納米潤(rùn)滑膜厚度測(cè)量?jī)x

1、 郭郭 丹丹 清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 1 1摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介；摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介； 2 2摩擦學(xué)的研究背景；納米膜厚測(cè)量?jī)x摩擦學(xué)的研究背景；納米膜厚測(cè)量?jī)x 的項(xiàng)目研究背景；的項(xiàng)目研究背景； 3 3介紹納米膜厚測(cè)量?jī)x的研究過(guò)程；介紹納米膜厚測(cè)量?jī)x的研究過(guò)程； 4 4納米膜厚測(cè)量?jī)x的改進(jìn)；納米膜厚測(cè)量?jī)x的改進(jìn)； 5 5納米膜厚測(cè)量?jī)x在科研中的作用；納米膜厚測(cè)量?jī)x在科研中的作用； 成果；成果； 7 7參觀(guān)儀器設(shè)備；參觀(guān)儀器設(shè)備； 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建于1988 年，1991年通過(guò)了第一次評(píng)估。 實(shí)驗(yàn)室目前的使用面積為1500 M2，目前有

2、設(shè)備儀器314臺(tái)套，設(shè)備儀器總資產(chǎn)約2000萬(wàn) 元。 博士后10名左右，博士35名，碩士35名， 共計(jì)80名。 1. 人人 員員 首席咨詢(xún)專(zhuān)家： 熊有倫院士，華中科技大學(xué) 徐濱士院士，裝甲兵工程學(xué)院 范守善院士，清華大學(xué) 特邀咨詢(xún)專(zhuān)家： 桂長(zhǎng)林教授，合肥工業(yè)大學(xué) Jiang, Xiangqian, Professor, University of Huddersfield, UK 金元生 教授，俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士，清華大學(xué) Daisuke Konno, Dr., ETT, Japan 李詩(shī)卓 研究員， 中科院沈陽(yáng)金屬所 Li, Yuzhuo, Professor of Chemistry

3、, Clarkson University, USA 劉家俊 教授，清華大學(xué) Patrick Wong, Associate Professor, City University of Hong Kong 王成燾教授，上海交通大學(xué) 趙源教授級(jí)高工，武漢材料保護(hù)研究所 1）學(xué)科簡(jiǎn)介）學(xué)科簡(jiǎn)介 摩擦學(xué)摩擦學(xué) 摩擦學(xué) Tribology 來(lái)源于希臘字 Tribos, 含義為摩擦 的科學(xué) (The science of rubbing) 19641966年之間，受英國(guó)政府資助，由H.P.Jost所 主持的一個(gè)潤(rùn)滑工程工作組調(diào)查表明：全世界的能 源有1/31/2 消耗于摩擦和磨損方面。在1966年呈交

4、的報(bào)告(著名的Jost報(bào)告)中，建議設(shè)立一個(gè)研究學(xué)科 稱(chēng)為T(mén)ribology。中文譯為摩擦學(xué)。 摩擦學(xué)的來(lái)歷 摩擦學(xué)摩擦學(xué)-研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損 和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)邊和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)邊 緣學(xué)科。緣學(xué)科。 摩擦摩擦-相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象； 磨損磨損-由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移； 潤(rùn)滑潤(rùn)滑-減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施；減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施； 減少摩擦減少摩擦 節(jié)省能源；節(jié)

5、省能源； 減少磨損減少磨損 降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造 零零 件及其所需材料的費(fèi)用。件及其所需材料的費(fèi)用。 世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。消耗于摩擦。 機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械產(chǎn)品的60%由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢。由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢。 研究背景研究背景 現(xiàn)代摩擦學(xué)發(fā)展的重要方向現(xiàn)代摩擦學(xué)發(fā)展的重要方向薄膜潤(rùn)滑薄膜潤(rùn)滑 （膜厚：（膜厚：1 nm100 nm) 低速、重載、高溫及采用低粘度潤(rùn)滑介質(zhì)低速、重載、高溫及采用低粘度潤(rùn)滑介質(zhì)(如水基潤(rùn)如水基潤(rùn) 滑液）的機(jī)械及精密機(jī)械中，摩擦副之間的潤(rùn)滑膜常滑液）的機(jī)械及精密機(jī)械中，摩擦

6、副之間的潤(rùn)滑膜常 處于十幾個(gè)到幾十個(gè)納米厚度的薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，薄膜處于十幾個(gè)到幾十個(gè)納米厚度的薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，薄膜 潤(rùn)滑就是研究這種狀態(tài)下的潤(rùn)滑性能及機(jī)理，潤(rùn)滑就是研究這種狀態(tài)下的潤(rùn)滑性能及機(jī)理，其中的其中的 關(guān)鍵問(wèn)題是納米級(jí)潤(rùn)滑膜厚度測(cè)量技術(shù)。（應(yīng)用背景）關(guān)鍵問(wèn)題是納米級(jí)潤(rùn)滑膜厚度測(cè)量技術(shù)。（應(yīng)用背景） 什么是薄膜潤(rùn)滑？什么是薄膜潤(rùn)滑？ 流體動(dòng)力潤(rùn)滑流體動(dòng)力潤(rùn)滑(1886) (1886) 彈流潤(rùn)滑彈流潤(rùn)滑(1950s) (1950s) ？ 邊界潤(rùn)滑邊界潤(rùn)滑 (1921) (1921) 干摩擦干摩擦(C(Coulomb,1785),1785) 問(wèn)題問(wèn)題: 該區(qū)域是什么狀態(tài)該區(qū)域是什么狀態(tài)？ 潤(rùn)滑機(jī)

