刻机和用于纳米精度加工的双光子加工装备要求其运动系统为 纳米级精度。高性能电子产品的制造对电子制造装备的加速度和定位精度提出了 更高要求。如目前最先进的光刻工作台的控制精度接近1 0 n m ，延时仅1 肛s 即会导 致工作台产生4 8 0 9 m 的滞后误差；芯片封装引线键合将向加速度1 2 9 以上、键合 速度1 5 线s 以上、位置误差2 9 m 以下的方向发展。特别是多层引线键合的发展要 求运动轨迹和位置的控制精度更加精确。在这些运动过程中，如何消除摩擦、稳 定摩擦或控制摩擦是一个关键问题。 1 1 5 表面微改性技术 在微纳米制造技术中，往往对表面的物理和化学特性有特殊要求，如高抗湿 性、高洁净度、优良的耐磨性和超润滑等。对微陀螺、微喷、微泵和微阀等微纳 米系统表面的减摩、耐磨处理非常再要。仍以计算机硬盘为例，由于病毒的尺寸 通常为6 0 8 0n m ，远大于磁头、磁黜f l j j 隙；而磁盘表而的任何微小污染均可能导 致硬盘失效，因此对硬盘表面进行处理以降低其表面能的重要性不言而喻【i2 1 。利 用超硬膜和仿生表面技术等可以有效地提高表面耐磨性能。研究表明，对沙蜴背 部和钢表面进行喷砂处理可以显著提高其表面抗磨性能，而经喷砂处理的沙蜴表 面抗磨性能显著优于经喷砂处理的钢表面【3 】，这显示仿生抗磨技术具有广阔的应 北京交通大学硕十学位论文 用前景。 总体来看，就前述几项共性技术而言，其许多指标已超出传统制造研究的范 畴，并深入到纳米尺度的表面和界面设计及制造与控制，相应的摩擦、磨损、润 滑研究成为制约其发展的关键因素之一。 1 2 微纳尺度间隙润滑研究现状 含有运动部件的电子产品如计算机硬盘驱动器、微机械驱动器和光存储系统 等产品的运动副间隙越来越小，白j 隙的大小成为制约产品性能的决定性冈素。如 高精度轴承的润滑膜厚度低至几到几十纳米，此时由于壁面的约束和表面力作用， 润滑膜流变性能与亚微米级润滑膜相比表现出明显差异【m 】。 纳米级薄膜润滑【1 5 _ 2 2 】是上世纪9 0 年代以来被广泛研究的一种界于弹流涧滑与 边界润滑的新型润滑状态，有着自己独特的性质和润滑规律。与弹流润滑相比， 纳米级薄膜润滑更容易受到摩擦副壁面表面能以及流体微结构的作用；与边界润 滑相比，纳米级薄膜润滑又具有一定的流动性，能够产生动压效应并支撑一定的 载荷。以前人们认为边界润滑膜薄到一定程度时，润滑状态将由边界润滑转变为 混合润滑。1 9 8 9 年，雒建斌和严崇年【2 3 j 根据摩擦系数和膜厚的划分范围，发现弹 流润滑与边界润滑之间存在一空白区，随着润滑油膜厚度的逐步减薄，润滑状念 可以经历以下过程【1 7 】：流体润滑一弹流润滑一? 一边界润滑一干摩擦，随后他们提 出该区是一个质变与量变交互在一起的过渡润滑状态。1 9 9 0 - 1 9 9 1 年，s p i k e s 和 j o h n s t o n 2 4 】测量出纳米级润滑膜随工况参数的变化情况，提出了超薄膜润滑的概 念。1 9 9 2 年l e e d 1 y o n 围际摩擦学会议上，重点讨论了业微米和纳米级薄膜的润滑 问题，称其为超薄膜润滑、有的学者称其为部分薄膜润滑【25 1 。1 9 9 3 年北京摩擦学 国际会议上温诗铸【1 6 】，t i c h y i b ，2 6 j 称其为薄膜润滑。 关于纳米级薄膜润滑的定义目自，j - 国际上主要有两种观点。一种主要是以中国 1 6 - 1 8 】、美卧1 5 , 2 6 - 2 9 】的研究者为代表，他们主要从润滑机理出发，认为薄膜润滑是一 种独立的润滑状态。另一种是以英国研究者s p i k e s 2 4 3 0 。3 】为代表，他们认为薄膜润 滑是边界涧滑的延伸，统属于边界润滑范畴。从薄膜润滑的提出到目前为止，摩 擦学者对薄膜润滑的研究主要集中在如下几个方而：薄膜润滑油膜厚度的测试技 术，薄膜润滑的润滑特性，薄膜润滑的机理探索，薄膜润滑的理沦计算研究以及 薄膜润滑的失效等。下面分别就这些方面在试验与理论上的研究现状以及取得的 成果做一简要介绍。 