博士生开题报告

1、电场作用下纳米润滑膜的微气泡行为及成膜特性研究1. 选题背景及其意义（1）施加外电场下研究润滑膜性能的意义随着摩擦副的间隙日益减小，以及摩擦副表面的日益超精化，纳米级油膜的润滑剂分子和固体表面之间的作用变得不可忽视，雒建斌等人1提出的薄膜润滑的物理模型如右图所示，综合考虑了润滑剂的流体效应和摩擦副表面对润滑剂分子的吸附效应。薄膜润滑的膜厚通常为几个到几十个纳米，较小外电场对纳米薄膜的作用类似固体的壁面效应，即驱使润滑剂分子规则排列，结构类似于液晶2。因此，研究外电场作用下的纳米级油膜摩擦学性能将有助于对纳米油膜成膜机理和摩擦特性的理解。（2）旋转机械中轴电压降和微电流的存在对轴承润滑系统的影响

2、电动机、发电机与电气化火车等机器中工作的滚动轴承，由于电磁绕组的不平衡、轴的磁化效应、静电作用，以及带等摩擦传动产生的摩擦电，将致使滚动轴承的内圈与滚动体间、滚动体与外圈间产生电压降及微电流。在电动机运行过程中，如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在，那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时，严重的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。目前，随着带有脉宽调制（PWM）的变频电机使用增加，这一难题越来越普遍。起源于转换器普通模式电压的高频电流和转换器内部的集成栅双极晶体管（IGBTs）的高速度转换产

3、生的电流对轴承会产生重大的破坏。因此，考察微电流对轴承润滑系统的影响并提出解决方案是摩擦学领域一个值得研究的课题。2. 国内外研究动态（1）电场对摩擦行为的影响Lavielle1考察了外电场作用下与钢对磨的三元共聚聚乙烯膜（膜厚35m）的摩擦特性，发现施加正负向100v的直流电压可使摩擦系数比不施加外电场时减小或增大25。解释：加正压时，钢为负极，羧基团被排斥进膜的内部，故与钢表面反应不能充分反应，摩擦较多地发生在烃（CH2CH2）链上，而它们是有效的润滑剂，所以摩擦系数降低；加负电压时，钢为正极，羧基团与钢表面更多地反应，故摩擦系数增加，如图1所示。图 Error! No text of s

4、pecified style in document.不同极性的电压对钢-三元共聚物界面的影响Csapo等4发现石墨石墨摩擦副在氩气环境中，一定的载荷（5N）下，具有两种摩擦状态（=0.07和=0.7）。无电流通过时，滑动线速度0.12m./s为摩擦状态由低摩擦向高摩擦转换的临界速度；当有电流通过时，该临界速度会降低，且电流越大，临界速度越小。摩擦系数与滑动速度、电流的关系如图1.2所示。解释：低摩擦状态下，由于软摩擦的作用，石墨颗粒的随机组织结构消失，石墨晶体发生重组而使基面平行于滑动面，故摩擦系数小。当通入电流后，基面的取向改变为垂直于滑动面，使得单位面积内的接触点增多，从而摩擦系数大。图

5、 1电流对石墨-石墨摩擦副摩擦系数的影响Paulmier等5考察了大气和氩气环境下，外加电流对石墨钢干接触摩擦副的摩擦特性的影响。研究表明，大气条件下外加电流使该摩擦副的摩擦系数分别降低了35（钢为负极）和50（钢为正极）；氩气环境下，外加电流使摩擦系数由0.15跃变到0.6。在去掉外加电流后，两种环境下的摩擦系数都恢复到没有电流时的值。两种环境下，电流与摩擦系数的关系如图1.3所示。解释：大气环境下电流促使滑动表面氧化并生成氧化物使摩擦系数降低；而氩气环境中，外加电流使钢微粒转移到石墨上形成金属接触副从而摩擦系数增大。（a）大气环境下；（b）氩气环境下图 2电流对石墨-钢摩擦副摩擦系数的影响

