納米潤滑膜厚度測(cè)量儀

納米潤滑膜厚測(cè)試儀

郭丹清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1．摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室簡介；2．摩擦學(xué)的研究背景；納米膜厚測(cè)量儀的項(xiàng)目研究背景；3．介紹納米膜厚測(cè)量儀的研究過程；4．納米膜厚測(cè)量儀的改進(jìn)；5．納米膜厚測(cè)量儀在科研中的作用；成果；7．參觀儀器設(shè)備；課程內(nèi)容實(shí)驗(yàn)室的基本情況

清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建于1988年，1991年通過了第一次評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)室目前的使用面積為1500M2，目前有設(shè)備儀器314臺(tái)套，設(shè)備儀器總資產(chǎn)約2000萬元。

博士后10名左右，博士35名，碩士35名，共計(jì)80名。

固定人員62人，其中教授14名，副教授36名,在站博士后15

人。擁有中國科學(xué)院院士：溫詩鑄俄羅斯工程院外籍院士：陳大融俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士：金元生長江學(xué)者特聘教授：雒建斌國家杰出青年基金獲得者：雒建斌、孟永鋼跨/新世紀(jì)人才基金獲得者：雒建斌、路新春、何永勇1.人員實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)構(gòu)名譽(yù)主任：溫詩鑄院士主任：雒建斌教授副主任：孟永鋼(常務(wù))、陳懇、鞏馬理、季林紅中心實(shí)驗(yàn)室（摩擦學(xué)研究所）所長：雒建斌副所長：邵天敏（常務(wù)）、孟永鋼、褚福磊書記：汪家道秘書：路新春固定人員：中科院院士1人，俄羅斯工程院外籍院士1人，教授8人，副高9人，其它8人，共25人。微納制造研究室主任：陳懇副主任：王立平、楊向東

固定人員：教授3人，副教授14人，共17人。智能與生物機(jī)械研究室主任：季林紅副主任：閻紹澤、賈曉紅

固定人員：教授1人，副教授9人，共10人。微納光電子技術(shù)研究室主任：鞏馬理副主任：柳強(qiáng)

固定人員：教授2人，副教授3人，講師4人，共9人。實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)名譽(yù)主任：謝友柏院士，上海交通大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任：鐘掘院士，中南大學(xué)副主任：薛群基院士，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所張嗣偉教授，石油大學(xué)委員：

陳大融教授清華大學(xué)，

葛世榮教授中國礦業(yè)大學(xué)

郭東明教授大連理工大學(xué)，郭萬林教授南京航空航天大學(xué)

胡元中研究員清華大學(xué)，

黃平教授華南理工大學(xué)

雷源忠教授基金委員會(huì)，

李健高高工武漢材料保護(hù)所

李曙研究員中科院金屬所，林忠欽教授上海交通大學(xué)

羅繼偉高高工洛陽軸承所，

史鐵林教授華中科技大學(xué)

孫立寧教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)，嚴(yán)新平教授武漢理工大學(xué)

趙亞溥研究員中科院力學(xué)所，周仲榮教授西南交通大學(xué)秘書：路新春研究員，清華大學(xué)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,UniversityofHuddersfield,UK金元生教授，俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士，清華大學(xué)DaisukeKonno,Dr.,ETT,Japan李詩卓研究員，中科院沈陽金屬所Li,Yuzhuo,ProfessorofChemistry,ClarksonUniversity,USA劉家俊教授，清華大學(xué)PatrickWong,AssociateProfessor,CityUniversityofHongKong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)研究所實(shí)驗(yàn)室專家委員會(huì)2.重點(diǎn)發(fā)展方向1)摩擦學(xué)理論與技術(shù)主要研究：摩擦學(xué)的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。其中包括：薄膜潤滑與分子膜潤滑理論和技術(shù)；納米摩擦學(xué)；摩擦控制；磨損機(jī)理與抗磨技術(shù)；自修復(fù)技術(shù)和電流變技術(shù)；轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與故障診斷。2)表面與界面理論與技術(shù)主要研究：表面形態(tài)效應(yīng)、高性能的耐磨、減摩涂層制備技術(shù)；超薄膜制備技術(shù)、超硬膜制備技術(shù)、復(fù)合薄膜技術(shù)。3)微納制造理論與技術(shù)

主要研究：原子級(jí)光滑表面制備技術(shù)；微機(jī)械力學(xué)性能與失效機(jī)制；微型驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)。4)智能與生物機(jī)械設(shè)計(jì)理論和控制技術(shù)

主要研究：生物機(jī)械設(shè)計(jì)、生物信息檢測(cè)；超精密機(jī)械系統(tǒng)誤差分析及補(bǔ)償技術(shù)；智能機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在精密機(jī)械中的應(yīng)用；微機(jī)械性能分析與設(shè)計(jì)。5)微納光電測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)