1 2 1 微纳尺度间隙润滑膜厚测试技术 4 第一章绪论 纳米级薄膜润滑的研究中的关键问题之一就是实现这种润滑状态下膜厚的测 量。纳米级薄膜润滑中膜厚的测量是研究薄膜润滑的基础，有了精确的薄膜厚度 才能对其机理进行进一步的研究。由于许多机械加工精度难以达到纳米量级，安 装过程的误差以及外界的干扰( 如振动、光源、外界光变化) 都会给测量带来不 小的影响，基于上述原因建立稳定的纳米级润滑膜并对其厚度和形状加以测量是 一件相当困难的工作。纳米级薄膜厚度测量广泛使用光干涉法。常规光干涉法存 在两个限制：首先，它不太容易精确测量 1 4 的可见光波长，即 1 0 0 衄的油膜厚 度；其次，它只能分辨至少为5 0 n m 的膜厚。只有克服这两个限制，才能实现薄膜 润滑的精确测量。目前来看，关于测量技术主要有3 种。1 9 9 1 年，j o h n s t o n 2 4 】等采 用挚层法和反射光的谱分析手段扩展了光干涉技术，可实现纳米最级的膜厚测量。 1 9 9 4 年，雒建斌、黄平【l7 3 2 】等人利用相对光强原理实现了垂直方向上分辨率达 o 5 n m 膜厚的测量( 图1 1 ) 。1 9 9 9 年，h a r t l l 3 3 0 5 1 与其合作者使用彩色干涉技术 ( c o l o r i m e t r i ci n t e r f e r o m e t r y ) 测量了5 n m 的厚度，并处理为直观的油膜分布图形。 最近，基于光强的多束干涉技术也得到了l n m 左右的测量结果【3 6 】。 mo n o c h r o m a t i cl i g h t 1 l | i l u肜贰 一 r 一 、 i - - 一 l - 、 挺 f mi n t e r f e r e l i c e t h i c k n e s s f r i n g e s l j l g i a s sd i s c ；e m i r e t i e c t e d j - ： l a y e r ) 【 图1 1 相对光强法测苗原理【1 7 1 f i g 1 1r e l a t i v eo p t i c a li n t e r f e r e n c ei n t e n s i t ym e t h o d 1 2 2 微纳尺度间隙下的润滑特性 徘建斌【17 , 1 8 】等人对纳米级溥膜润滑的润滑特性做了较为深入的研究。他们通 过试验考察了膜厚与滑动速度、涧滑剂黏度、固体壁面的表面能等的关系，同时 发现薄膜膜厚的时间效应【37 1 ，即膜厚随时间是不断变化的。此外，膜厚还与其他 因素有关系，如：薄膜所处的电磁场，滑动比以及润滑剂中的极性添加剂和固体 北京交通大学硕+ 学位论文 颗粒添加剂 3 8 - 3 9 1 等。 ( 1 ) 速度对膜厚的影响 在弹流润滑中，速度对膜厚的影响作用很大。膜厚与速度符合h a m r o c k 与 d o w s o n 4 0 1 提出的膜厚公式。然而，随着膜厚的不断减小，膜厚与速度的相关性减 弱，不再符合h a m r o c k - - d o w s o n 膜厚公式。如图1 2 所示，试验发现，包含静止 的吸附层在内的整个膜厚中的速度因子从0 6 9 降低为0 4 5 ，同时，不包含吸附层 的膜厚中的速度因子也有降低的现象。造成这一现象的原因是在大规模无序流体 层与静止的吸附层之间存在一个有序分子层，其有序程度大于大规模无序流体而 小于紧靠壁面的单分子吸附层。雒建斌提出的有序分子层模型很好的解释了这一 现象。 s o o o d m m l 图1 2 膜厚与速度的关系】 f i g i - 2f i l mt h i c h n e s sv s v e l o c i t y ( 2 ) 黏度对膜厚的影响 试验结果如图1 3 所示，当润滑剂黏度较高时，膜厚与黏度在双对数坐标系中 呈近似线型关系。但是，当润滑剂黏度较低时，我们可以看到润滑状态的转化( 从 e h l 到t f l ) 。