6、Kimura等6用向列相液晶作为润滑剂，研究了在边界润滑状态下受直流和低频交流电压对滑动点接触摩擦副的摩擦系数的影响。该摩擦副由镀了SiO2膜的钢针和轴承球组成，如图4所示。实验表明外加30v直流电压时的摩擦系数比不加电压时低25，去掉电压后，摩擦系数恢复到原值。而当交流电压的频率大于10Hz时，无以上效应。相对摩擦系数与直流电压的关系如图5所示。外加电场控制液晶润滑剂的摩擦系数的过程是可逆的，是一种主动控制摩擦力的方法，这与依靠形成氧化膜或涂层等化学反应来实现控制摩擦力的手段不同。图 3滑动点接触外加电压装置示意图图 4直流电压对液晶摩擦系数的影响沈明武等3用含液晶的十六烷作为点接触滚动摩擦

7、副的润滑剂，该摩擦副由钢球与镀铬玻璃盘构成。实验得到油膜厚度与直流电压的关系如图6所示，相同的滚动速度和赫兹接触压力下，未加电压时润滑膜厚为15nm左右，电场强度小于2.9kV/mm时，不足以使液晶分子方向改变，膜厚不变。逐渐随着电压增大，液晶分子趋向于粘度最大的方向排列，致使粘度增大，油膜增厚。电场强度约为17kV/mm时，油膜厚度达到最大，此后膜厚不随外电压加大而变大。这说明了薄膜润滑的成膜性能和近固体表面润滑剂分子的有序度密切相关，有序度越高油膜越厚。图 5油膜厚度与直流电压的关系，载荷：0.174GPa；速度：68 mm/sMorishita等7用液晶作为滑动轴承的润滑剂，通过改变外电

8、场强度实现对润滑膜厚度进行主动控制。发现：液晶的表观粘度随电场强度的增大而增大并渐近地达到一个常数，当外加场强由一比例积分微分控制器控制时，实验结果表明当轴承遇到一个突然的载荷变化时，可控制润滑膜厚，使其保持一常数值。这一结果有很大的实用价值。除了将液晶作为润滑剂，Tung和Wang8将有机二硫代磷酸锌（zinc organodithiophosphate, ZDP）和矿物油的混合物作为润滑剂。加电后由于电化学反应使得滑动表面生成了表面覆盖层，从而摩擦系数降低。蒋洪军等9用质量百分比浓度为1%的硬脂酸锌水基乳化液作为润滑剂，考察了外电压下三氧化二铝、石英玻璃等陶瓷材料与钢、黄铜、不锈钢等构成的

9、滑动摩擦副的摩擦系数，发现外加电压使摩擦系数发生显著变化，变化幅度与所加电压的大小、极性以及金属材料的种类有关。摩擦系数最大相对增加量和最大相对减少量分别达到200%和40%，且摩擦系数的改变与外加直流电压的通断是对应的。解释：摩擦副表面特别是金属表面吸附膜的生成与破坏过程受到外加电场的影响。且电压方向影响润滑剂中大分子链的取向，从而影响摩擦系数，如图7所示。原理与Lavielle1提出的类似。 图 6不同极性的电压对铜陶瓷摩擦副间润滑剂的影响（a）正电压；（b）负电压常秋英等12比较了几种不同类型的盐溶液、酸性溶液、碱性溶液和一种非水导电溶液对电控摩擦效应的影响，如图8所示。结果显示含有长链

10、阴离子的有机盐水溶液以及无机盐水溶液中金属/陶瓷摩擦副都会产生电控摩擦现象，但在强酸性和强碱性溶液中只出现较弱的电控减摩效应。含长链阴离子的有机盐水溶液较无机盐水溶液在摩擦系数变化幅度和可恢复性方面表现更好，其中十二烷基磺酸钠溶液是较为理想的电控摩擦用润滑液。 图8 盐溶液中电场对摩擦因数的影响以及电流的变化沈明武等Error! Reference source not found.用136045油酸和13604与MT10混合油的为点接触滚动摩擦副的润滑剂，考察了低滚动速度下润滑膜厚随外电压的变化情况。实验表明：外电压10V时，两种润滑剂的摩擦系数比无外电压时分别增加了35.1和154.8，电

