大學課件之摩擦學-邊界和分子膜潤滑

一、邊界潤滑邊界潤滑定義物理吸附與化學吸附邊界潤滑模型1.邊界潤滑定義

由于潤滑分子與固體表面的相互作用而形成一層具有潤滑作用的界面膜在摩擦過程起主要潤滑作用，該種潤滑狀態(tài)叫邊界潤滑。采用不具有流體效應的表面膜進行潤滑的工況叫邊界潤滑。表面吸附膜或反應膜進行潤滑的工況叫邊界潤滑。2.物理吸附與化學吸附物理吸附：當固體表面依靠范德華（Vander

Waals）力與介質中的液體或氣體分子相結合而形成定向排列的吸附層，這種吸附稱為物理吸附。

特點：

吸附分子與固體表面間不發(fā)生電子交換；

物理吸附是可逆的。固體表面與液體求氣體中的吸附分子間的結合鍵具有電子交換，此種吸附稱為化學吸附。如極性分子與金屬表面形成金屬皂，CnH2n+1COOM 金屬2.物理吸附與化學吸附化學吸附:特點：化學吸附是不可逆的。3.邊界潤滑模型自1922年Hardy提出邊界潤滑的概念以來邊界潤滑理論已有了較大的發(fā)展；先后出現了Bowden模型、Adamson模型、Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模型、混合模型等；最近已發(fā)展到分子行為和分子膜潤滑研究，并有重要應用價值。3.1Hardy模型－1922年Hardy，1864－1934，是生命學家，畢業(yè)于劍橋，是英國皇家學會生物方面的秘書，在研究膠體穩(wěn)定性和行為時，發(fā)現有一層極性吸附膜。給出了邊界潤滑的基本概念及吸附方式。提出了單分子層吸附膜的重要性?？梢越忉屵吔鐥l件下摩擦系數仍比較小以及摩擦系數與粘度關系不大等現象。特點：3.1Hardy模型存在的問題是：未能考慮摩擦副的真實接觸狀態(tài)。2.有許多現象不能解釋：小載荷時摩擦系數隨載荷的增加而降低；在正常的邊界潤滑條件下，仍存在金屬的接觸。3.2Bowden模型－1950年Bowden(1903－1965)，6個孩子中排行為第五，14歲時母親去世，主要靠父親培養(yǎng)，他的學習成績比較差，以至于高考未中，后來在私人教師的培養(yǎng)下，考上澳大利亞的大學，然后又到劍橋讀碩士，主要研究電化學和物理化學。1931年開始摩擦學研究（接觸問題），其主要貢獻是對Hardy模型的發(fā)展，與Tabor將一起，將Hardy的思想與Holm的真實接觸概念相結合，提出了Bowden模型、摩擦粘著機理等。后來轉入PTFE和滑雪研究，組建了建橋大學摩擦研究小組。

3.2Bowden模型－1950年F＝A[αSm+(1-α)Sf]A―表觀接觸面積；

Sm－金屬剪切強度；

Sf―潤滑膜剪切強度；

α―金屬的接觸率；

F―摩擦力。特點：提出了潤滑膜不連續(xù)的概念；提出了摩擦力二項式，該式一直延用至今；符合放射性示蹤法的測試結果，解釋了Hardy模型不能解釋的問題：①存在金屬接觸；②壓力增加 接觸處趨于變形 所需剪切能摩擦系數沒有考慮動態(tài)效應，只是靜態(tài)模型。存在問題：未能給出金屬接觸面積與負荷的關系，即沒有考慮壓力效應。不能解釋電導現象。即小負荷時，電導很小，電阻很大。但負荷加大，摩擦系數處于邊界潤滑范圍，即遠小于干接觸的摩擦系數，但是電導卻升到大致和非潤滑表面一樣，電阻很小。因此，出現了相互矛盾的結果。3.2Bowden模型－1950年3.3Adamson模型－1960年認為只有在小負荷時，Bowden模型才能成立。在正常壓力下，金屬接觸區(qū)幾乎不變化，金屬的表面變形不足以將潤滑膜擠走。但卻足以使其有些壓縮，即施加機械壓力于膜上。Adamson在Bowden模型的基礎上，考慮了壓力的影響，給出了潤滑膜的加壓模型。在壓力作用下，液體的逃逸趨勢和蒸氣壓的增加，使一部分長鏈分子平躺著。3.3Adamson模型特點：考慮了機械壓力的作用；可以解釋電導與摩擦系數矛盾的現象。載荷間隙分子平躺：①減摩擦作用存在，②電擊穿，電導率上升；提出了凝聚態(tài)邊界膜潤滑效果的原因。

存在問題：沒有考慮吸附分子與基體的作用力大小。沒有考慮吸附分子的動態(tài)效應；3.4Kingsbury模型－1958年1958年，Kingsbury[另一個Kingsbury(1863-1993)研究軸承]針對Bowden模型的缺點，提出了新的動態(tài)模型。將Bowden模型中的α定義為膜的破裂率：