雒建斌教授对这一现象解释如下【1 7 】：当膜厚下降到几个分子层的厚 度时，固体壁面的表面能对润滑分子的作用变得很强烈。在这种作用下，靠近壁 面的分子趋丁二有序化，从而导敛润滑荆的黏度发生变化。 6 第一章绪论 1 0 1 0 0 i u1 u u1 u l u s p e e d m m s 。1 图1 3 膜厚与黏度的关系1 1 7 1 f i g 1 - 3f i l mt h i c k n e s sv s v i s c o s i t y ( 3 ) 薄膜润滑中润滑剂的等效黏度 如图1 - 4 所示，当润滑油膜厚度下降到十几纳米以下时，等效黏度发生了急剧 的增大 4 1 - 4 3 】。同时发现，不同的固体壁面表面能对润滑剂的作用也不相同。表面 能越大，对润滑剂的黏度作用越突出。造成这一试验现象的原因是，靠近壁面的 流体在金属壁面表面能的作用下趋于有序化，从而导致黏度急剧增大。 01 02 03 04 05 0 f i l mt h i c k n e s s n m 幽1 - 4 等效黏度与膜厚的关系 f i g i - 4i s o v i s c o s i t yo fl u b r i c a n tv s f i l mt h i c k n e s s ( 4 ) 从e h l 到t f l 的转变 如图1 5 所示e h l 与t f l 转化图，实验发现，e h l 到t f l 的转变与润滑剂 初始黏度、分子结构与极性以及摩擦副壁面的表面能有关 1 8 , 3 2 , 4 4 。e h l 到t f l 的 转化标志是润滑油膜中出现有序分子层。 7 枷 伽 伽 m 伽 伽 加 o b正e、jisooio一 北京交通大学硕士学位论文 柏6 0 v i s c o s i t y ，m p a s 1 图1 5t f l 与e h l 转化刚| 8 】 f i g 1 - 5c r i t i c a lt r a n s i t i o nf i l mt h i c k n e s sv s v i s c o s i t y ( 5 ) 摩擦副壁面表面能的影响 如图1 6 所示，试验表明，当摩擦副壁面的相对速度降低时，润滑油膜厚度随 之降低。在e h l 中，膜厚随速度降低程度明显。但在t f l 中，膜厚与速度的相关 性减弱，即随速度变化的程度不明显。f e 与c r 的表面能相近，因此，两条曲线表 示的膜厚与速度关系相近，而a l 的表面能较前两者低，其膜厚小于前两者。这就 说明，摩擦剐壁面表面能越大，其i b j 隙之间的油膜厚度越厚【4 3 , 4 5 4 6 】。 4 0 3 0 1 01 52 0 s p e e d m m s 1 图1 6 膜厚与摩擦副晕面表面能的天裂4 3 1 f i g 1 - 6f i l mt h i c k n e s sv s s u r f a c ee n e r g y ( 6 ) 薄膜润滑中的摩擦力 如图1 7 所示，当滑动速度降低时，摩擦系数随之增大。当速度降低到某一数 巧 惦 竹 5 o 第一章绪论 值时，摩擦系数急剧增大。另外，摩擦副壁面的表面能对摩擦系数的变化也有一 定的作用1 4 3 1 。壁面表面能越大，摩擦系数也越大，其影响机理与表面能对膜厚的 作用机理相同。这一现象同样可以用有序分子层的存在来解释。 uw1 u u1 叫 s l i d i n gs p e e d m m s 1 图l 一7 摩擦系数与肇面表面能的关系【4 3 1 f i g 1 - 7f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t hd i f f e r e n ts u b s t r a t e s ( 7 ) 极性添加剂对膜厚的作用 如图1 8 所示，含有不同液晶添加剂的润滑油膜厚度与滑动速度的关系曲线 【4 7 1 。在高速区，膜厚与速度的关系符合h a m r o c k - - d o w s o n 公式，这一润滑状态属 于弹流润滑。