主要研究：微器件加工和測(cè)量技術(shù)。其中包括：激光測(cè)量技術(shù)、亞納米光滑表面測(cè)量技術(shù)、微光電器件制造技術(shù)、高性能光學(xué)器件制備技術(shù)。2.重點(diǎn)發(fā)展方向1）學(xué)科簡介－－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)(Thescienceofrubbing)1964~1966年之間，受英國政府資助，由H.P.Jost所主持的一個(gè)潤滑工程工作組調(diào)查表明：全世界的能源有1/3~1/2消耗于摩擦和磨損方面。在1966年呈交的報(bào)告(著名的Jost報(bào)告)中，建議設(shè)立一個(gè)研究學(xué)科稱為Tribology。中文譯為摩擦學(xué)。摩擦學(xué)的來歷3.本項(xiàng)目研究背景

摩擦學(xué)----研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)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)用的一門邊緣學(xué)科?！?/p>

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；▲

磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；▲

潤滑--減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施；研究背景

減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機(jī)械產(chǎn)品的60%由于磨損超過限度而報(bào)廢。研究背景

現(xiàn)代摩擦學(xué)發(fā)展的重要方向－薄膜潤滑（膜厚：1nm~100nm)

低速、重載、高溫及采用低粘度潤滑介質(zhì)(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常處于十幾個(gè)到幾十個(gè)納米厚度的薄膜潤滑狀態(tài)，薄膜潤滑就是研究這種狀態(tài)下的潤滑性能及機(jī)理，其中的關(guān)鍵問題是納米級(jí)潤滑膜厚度測(cè)量技術(shù)。（應(yīng)用背景）什么是薄膜潤滑？流體動(dòng)力潤滑(1886) 彈流潤滑(1950s)？

邊界潤滑(1921)干摩擦(Coulomb,1785)問題:該區(qū)域是什么狀態(tài)？潤滑機(jī)理是什么?這個(gè)區(qū)域與彈流潤滑和邊界潤滑是什么關(guān)系?研究背景研究背景Jost’s

問題(Tribology2000):

什么是薄膜潤滑的定義?Granick’s問題

(Science,1991)這種超薄膜的有效粘度如何確定?當(dāng)膜很薄時(shí)怎樣從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)?為什么這種固體膜能承受持續(xù)的滑動(dòng)？1992年國際摩擦學(xué)大會(huì)重點(diǎn)討論1993年國內(nèi)摩擦學(xué)大會(huì)命名理論意義－整個(gè)潤滑體系建立的關(guān)鍵實(shí)際意義－低速、重載、高溫及采用低粘度潤滑介質(zhì)的機(jī)械及精密機(jī)械中。研究的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的薄膜潤滑狀態(tài)并測(cè)量研究背景研究背景薄膜潤滑實(shí)驗(yàn)Spikes’sgroup(UK)Luo’sgroup(SKLT,TU,China)Hartal’sgroup(Czechoslovakia)Israelachvili’sgroup(USA)Granick’sgroup(USA)

薄膜潤滑計(jì)算Tichy,Thompson,Robbins,Hu,Popov,etal.研究背景

潤滑膜厚度是衡量潤滑性能和潤滑狀態(tài)的重要參數(shù)。常用測(cè)量方法：電容法（分辨率<0.1mm）電阻法（量化困難）

光干涉法（分辨率高）納米膜厚測(cè)量儀研究納米薄膜成膜機(jī)理及摩擦學(xué)特性?？纱蠓秶{(diào)速，以研究潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。測(cè)量精度高，與實(shí)際工況接近。研究背景

研究背景

1967，Gohar和Cameron首次應(yīng)用光干涉法于潤滑膜厚測(cè)量，分辨率100nm（不能小于1/4波長）1987，Spikes和Gao，Al2O3墊層法，分辨率10nm（斜墊層制作困難）1991年，Johnston，Wayte和Spike等，改進(jìn)墊層設(shè)計(jì)，光譜分析技術(shù)，分辨率5nm（水平方向分辨率低100um）1992年，雒建斌、黃平和溫詩鑄，相對(duì)光強(qiáng)法，法向分辨率0.5nm,水平分辨率1.0um。

光干涉法測(cè)量潤滑膜厚的基本原理利用反射光I和反射光II形成的干涉條紋，確定油膜厚度（傳統(tǒng)光干涉法）。在同級(jí)的最亮條紋與最暗條紋之間，干涉光強(qiáng)是隨光強(qiáng)差也就是潤滑膜厚而變化的。因此，任一點(diǎn)的潤滑膜厚取決于該點(diǎn)光強(qiáng)在最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)之間的相對(duì)位置以及無潤滑油膜時(shí)的光強(qiáng)值。（相對(duì)光強(qiáng)法）測(cè)試原理相對(duì)光強(qiáng)原理研究過程立項(xiàng)1992年，國家自然科學(xué)基金，納米級(jí)薄膜測(cè)量技術(shù)研究，申請(qǐng)者:黃平,項(xiàng)目參加者：雒建斌、郭炎，申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)：5.2萬元