α＝（Ns-N）/Ns其中：Ns－固體表面可以吸附的分子總數；N－實際摩擦過程中吸附于表面的分子數量；α－潤滑膜的破裂率。vz3.4Kingsbury模型認為吸附分子在固體表面上是停留、脫離的動態(tài)平衡過程。若粗糙峰以速度v

移動一個分子間距z的時間為tz，吸附分子在固體表面的停留時間為tr，則有：

α＝1－exp(-tz/tr)tz＝Z/vv∞，tz

0,α0

速度很大，表面分子未逃逸就滑過去了。v

0，tz

∞，α1

速度很低時，分子一旦離開，粗糙峰與基體的接觸就不會再分開。3.4Kingsbury模型其中：E為吸附熱；R為氣體常數；T為絕對溫度；t0為與表面方向垂直的振動周期。當：tz>>tr時，α

1

運動速度很慢或分子在表面停留 時間很短(如高溫、分子活性大).Tz<<tr時，α

0

運動速度很快，分子在表面停留 時間不長。3.4Kingsbury模型存在問題：沒有考慮壓力對潤滑分子的影響;沒有考慮吸附分子排列方式的影響;沒有考慮結構影響，如分子長鏈、大小等。特點：將吸附分子行為作為摩擦本質來理解。綜合考慮了吸附能、溫度、滑動表面相對運動速度的影響。引入了分子吸附與解吸的動態(tài)平衡概念。3.5Cameron模型

英國三大家：建橋：Bowden,Tabor,Jonhsm,結合（固體潤滑）流變特性；理國理工：Cameron,Spikes,EHL測試；Leads,Dowson,Talyer

計算。1960年，Cameron根據分子統(tǒng)計規(guī)律，認為摩擦副表面間的摩擦力主要由分子間的范德華引力造成，由此推導出引力能。3.5Cameron模型該式屬于Kirkwood-Muler色散力形式。根據吸附分子粘著在金屬表面上所具有的位能E1與移動后新的平衡狀態(tài)的位能E2之差等于摩擦力所做的功，從而計算出摩擦力。其中：m－電子質量；C－光速；α－極化常數；X－抗磁系數；R－X射線散射中心的距離；Φ－引力能。3.5Cameron模型特點：首次給出了邊界潤滑摩擦力的微觀解析解。從能量和統(tǒng)計角度來處理摩擦力問題。存在問題：認為吸附分子是與其粘著的表面發(fā)生錯動，這在正常工況條件下是不正確的。因為一般表面與吸附分子極性基之間的吸引力大于潤滑劑分子間的引力，故摩擦發(fā)生在吸附層之間。于是，摩擦力的計算就有較大的誤差。沒有考慮分子處于動態(tài)平衡過程，忽略了速度、溫度的影響。對于長鏈分子規(guī)則排列的情況，范德華引力計算式應作修正。許多情況下，吸附膜屬于極性分子在金屬表面發(fā)生了化學吸附，即存在電子交換，于是用色散力來描述就不確切。3.6Cobblestone模型－1988年

Cobblestone(鵝卵石)模型是1988年由Homala和Israelachvili提出。3.6Cobblestone模型－1988年Israelachvili與Talyer一起，于1973年研制出表面力儀，已成為當今研究幾個分子層的最有效儀器。認為兩表面被單分子層隔開時表面是粗糙不平的，分子就象鵝卵石一樣起滾動作用。于是鵝卵石半徑大時（圖a,b對照）表面相對而言就顯得平坦，摩擦力就小。這樣就形象地解釋了許多文獻中提出的潤滑效果與分子鏈長度相關的問題。特點：提出了單分子層潤滑模型，并解釋了大分子潤滑效果好的原因。將分子大小與表面粗糙度聯系起來，是前人未做過的工作。存在問題：該模型只適合于高精度表面間的小分子、非極性分子或環(huán)狀分子。只能定性說明問題，不以進行量的分析。3.6Cobblestone模型－1988年3.7混合模型HardymodelofboundarylubricationThinfilmlubricationFluidmoleculesOrderedmoleculesAdsorbedmolecules二、分子膜潤滑LB膜自組裝單分子膜分子膜在計算機磁頭上的應用磁盤盤片表面分子膜1.LB分子膜Langmuir-Blodgettfilm基體分別用CHCl3、酒精、丙酮依次超聲清洗10分鐘，除有機雜質。在體積比5:1:1的水、37%HCl和H2O2溶液中（80℃），浸泡5分鐘除氧化層；在體積比6:1:1的水、氨水和H2O2溶液中，80℃，浸泡5分鐘羥基化；用去離子水沖洗，熱風吹干，放入干燥器。OTS溶于8%CHCl3+12%CCl4+80%n-hexadecane的溶液中，濃度為10mmol/l?；w在溶液中浸泡5分鐘，取出，用CHCl3洗去多余的附著物。膜做成后，從溶液中取出時，用CHCl3清洗時。將一滴去離子水（約0.5l）滴在表面，對于剛剛清洗完的硅片或玻璃片，液滴一接觸表面馬上就平鋪開，呈現出很強的親水性；在做了OTS膜以后，液滴轉移到表面時仍保持球形，呈很強的疏水性，驗證了表面是甲基端頭。2.自組裝分子膜2.自組裝分子膜十八烷基三氯硅烷Octadecyltrichlorosilane,簡稱OTS，分子式C18H37SiCl3