当速度降低时，出现了从e h l 到t f l 的转变。对于不含任何添加剂 的十六烷，其分子与固体壁面的的作用相对较弱，单分子吸附层与有序分子层非 常薄，可以忽略其存在。所以，在很低的速度下仍然能维持e h l 状态。然而，当 润滑剂中添加各种液晶添加剂后，润滑剂与固体壁面的作用加大，这就导致了有 序分子层厚度的增大。所以，在高速区就 h 现了从e h l 到t f l 的转变。而且，试 验得出的薄膜润滑膜厚大于由h a m r o c k - - d o w s o n 公式得出的理论膜厚。极性添加 剂归根到底还是对有序分子层的作用，导致有序分子层厚度增大，从而使黏度增 大。 9 巧 侣 伸 o o 0 o o o 0 t1一cmo一扛ooo c o ；o i j u 北京交通大学硕士学位论文 鼬帅崎印d m m j ( d ) 8 洲。98 嘿。加。 图1 8 膜厚与极性添加剂的关系 ( a ) h e x a d e c a n e ，( b ) 2 c b + h e x a d e c a n e ，( c ) 2 c a l + h e x a d e c a n e ，( d ) 2 c a + h e x a d e c a n e ，( e ) 2 c p + h e x a d e c a n e 【4 7 】 f i g 1 - 8f i l mt h i c k n e s sw i t hr o l l i n gs p e e d( a ) h e x a d e c a n e ，( b ) 2 c b + h e x a d e c a n e ，( c ) 2 c a l + h e x a d e c a n e ，( d ) 2 c a + h e x a d e c a n e ，( e ) 2 c p + h e x a d e c a n e t 4 7 1 ( 8 ) 薄膜涧滑中的时问效应 如图1 - 9 所示，膜厚随时| 白j 的变化曲线3 7 ，4 8 1 。当钢球开始以某一速度滑动时， 润滑膜厚随时间急剧增大到一个数值，之后随着时间的推移，膜厚随时间缓慢增 加。当钢球停止转动时，膜厚急剧下降。膜厚的时间效应可以解释如下：在固体 壁面剪切力与吸附力的作用f ，靠近钢球的润滑剂分子在钢球转动过程呈现类固 体的形态。这一类固体层不断吸附到铡球表面并随钢球一起转动，这样钢球表面 的膜厚将不断增大。这一过程类似于“滚雪球”的机理。 i o 仲 ， eu，丢，ec 一 第一章绪论 e c 、 o c 卫 竺 _ e = l l 图l - 9 膜厚的时间效应卅 f i g 1 - 9f i l mt h i c k n e s sv s t i m e 综上： i 膜厚与速度、黏度的关系不在符合弹流涧滑厚度公式( 指数关系) ，出现了 从弹流润滑到微纳尺度问隙润滑的转折点。在薄膜润滑状态下，膜厚与速度、黏 度的关系减弱： 1 i 在薄膜润滑状念下，固体壁而对润滑剂的作用成为一个不可忽略因素。微 纳尺度问隙润滑的一个重要的基本特征就是要考虑固体壁面表面能对润滑剂分子 的作用。 可以得出纳米级薄膜润滑是一科一区别于弹流润滑与边界润滑的新型润滑状 态，它区别于弹流润滑之处在于润滑剂分子在摩擦副擘面表面能的作用下处于取 向有序状态，因而表现出尺度效应特征；它区别于边界润滑之处在于它具有相当 的膜厚值，润滑剂具有流动性，因而速度、黏度等因素对润滑性能具有重要影响。 1 2 3 微纳尺度间隙润滑的机理探索 为了从机理j ：解释薄膜润滑的特性，人们先后提出了两种物理模型：富集分 子模型和有序分子模型。 ( 1 ) 富集分子模型 1 9 9 6 年s m e e t h 等人提出了富集分子物理模型。他们认为：在固体表面附近 形成了一层富集的高黏度的高分子吸附膜。当油膜非常薄时，黏性大的高分子富 集于入口处，由于黏度大，润滑似乎处于较体相黏度大得多的流体之中。