11、压的正反向对摩擦系数几乎没有影响。解释：由于滚动速度低，所以流体效应弱，膜厚小，润滑剂分子在外电场作用下趋于有序化排列，所以摩擦系数增加。后者的摩擦系数成倍增长，原因是MT10添加剂中含金属离子，外电场作用使近固体表面更容易形成较厚的双电层，产生更高的有效粘度。正反向电压对摩擦力的影响机理一样，即外加电场使润滑剂分子排列有序化，故电压方向不同不会引起摩擦系数改变。沈明武等14以十六烷为润滑在研究外电场作用下的点接触中纳米级油膜摩擦学性能时，直接观察到了摩擦副接触区的润滑剂有从中心接触区向外迁移的现象，并出现较大气泡（如箭头所指），并从接触区向外发散扩展、迁移（图9）。 图9 不同外电压作用下的

12、静态膜厚干涉图像何雨等15进一步考察了外电场使纳米级液体膜中产生微气泡的规律，并提出了微气泡现象的两种机理 ：接触区边缘上的液体分子受到分别指向接触区内外的分子间作用力和电性力的作用，因此电介质液面在接触区边缘发生振动、分裂，从而产生气泡；接触区内的电介质液体在极大的场强作用下发生极化，极化电流带来的焦耳热足够大到使某些物质汽化，气泡在压力发生突降的接触区边缘涌现。（2）电场下乳液的稳定性和界面特性研究Mostowfi等16采用一套微流体电化学检测手段（图10）评价了约束在微管道中乳液薄膜的稳定性，并认为薄膜破裂时的外加电势可以作为稳定性的临界判断条件。试验结果表明：卵磷脂浓度的不同对薄膜的稳

13、定性有影响，而且临界电势可以分辨出吸附卵磷脂层的细微差别；不同的表面活性剂产生不同的液体导电特性。 图10 微流体电化学装置芯片图片 Poulin等17从宏观到胶体尺度考察了乳液滴的润湿特性。试验主要是测量表面覆有表面活性剂的油/水的大液滴接触角来推断宏观界面的粘着能随温度和盐浓度的变化关系（图11）。结果表明：存在一个临界温度使得润湿发生转变；在胶体尺度，被同样单层表面活性剂包裹的微米量级液滴经历了一个相分离。 图11 油/水液滴之间粘着能在不同浓度NaCl溶液中随温度的变化趋势Jong-Wook Ha等18,19研究了悬浮在另一种不溶液体中液滴在电场作用下的变形和破裂行为（图12）。结果表

14、明：液滴的变形由流体的电特性决定，而液滴的破裂很大程度受界面表面活性剂的浓度影响很大。 图12 扁长椭球性液滴的破裂模式Mugele等20研究了油池中水滴在光滑疏水基体表面电润湿驱动力下的铺展行为。研究发现：一层薄油膜被约束在水滴和基体之间，且此油膜在静电压和表面张力的竞争作用下会出现不稳定（图13）。 图13 在快速升高的外加电压下，液滴和基底界面的微观变化图综上所述，电场对摩擦行为的影响研究大部分集中在滑动摩擦副中，外加了电压或电流前后摩擦系数的变化，较少研究滚动摩擦副中，外加电压或电流使润滑膜厚发生的变化。特别是由于实验条件的限制，已有的文献中对摩擦副接触区的状态很少有直观的观察和分析。

15、尽管电场作用下液体膜中微气泡现象的基本特性进行了一定的研究，但其现象的揭示并不完全，仍有很多问题并未解决，且机理研究仍存在一定的争议；微气泡产生的实际意义尚需做较为深入的讨论；若将润滑剂根据油水配比关系的不同可以分为以下六类：油W/O乳化液O/W乳化液微乳液水溶液水，前两类被统称为油基润滑剂，而后四类则通常被称为水基润滑剂。前面的主要工作主要针对基础油进行微气泡的研究，对油基、水基等还有较大的研究空间；虽然对油和水二相体在电场下的润湿、稳定性等界面问题 进行了较多的研究，但从摩擦学角度对其在电场作用下的摩擦润滑成膜特性的研究尚未见报道。参考文献1 雒建斌，张朝辉，温诗铸. 薄膜润滑研究的回顾与