OTS(Octadecyltrichlorosilane)OTS在硅片表面的成膜Fig.3TribologicalcharacteristicsofMicasurfaceRelativehumid:5%,Temperature:21℃,(a)Positioneffect(onetipfortendifferentpositions)(b)Tips’effect(tentipsforthesamesurface)(a)(b)AFM測量分子膜錢林茂

AtypicalbluntingprocessofanewSi3N4tipviafrictionscansonmica(Relativehumidity:5%）錢林茂AFM測量分子膜粘著力隨濕度的變化曲線(溫度：21℃)AFM測量分子膜錢林茂自組裝分子膜實驗研究摩擦系數隨濕度變化的趨勢使用玻璃測頭；溫度：20℃；載荷：5mN；速度：0.2mm/s蔣瑋（a）載荷130mN，最大壓強200MPa;線速0.3mm/s（b）載荷658mN，最大壓強355MPa；線速0.4mm/s耐磨試驗使用鋼測頭；溫度：20℃；濕度：35%自組裝分子膜實驗研究蔣瑋3.分子膜在計算機磁頭上的應用硬盤存儲密度：MB,GB100GB/in21000GB/in2飛行高度：50nm20nm10nm3-5nm?表面保護膜：10nm5nm3nm1-2nm?保護膜功能：防吸附、防磨損、防腐蝕、潤滑技術和科學問題：表面潤滑分子膜的制備、遷移特性納米薄膜的生長機理、界面力學特性和均勻生長技術AWA防浸潤涂層X-1P分子薄膜高結合力的自組裝分子膜3.1分子膜潤滑在磁頭表面應用1)AWA防浸潤涂層思路：空氣中污染分子吸附問題；

減小摩擦力； 防腐蝕FC-722--fluoro-polymersolution(C12H7F15O2)m

PFAM分子與DLC表面相互作用示意圖。

楊明處1)AWA防浸潤涂層－分子膜表征膜厚測量和分子膜化學結構分析：PHIQuantum2000X射線光電子能譜儀(XPS)和二次離子飛行時間質譜儀(ToF-SIMS)表面形貌：DID-3000原子力顯微鏡（AFM）接觸角：VCA2500XE可視接觸角測量儀

TOF-SIMS1)AWA防浸潤涂層－接觸角一次起停過程摩擦力測量結果WithAWA(No.1)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)WithAWA(No.2)WithAWA(No.1)WithAWA(No.2)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)起停實驗摩擦力測量結果實驗前后膜厚變化CFnumberonABSsurfacebeforeandafterCSStest有無AWA膜的表面對比NormalsliderAWAsliderContamination:S(sulphur),Cl(chlorine),etc.小結優(yōu)點：結果表明AWA分子膜具有很好的耐潤濕性能；缺點：PFAM分子膜與DLC間的氫鍵作用力較弱，不能抵抗溶液清洗而發(fā)生解吸附；對于超薄DLC膜，防腐蝕效果不好。

2)X-1P分子薄膜PFPE:lubeonthediskAl2o3:

slidermaterialX-1P:onABS楊明處熱重分儀析實驗

(TGA)LubeLube+sliderLube+x-1pLube+slider+x-1p2)X-1P分子薄膜－防腐性能2)X-1P分子薄膜－接觸角(a)Filmthickness=0(b)Filmthickness=1.23nm(c)Filmthickness=1.35nm (d)Filmthickness=1.83nm

2)X-1P分子薄膜－起停實驗(e)Filmthickness=2.53nmCSSwithnumberof200002)X-1P分子薄膜－起停實驗WithoutX-1PfilmCSS實驗后磁頭表面(a)Headsurface (b)Disksurface磁頭表面X-1P薄膜(<1.5nm)CSS實驗后磁頭、磁盤表面－薄膜(a)Headsurfaceofsampleone(b)Headsurfaceofsampletwo

(c)Disksurfaceofsampleone(d)Disksurfaceofsampletwo磁頭表面X-1P薄膜(>2nm)CSS實驗后磁頭、磁盤表面－厚膜3)高結合力的自組裝分子膜研究思路：增強結合力，填補微空，防腐蝕。胡曉莉1H,1H,2H,2H-全氟葵烷基三乙氧基硅烷CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH2CH3)3（簡稱FTE）3)高結合力的自組裝分子膜－形貌3)自組裝分子膜－生長過程和規(guī)律(a)DLC表面,(b)1.5h，(c)12h，(d)24h，(e)36h，(f)48h3)自組裝分子膜－膜厚和接觸角反應時間36h時膜厚和接觸角值達到飽和，分別為1.2nm和110.5o清洗對FTE自組裝膜膜厚和接觸角值的影響3)高結合力自組裝分子膜－抗清洗性能3)高結合力自組裝分子膜－摩擦學性