该模型 ，f 匕片i 交j 匝人、浮f 顷斗j 学1 一论文 的局限性是没有考虑到润滑油分子在固体表面附近形成静态吸附膜和极薄油膜的 物理性能是随着时间而变化的。 ( 2 ) 有序分子模型 19 9 4 年雒建斌 i 7 - 1 8 建立了微纳尺度问隙润滑动态物理模型，即有序分子模型 ( 如图1 1 0 ) 。有序分子模型认为：在靠近固体壁面处形成了一层单分子吸附膜，这 一单分子1 1 及附膜与固体擘而的物理化学性质有很大的关系。存固体壁面表而能的 作门j 下，住单分了吸附膜之j 形成了一定厚度的有序分子膜。这一有序膜呈现出 j 之程度的流动。 ， ，同时又与固体表而表【呖能有一定的关系。它自j 形成是涧渭状 态进入微纳尺度间隙润滑的。个标志。有序膜之f ：就足大舰模的无f 流体，它彳i 受闹体挺而能的作用。j 1 1 大规模n 勺无序流体所l 与比例比较入时，涧洲处j i 弹流洲 泔状态；叫1 j i 葵减薄，仃序分子层比例f ：断增人，到达定样度1 1 ，汀q t 涮进入微 纳j 弋望| 、| l j if ；j i ( f r d 洲t 1 1 , 状态；叫似l 体峨嘶| l | j 隙达剑涧洲。j = 0 - 、j fj 0 度人小i i , j ，此i i , j 摩 擦剐川隙之阳川抒 j 能靠那。层t ! l 分f 吸附膜，l i 帅司滑进入边界润滑状念。练 l ：，兀序流体层、有序流体层以及单分了| 败附层分别是弹流润湔、微纳尺度川1 隙 涧滞以及边界洲洲n 勺标忠。 翳i i l i dk t l l r l 鞠c i ! 纠i 1 0 仃序分rj 拼必州1 1 7 f i g 1 10o r d e r e df i l mm o d e l 1 2 4 微纳尺度间隙润滑的计算理论研究 i 1 引川i t _ _ “_ _ _ “_ 一 ，r ( 1 e l f j i 、 。h i _ c ) l _ l “】 t 确l i 1 1i 刈j 微约j i _ | _ ! j 蔓j - i f jl , j “+ td t ：j 汁j i 门i 式! j i if f f ：予ti f ij 。；，- j j 0 l l f 沦例l 。( 0 川1 1i 彳，j + j + ；： = ，j 再，这也 i 子敛了微纠jj ! t 乏i i ij 纠 ：；) | l 。川j 支1 1 ：。多j h ：j 、i ij ji 吖j j 仃i h 多1 | l j 限。 7 1 - ? ( 1 ) 连续删沦的崩限州爹i i i 人f i 、j j 泉水酱趟认为，与；于连续介质力学理沦1 7 , j 分+ j t - h 法( - j - - j ：处在纳米韪级的 薄l 葵涧滑t i l 小i l f i 五j | _ j 。然而，大罱：试验表i p j ，+ t 7 _ 【| _ ；! i i 、t 捌川，的润滑特性对掸流汀q 滑的 偏离足随， i = j 】必厚n 勺减小m d 玺步 ! _ j 娃小j 。速度、黏度、拔简等r 况参数仍然起作川， 第一章绪论 润滑膜具有流动性。t i c h y l 2 6 - 2 7 】提出了基于系统平均( e n s e m b l ea v e r a g i n g ) 的概念， 在此基础上修正并应用连续理论。一个位置物理量的系统平均值( 图1 1 1 ) 定义为 1 r 几。址= 毒口( 石) ( 1 - 1 ) ji = 1 式中岛一址为变量尸的系统平均值，丁为周期。 图1 - 1 1 系统平均概念【2 6 l f i g 1 11e n s e m b l ea v e r a g e 图1 1 1 中，乙为分子尺寸，l p 。为所研究问题的特征长度。t i c h y 2 7 棚1 先后运 用方向因子模型、表面层模型和孔性介质模型等解释了薄膜润滑的性能。 ( 2 ) 薄膜润滑的黏度修正 张朝辉【5 0 】等提出了薄膜润滑黏度变化的模型并进行了数值分析。正如前面膜 厚特性的分析中提到的一样，摩擦副壁面表面能对润滑剂分子的作用是薄膜润滑 重要的基本特征之一。