16、展望. 中国工程科学，2003，5（7）：84892 沈明武,雒建斌,温诗铸,姚俊斌. 液晶添加剂的纳米级润滑性能与机理. 科学通报, 2001, 46(7)：6036083 Lavielle L. Electric field effect on the friction of a polythyleneterpolymer film on a steel substrate. Wear, 1994, 176：89934 Csapo E, Zaidi H and Paulmier D. Friction behavior of a graphitegraphite dynamic elect

17、ric contact in the presence of argon. Wear, 1996, 192：1511565 Paulmier D, El Mansori M and Zaidi H. Study of magnetized or electrical sliding contact of a steel XC48/graphite couple. Wear, 1997, 203204：1481546 Kimura Y, Nakano K, Kato T and Morishita S. Control of friction coefficient by applying el

18、ectric fields across liquid crystal boundary films. Wear, 1994, 175：1431497 Morishita S, MatsumuraY and Shiraishi T. Control of film thickness of a sliding bearing using liquid crystal as lubricant (in Japanese). Journal of Japanese Society of Tribologists，2002，47(11)：846851 8 Tung S C, Wang S S. In

19、-situ electro-charging for friction reduction and wear resistant film formation. Tribology Trans. 1991, 34 (4)：4794889 Jiang H, Meng Y and Wen S. Effects of external DC electric fields on friction and wear behavior of alumina/brass sliding pairs. Sci. China E, 1998, 41(6)：61762510 Jiang H, Meng Y, W

20、en S and Hong J. Effects of external electric fields on frictional behaviors of three kinds of ceramic/metal rubbing couples. Tribology Int., 1999, 32：16116611 Jiang H, Wong P L and Meng Y. Influence of offcontact electric potential on frictional behaviour of an agatebrass (SiO2Cu). PROCEEDINGS OF T

21、HE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART JJOURNAL OF ENGINEERING TRIBOLOGY, 2001, 215 (J2)：201206 12 常秋英, 孟永钢, 温诗铸.润滑液对电控摩擦的影响研究. 机械工程学报, 2003,39:90-92. 13 Luo J B, Shen M W, Wen S Z. Tribological properties of nanoliquid film under an external electric field. Journal of Applied Physics, 2004, 96

22、 (11)：6 7336 73814 沈明武. 纳米级油膜成膜机理及特性研究：工学博士论文. 北京：清华大学精密仪器与机械学系，200015 Luo J. B., He Y., Zhong M., Jin Z. M., 2006, “Gas micro-bubble phenomenon in nanoscale liquid film under external electric field,” Applied Physics Letter, 89, pp.01310416 Mostowfi, F; Khristov, K; Czarnecki, J, et al. Electric fi

23、eld mediated breakdown of thin liquid films separating microscopic emulsion droplets. APPLIED PHYSICS LETTERS, 2007, 90(18): 184102.   17 P. Poulin and J. Bibette. Wetting of Emulsions Droplets: From Macroscopic to Colloidal Scale PHYSICAL REVIEW LETTERS 1997，79(17): 3290-329318 Ha, JW; Ya

24、ng, SM. Effect of nonionic surfactant on the deformation and breakup of a drop in an electric field. JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE, 1998, 206: 195-204.19 Ha, JW; Yang, SM. Breakup of a multiple emulsion drop in a uniform electric field. JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE, 1999, 213: 92-100.20 Adrian Staicu and Frieder Mugele, Electrowetting-Induced Oil Film Entrapment and Instability. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 97, 167801 (2006)3. 课题研究内容（1）外加电场下的微气泡现象1) 极性和非极性液体的气泡产生规律并进行数学描述；2) 水和水基溶液的气泡行为；3) 粘度和表面张力对气泡的尺寸大小、运动特性；4) 建立膜厚、回路电流和气泡