納米潤滑膜厚度測量儀

1、郭郭 丹丹清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室1 1摩擦學(xué)實驗室簡介；摩擦學(xué)實驗室簡介；2 2摩擦學(xué)的研究背景；納米膜厚測量儀摩擦學(xué)的研究背景；納米膜厚測量儀的項目研究背景；的項目研究背景；3 3介紹納米膜厚測量儀的研究過程；介紹納米膜厚測量儀的研究過程；4 4納米膜厚測量儀的改進(jìn)；納米膜厚測量儀的改進(jìn)；5 5納米膜厚測量儀在科研中的作用；納米膜厚測量儀在科研中的作用； 成果；成果；7 7參觀儀器設(shè)備；參觀儀器設(shè)備；課程內(nèi)容課程內(nèi)容 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室建于1988年，1991年通過了第一次評估。 實驗室目前的使用面積為1500 M2，目前有設(shè)備儀器314臺套，設(shè)備

2、儀器總資產(chǎn)約2000萬元。 博士后10名左右，博士35名，碩士35名，共計80名。 1. 人人 員員首席咨詢專家：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)特邀咨詢專家：桂長林教授，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李詩卓 研究員， 中科院沈陽金屬所Li, Yuzhuo, Professor of Chemistry, Clarkson University, U

3、SA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)趙源教授級高工，武漢材料保護(hù)研究所1）學(xué)科簡介）學(xué)科簡介 摩擦學(xué)摩擦學(xué)摩擦學(xué) Tribology 來源于希臘字 Tribos, 含義為摩擦的科學(xué) (The science of rubbing)19641966年之間，受英國政府資助，由H.P.Jost所主持的一個潤滑工程工作組調(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年呈交的報告(著名的Jost報告)中，建議設(shè)立一個研究學(xué)科稱為Tribolo

4、gy。中文譯為摩擦學(xué)。 摩擦學(xué)的來歷 摩擦學(xué)摩擦學(xué)-研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。緣學(xué)科。 摩擦摩擦-相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；相對運動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； 潤滑潤滑-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)省能源；減少磨損減少磨損 降低設(shè)備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造降低設(shè)備維修次數(shù)和

5、費用，節(jié)省制造零零 件及其所需材料的費用。件及其所需材料的費用。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%由于磨損超過限度而報廢。由于磨損超過限度而報廢?，F(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滑薄膜潤滑（膜厚：（膜厚：1 nm100 nm) 低速、重載、高溫及采用低粘度潤滑介質(zhì)低速、重載、高溫及采用低粘度潤滑介質(zhì)(如水基潤如水基潤滑液）的機(jī)械及精密機(jī)械中，摩擦副之間的潤滑膜?；海┑臋C(jī)械及精密機(jī)械中，摩擦副之間的潤滑膜常處于十幾個到幾十個納米厚度的薄膜潤滑狀態(tài)，薄膜處于十幾個到幾十個納米厚度的薄膜潤滑狀態(tài)，薄膜

6、潤滑就是研究這種狀態(tài)下的潤滑性能及機(jī)理，潤滑就是研究這種狀態(tài)下的潤滑性能及機(jī)理，其中的其中的關(guān)鍵問題是納米級潤滑膜厚度測量技術(shù)。（應(yīng)用背景）關(guān)鍵問題是納米級潤滑膜厚度測量技術(shù)。（應(yīng)用背景）什么是薄膜潤滑？什么是薄膜潤滑？流體動力潤滑流體動力潤滑(1886) (1886) 彈流潤滑彈流潤滑(1950s) (1950s) ？ 邊界潤滑邊界潤滑 (1921) (1921) 干摩擦干摩擦(C(Coulomb,1785),1785)問題問題: 該區(qū)域是什么狀態(tài)該區(qū)域是什么狀態(tài)？ 潤滑機(jī)理是什么潤滑機(jī)理是什么? ? 這個區(qū)域與彈流潤滑和邊界潤滑是什么關(guān)系這個區(qū)域與彈流潤滑和邊界潤滑是什么關(guān)系?l薄膜潤滑實