为此，考虑到固体壁面表面能对润滑剂黏度的作用，对黏 度进行了修i f ，修正式为： ，7 e 仟= 叩矽( i ) ( 1 - 2 ) 式中仉仃为有效粘度，7 7 表示相应体桐粘，三是高度参数。粘度修f 函数( 三) 可表 示为： 矽( 孑) = 1 + 之 ( 1 3 ) l + z 式中a 为主要山涧滑剂分子结构和性质决定的参数，它反映涧滑分子排列的有序 度、组成、结构及其与固体壁面的作用程度等；b 为与固体表面和润滑分子特性 相关的常数，可以粗略地理解为润滑油变为固念时的粘度。 曲庆文、朱均【5 卜5 2 】等也提出了考虑吸附层与膜厚关系的黏度修币式和黏度分 层模型，并推导了薄膜润滑的能量方程。 北京交通大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 具有微结构的连续理论 另外，张朝蝌5 3 。5 5 】等分别用微极流体理论与应力偶效应对薄膜润滑特性进行 了模拟分析。当膜厚尺度与分子尺度达到同一个数量级时，润滑剂的分子结构将 成为影响薄膜润滑性质的另一个重要因素，这也是薄膜润滑的另一个重要基本特 征。正如前面提到的，薄膜润滑实际上是有序分子起主要作用的润滑状态。剪切 运动不破坏分子的有序排列，相反，在吸附势和诱导力的等的作用下，它可以促 进有序分子的形成；而挤压运动则改变了分子的有序排列，或者说通过引起有序 排列的分子姿态的改变而降低了分子的有序度。可见，在薄膜润滑状态下，应当 考虑介质分子运动的动量和角动量守恒。薄膜润滑下有序分子的存在所起的作用 相当于提高润滑剂的黏度，能够增力| i 润滑油膜的厚度从而增加承载能力。 1 2 5 微纳尺度间隙润滑的失效研究 润滑膜失效点是压力、润滑油黏度和摩擦副卷吸速度的一个平衡点 5 5 7 1 。黏 度和速度的增加使得流体动压效应加强，有利于流体膜的形成，因此称r l k u ”为流 体因子l ，即 l = f k u ” ( 1 - 4 ) 式中：仇是润滑油的运动黏度，单位m m 2 s ；u 是速度，单位为m m s ；指数n 取 决于相同压力下的不同速度和黏度。根据流体失效压力与失效因子的关系，可以 选择确定卷吸速度和润滑剂的黏度，以保证流体的动压效应，从而形成足够的膜 厚来支撑压力。 纳米级流体膜的失效与压力、速度、润滑油的黏度有关。如果施加的压力越 大，则形成流体膜所需的速度越高或涧滑油的黏度越大，流体膜失效点处的最大 施加压力与流体因子有关。 尽管薄膜润滑的研究取得了一定的成果，但这些成果主要集中在实验方面。 相对于实验研究而言，理论研究相对落后，尚处于初始阶段。很多问题嗳待解决， 如薄膜润滑中有序分子层的有序程度的表征与测试，如何解释微尺度间隙下的尺 度效应，电磁场对薄膜厚度的影响以及润滑膜厚度时l e i j 效应的机理等。 1 3 本文研究的内容 鉴于在微纳系统中摩擦副壁而的表面力对润滑剂黏度的作用变得非常突出， 黏度在固体壁面的作用下会发生尺度效应现象( 实际上很多物理量在这种微纳尺 1 4 第一章绪论 度间隙下都会发生尺度效应现象) ，本文提出了一个在微纳尺度间隙下模拟黏度变 化的模型。 具体研究内容： ( 1 ) 本文根据现有的微纳尺度间隙下的润滑理论，考虑到摩擦副壁面对润 滑剂黏度的作用，将提出一个能够模拟微纳尺度间隙下黏度变化的数学模 型过渡层模型，并且要建立基于这一模型的润滑方程： ( 2 ) 通过求解润滑方程，本文将对过渡层模型的润滑性能做全面深入的分 析与研究： ( 3 ) 进行微纳尺度i 、日j 隙下膜厚测量试验，本文将用过渡层模型解释一些微 纳尺度问隙下的润滑特性。 北京交通火学硕十学位论文 第二章过渡层模型与r e y n o l d s 推导 2 1 过渡层模型提出背景 在弹流润滑中，壁面表面能对润滑剂黏度的作用可以忽略；但在薄膜润滑条 件下，则出现了不同的情况。雒建斌、沈明武等 4 1 - 4 2 , 4 5 研究了固体壁面的物理特征 对纳米级薄膜润滑性能的影响。通过p a s 技术将具有不同表面能的金属镀在钢球 上，铡球被稚置在一个纯滚动系统中，并