纳米润滑膜厚度测量仪

1、 郭郭 丹丹 清华大学摩擦学国家重点实验室清华大学摩擦学国家重点实验室 1 1摩擦学实验室简介；摩擦学实验室简介； 2 2摩擦学的研究背景；纳米膜厚测量仪摩擦学的研究背景；纳米膜厚测量仪 的项目研究背景；的项目研究背景； 3 3介绍纳米膜厚测量仪的研究过程；介绍纳米膜厚测量仪的研究过程； 4 4纳米膜厚测量仪的改进；纳米膜厚测量仪的改进； 5 5纳米膜厚测量仪在科研中的作用；纳米膜厚测量仪在科研中的作用； 成果；成果； 7 7参观仪器设备；参观仪器设备； 课程内容课程内容 清华大学摩擦学国家重点实验室建于1988 年，1991年通过了第一次评估。 实验室目前的使用面积为1500 M2，目前有

2、设备仪器314台套，设备仪器总资产约2000万 元。 博士后10名左右，博士35名，硕士35名， 共计80名。 1. 人人 员员 首席咨询专家： 熊有伦院士，华中科技大学 徐滨士院士，装甲兵工程学院 范守善院士，清华大学 特邀咨询专家： 桂长林教授，合肥工业大学 Jiang, Xiangqian, Professor, University of Huddersfield, UK 金元生 教授，俄罗斯自然科学院外籍院士，清华大学 Daisuke Konno, Dr., ETT, Japan 李诗卓 研究员， 中科院沈阳金属所 Li, Yuzhuo, Professor of Chemistry

3、, Clarkson University, USA 刘家俊 教授，清华大学 Patrick Wong, Associate Professor, City University of Hong Kong 王成焘教授，上海交通大学 赵源教授级高工，武汉材料保护研究所 1）学科简介）学科简介 摩擦学摩擦学 摩擦学 Tribology 来源于希腊字 Tribos, 含义为摩擦 的科学 (The science of rubbing) 19641966年之间，受英国政府资助，由H.P.Jost所 主持的一个润滑工程工作组调查表明：全世界的能 源有1/31/2 消耗于摩擦和磨损方面。在1966年呈交

4、的报告(著名的Jost报告)中，建议设立一个研究学科 称为Tribology。中文译为摩擦学。 摩擦学的来历 摩擦学摩擦学-研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损 和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边 缘学科。缘学科。 摩擦摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 磨损磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 润滑润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施；减轻摩擦和磨损所应采取的措施； 减少摩擦减少摩擦 节省能源；节

5、省能源； 减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造降低设备维修次数和费用，节省制造 零零 件及其所需材料的费用。件及其所需材料的费用。 世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。消耗于摩擦。 机械产品的机械产品的60%由于磨损超过限度而报废。由于磨损超过限度而报废。 研究背景研究背景 现代摩擦学发展的重要方向现代摩擦学发展的重要方向薄膜润滑薄膜润滑 （膜厚：（膜厚：1 nm100 nm) 低速、重载、高温及采用低粘度润滑介质低速、重载、高温及采用低粘度润滑介质(如水基润如水基润 滑液）的机械及精密机械中，摩擦副之间的润滑膜常滑液）的机械及精密机械中，摩擦

6、副之间的润滑膜常 处于十几个到几十个纳米厚度的薄膜润滑状态，薄膜处于十几个到几十个纳米厚度的薄膜润滑状态，薄膜 润滑就是研究这种状态下的润滑性能及机理，润滑就是研究这种状态下的润滑性能及机理，其中的其中的 关键问题是纳米级润滑膜厚度测量技术。（应用背景）关键问题是纳米级润滑膜厚度测量技术。（应用背景） 什么是薄膜润滑？什么是薄膜润滑？ 流体动力润滑流体动力润滑(1886) (1886) 弹流润滑弹流润滑(1950s) (1950s) ？ 边界润滑边界润滑 (1921) (1921) 干摩擦干摩擦(C(Coulomb,1785),1785) 问题问题: 该区域是什么状态该区域是什么状态？ 润滑机