7、理是什么潤(rùn)滑機(jī)理是什么? ? 這個(gè)區(qū)域與彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑是什么關(guān)系這個(gè)區(qū)域與彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑是什么關(guān)系? l薄膜潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)薄膜潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn) Spikess group (UK) Luos group (SKLT, TU, China) Hartals group (Czechoslovakia) Israelachvilis group (USA) Granicks group (USA) l薄膜潤(rùn)滑計(jì)算薄膜潤(rùn)滑計(jì)算 Tichy, Thompson, Robbins, Hu, Popov, et al. 常用測(cè)量方法：常用測(cè)量方法：電容法（分辨率電容法（分辨率 出口 Y m 20 膜厚 nm 接

8、觸區(qū) a-b-c-d的膜厚分布 研研 究究 過(guò)過(guò) 程程 技術(shù)關(guān)鍵：技術(shù)關(guān)鍵： 如何得到穩(wěn)定的納米潤(rùn)滑薄膜？如何得到穩(wěn)定的納米潤(rùn)滑薄膜？ 球盤(pán)系統(tǒng)，降低卷吸速度，低速穩(wěn)定電機(jī)，加工精球盤(pán)系統(tǒng)，降低卷吸速度，低速穩(wěn)定電機(jī)，加工精 度，鋼球定位，柔性皮帶傳動(dòng)、柔性軸連接、鋼度，鋼球定位，柔性皮帶傳動(dòng)、柔性軸連接、鋼 球浮動(dòng)球浮動(dòng) 如何獲得穩(wěn)定、清晰的干涉圖像？如何獲得穩(wěn)定、清晰的干涉圖像？ 光源選擇、光路設(shè)計(jì)光源選擇、光路設(shè)計(jì) 如何得到準(zhǔn)確的潤(rùn)滑膜厚度及形狀？如何得到準(zhǔn)確的潤(rùn)滑膜厚度及形狀？ 相對(duì)光強(qiáng)法相對(duì)光強(qiáng)法 改改 進(jìn)進(jìn) NGY-3型型 改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制部分；改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制部分； （提

9、高驅(qū)動(dòng)精度、平穩(wěn)性、提高驅(qū)動(dòng)精度、平穩(wěn)性、 電機(jī)自動(dòng)控制）電機(jī)自動(dòng)控制） 潤(rùn)滑油微量循環(huán)，可溫控；潤(rùn)滑油微量循環(huán)，可溫控； 增加了摩擦力測(cè)試系統(tǒng)；增加了摩擦力測(cè)試系統(tǒng)； 開(kāi)發(fā)了開(kāi)發(fā)了Windows界面下的油界面下的油 膜測(cè)量程序；膜測(cè)量程序； 測(cè)量范圍: 0 500 nm； 垂直分辨率: 0.5 nm 水平分辨率: 1 m； 速度: 0.21900 mm/s 摩擦力測(cè)量精度: 0.1 mN； 溫度范圍: 120C 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 沈明武、張朝輝等沈明武、張朝輝等 NGY-3的不足的不足 盤(pán)驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度低。盤(pán)驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度低。 潤(rùn)滑油溫控難實(shí)現(xiàn)，有甩油漏油潤(rùn)滑油溫控難實(shí)現(xiàn)，有甩油

10、漏油 現(xiàn)象，不能進(jìn)行水基潤(rùn)滑劑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不能進(jìn)行水基潤(rùn)滑劑實(shí)驗(yàn) 高速下不能測(cè)摩擦力。高速下不能測(cè)摩擦力。 球驅(qū)動(dòng)不好實(shí)現(xiàn)，只能模擬純滾球驅(qū)動(dòng)不好實(shí)現(xiàn)，只能模擬純滾 動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)狀態(tài)。 軟件設(shè)計(jì)不合理。軟件設(shè)計(jì)不合理。 改改 進(jìn)進(jìn) NGY-4型的設(shè)計(jì)型的設(shè)計(jì)(劉書(shū)海、馬麗然、李剛等劉書(shū)海、馬麗然、李剛等） 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：0.1-16000 rpm，速度可精確控制，可用計(jì)算機(jī)控，速度可精確控制，可用計(jì)算機(jī)控 制，角度位置可精確控制（數(shù)字編碼器）。制，角度位置可精確控制（數(shù)字編碼器）。 軸向跳動(dòng)軸向跳動(dòng)1 m；徑向跳動(dòng)；徑向跳動(dòng)1 m 軟件界面軟件界面 應(yīng)應(yīng) 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) 膜厚隨速度及粘度的變化膜厚隨速度及粘度的變化 -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