7、驗薄膜潤滑實驗 Spikess group (UK) Luos group (SKLT, TU, China) Hartals group (Czechoslovakia) Israelachvilis group (USA) Granicks group (USA) l薄膜潤滑計算薄膜潤滑計算 Tichy, Thompson, Robbins, Hu, Popov, et al.常用測量方法：常用測量方法：電容法（分辨率電容法（分辨率 出口Y m20膜厚 nm接觸區(qū) a-b-c-d的膜厚分布 研研 究究 過過 程程技術(shù)關(guān)鍵：技術(shù)關(guān)鍵：如何得到穩(wěn)定的納米潤滑薄膜？如何得到穩(wěn)定的納米潤滑薄膜？球

8、盤系統(tǒng)，降低卷吸速度，低速穩(wěn)定電機(jī)，加工精球盤系統(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、柔性軸連接、鋼度，鋼球定位，柔性皮帶傳動、柔性軸連接、鋼球浮動球浮動如何獲得穩(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)計光源選擇、光路設(shè)計如何得到準(zhǔn)確的潤滑膜厚度及形狀？如何得到準(zhǔn)確的潤滑膜厚度及形狀？ 相對光強(qiáng)法相對光強(qiáng)法改改 進(jìn)進(jìn)NGY-3型型改進(jìn)了驅(qū)動系統(tǒng)和控制部分；改進(jìn)了驅(qū)動系統(tǒng)和控制部分；（提高驅(qū)動精度、平穩(wěn)性、提高驅(qū)動精度、平穩(wěn)性、電機(jī)自動控制）電機(jī)自動控制）潤滑油微量循環(huán)，可溫控；潤滑油微量循環(huán)，可溫控；增加了摩擦力測試系統(tǒng)；增加了摩擦力測試

9、系統(tǒng)；開發(fā)了開發(fā)了Windows界面下的油界面下的油膜測量程序；膜測量程序；測量范圍: 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的不足的不足盤驅(qū)動主軸運轉(zhuǎn)精度低。盤驅(qū)動主軸運轉(zhuǎn)精度低。潤滑油溫控難實現(xiàn)，有甩油漏油潤滑油溫控難實現(xiàn)，有甩油漏油現(xiàn)象，不能進(jìn)行水基潤滑劑實驗現(xiàn)象，不能進(jìn)行水基潤滑劑實驗高速下不能測摩擦力。高速下不能測摩擦力。球驅(qū)動不好實現(xiàn)，只能模擬純滾球驅(qū)動不好實現(xiàn)，只能模擬純滾動狀態(tài)。動狀態(tài)。軟件設(shè)計不

10、合理。軟件設(shè)計不合理。改改 進(jìn)進(jìn)NGY-4型的設(shè)計型的設(shè)計(劉書海、馬麗然、李剛等劉書海、馬麗然、李剛等）測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：0.1-16000 rpm，速度可精確控制，可用計算機(jī)控，速度可精確控制，可用計算機(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）。軸向跳動軸向跳動1 m；徑向跳動；徑向跳動1 m軟件界面軟件界面1101001000101001000 Polyplycol oil 1, 47 mm2/s Polyplycol oil 2, 145 mm2/s Polyplycol oil 3, 329 mm2/s Polyplycol oil 4,

11、 674 mm2/s Polyplycol oil 5, 1530 mm2/sFilm 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-150-100-50050100150020406080100 Static state v=4.7 mm/s v=10.1 mm/s v=12.4 mm/sFilm thickness /nmPosition /mFilm thickness in the central cross-sectionLubricant: mineral oil with viscosity of 36 mPa.s at 20C

12、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/s0204060801001200102030405060 A B CFilm thickness (nm)Time (min)1E-30.010.1110110100Film thickness (nm)Speed (m/s) 0.06mM 0.8mM 10mM 12mM02040608010012mM10mM0.8m