7、理是什么润滑机理是什么? ? 这个区域与弹流润滑和边界润滑是什么关系这个区域与弹流润滑和边界润滑是什么关系? l薄膜润滑实验薄膜润滑实验 Spikess group (UK) Luos group (SKLT, TU, China) Hartals group (Czechoslovakia) Israelachvilis group (USA) Granicks group (USA) l薄膜润滑计算薄膜润滑计算 Tichy, Thompson, Robbins, Hu, Popov, et al. 常用测量方法：常用测量方法：电容法（分辨率电容法（分辨率 出口 Y m 20 膜厚 nm 接

8、触区 a-b-c-d的膜厚分布 研研 究究 过过 程程 技术关键：技术关键： 如何得到稳定的纳米润滑薄膜？如何得到稳定的纳米润滑薄膜？ 球盘系统，降低卷吸速度，低速稳定电机，加工精球盘系统，降低卷吸速度，低速稳定电机，加工精 度，钢球定位，柔性皮带传动、柔性轴连接、钢度，钢球定位，柔性皮带传动、柔性轴连接、钢 球浮动球浮动 如何获得稳定、清晰的干涉图像？如何获得稳定、清晰的干涉图像？ 光源选择、光路设计光源选择、光路设计 如何得到准确的润滑膜厚度及形状？如何得到准确的润滑膜厚度及形状？ 相对光强法相对光强法 改改 进进 NGY-3型型 改进了驱动系统和控制部分；改进了驱动系统和控制部分； （提

9、高驱动精度、平稳性、提高驱动精度、平稳性、 电机自动控制）电机自动控制） 润滑油微量循环，可温控；润滑油微量循环，可温控； 增加了摩擦力测试系统；增加了摩擦力测试系统； 开发了开发了Windows界面下的油界面下的油 膜测量程序；膜测量程序； 测量范围: 0 500 nm； 垂直分辨率: 0.5 nm 水平分辨率: 1 m； 速度: 0.21900 mm/s 摩擦力测量精度: 0.1 mN； 温度范围: 120C 主要性能指标主要性能指标 沈明武、张朝辉等沈明武、张朝辉等 NGY-3的不足的不足 盘驱动主轴运转精度低。盘驱动主轴运转精度低。 润滑油温控难实现，有甩油漏油润滑油温控难实现，有甩油

10、漏油 现象，不能进行水基润滑剂实验现象，不能进行水基润滑剂实验 高速下不能测摩擦力。高速下不能测摩擦力。 球驱动不好实现，只能模拟纯滚球驱动不好实现，只能模拟纯滚 动状态。动状态。 软件设计不合理。软件设计不合理。 改改 进进 NGY-4型的设计型的设计(刘书海、马丽然、李刚等刘书海、马丽然、李刚等） 测量系统测量系统 转速：转速：0.1-16000 rpm，速度可精确控制，可用计算机控，速度可精确控制，可用计算机控 制，角度位置可精确控制（数字编码器）。制，角度位置可精确控制（数字编码器）。 轴向跳动轴向跳动1 m；径向跳动；径向跳动1 m 软件界面软件界面 应应 用用 1101001000

11、 10 100 1000 Polyplycol oil 1, 47 mm 2/s Polyplycol oil 2, 145 mm 2/s Polyplycol oil 3, 329 mm 2/s Polyplycol oil 4, 674 mm 2/s Polyplycol oil 5, 1530 mm 2/s Film thickness (nm) Speed (mm/s) 膜厚随速度及粘度的变化膜厚随速度及粘度的变化 -150-100-50050100150 0 20 40 60 80 100 Static state v=4.7 mm/s v=10.1 mm/s v=12.4 mm/s

12、 Film thickness /nm Position /m Film thickness in the central cross-section Lubricant: mineral oil with viscosity of 36 mPa.s at 20C Temperature: 25 C, Diameter of ball: 20 mm, Load: 6.05 N A: Decane+3% Palmitic, Load: 4 N, T=30C, v=0 mm/s B: Decane+3% Palmitic, Load: 4 N, T=30C, v=3.12 mm/s C: White oil, Load: 20 N, T=20 C, v= 54.5 mm/s 020406080100120 0 10 20 30 40 50 60 A B C Film thickness (nm) Time (min) 1E-30.010.1110 1 10 100 Film thickness (nm) Speed (m/s) 0.06mM 0.8mM 10mM 12mM 0 20 40 60 80 100 12mM10mM 0.8mM