研究目標(biāo)

建成納米級(jí)膜厚的光干涉測(cè)量裝置。擬解決的關(guān)鍵問題

加工裝置的精度；光譜分析、圖象處理；微機(jī)處理；標(biāo)定。創(chuàng)新

把薄膜測(cè)試提高到納米級(jí)。研究過程技術(shù)路線、研究步驟、可行性分析、研究工作安排研究過程研究過程問題：1.光透反射過程的相位變化(除油膜厚度h引起光程差變化外，鉻膜和鋼球表面反射也引起二者相位差變化，需要考慮。）

解決辦法：采用相對(duì)光強(qiáng)法，用無油膜時(shí)的光強(qiáng)標(biāo)定。研究過程2.多光束干涉問題（由于金屬的反射率比較高，因此存在多光束干涉的可能，將影響計(jì)算精度）

解決辦法：降低二次反射光強(qiáng)，增強(qiáng)一次反射光強(qiáng)，計(jì)算光透反射光強(qiáng)，設(shè)計(jì)最優(yōu)方案，鍍?cè)鐾改ぃ∕gF）、反射膜（鉻）。研究過程3.干擾與誤差(光場(chǎng)不均勻，外界干擾）

解決辦法：修正、相對(duì)位置研究過程測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案光源、光路設(shè)計(jì)、CCD接收、圖像采集機(jī)械裝置設(shè)計(jì)方案如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的薄膜潤滑狀態(tài)?（球盤系統(tǒng)、卷吸速度、潤滑液粘度、加工精度）運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)軟硬件（支持所有功能）研究過程N(yùn)GY－2型納米級(jí)膜厚測(cè)量儀

鍍有鉻膜的玻璃盤A和鋼球B之間為待測(cè)潤滑膜。電機(jī)H1通過皮帶帶動(dòng)傳動(dòng)軸J轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)球驅(qū)動(dòng)。電機(jī)H2通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)盤。千分尺G可帶動(dòng)支座D、C和鋼球B沿徑向移動(dòng)和定位。砝碼F對(duì)鋼球和玻璃盤之間的油膜加載。顯微鏡K與三維工作臺(tái)L可做三維運(yùn)動(dòng)。研究過程

實(shí)物照片NGY-2原理圖研究過程垂直分辨率:0.5nm水平分辨率:1.5

m性能指標(biāo):(a)不同波長(b)不同折射率膜厚分辨率與光干涉強(qiáng)度的關(guān)系

研究過程接觸區(qū)a-b-c-d的膜厚分布

研究過程研究過程技術(shù)關(guān)鍵：如何得到穩(wěn)定的納米潤滑薄膜？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(dòng)、柔性軸連接、鋼球浮動(dòng)如何獲得穩(wěn)定、清晰的干涉圖像？光源選擇、光路設(shè)計(jì)如何得到準(zhǔn)確的潤滑膜厚度及形狀？相對(duì)光強(qiáng)法改進(jìn)NGY-3型改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制部分；（提高驅(qū)動(dòng)精度、平穩(wěn)性、電機(jī)自動(dòng)控制）潤滑油微量循環(huán)，可溫控；增加了摩擦力測(cè)試系統(tǒng)；開發(fā)了Windows界面下的油膜測(cè)量程序；測(cè)量范圍:0~500nm；垂直分辨率:0.5nm水平分辨率:1m；速度:0.2~1900mm/s摩擦力測(cè)量精度:0.1mN；溫度范圍:~120°C主要性能指標(biāo)沈明武、張朝輝等NGY-3的不足盤驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度低。潤滑油溫控難實(shí)現(xiàn)，有甩油漏油現(xiàn)象，不能進(jìn)行水基潤滑劑實(shí)驗(yàn)高速下不能測(cè)摩擦力。球驅(qū)動(dòng)不好實(shí)現(xiàn)，只能模擬純滾動(dòng)狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)不合理。改進(jìn)改進(jìn)

盤主軸精度的提高實(shí)現(xiàn)方式：氣浮精密轉(zhuǎn)臺(tái)@北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司指標(biāo)：軸向跳動(dòng)精度0.1m；測(cè)量轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)精度：0.1m；轉(zhuǎn)速可控。NGY-4型的設(shè)計(jì)(劉書海、馬麗然、李剛等）改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)油杯系統(tǒng)（水基實(shí)驗(yàn)）實(shí)現(xiàn)方式：不銹鋼材料大容量油杯改進(jìn)油溫控制

油浴系統(tǒng)，SY2000型智能恒溫油浴。油浴杯形式：改進(jìn)改進(jìn)加載方式改進(jìn)其他

漏油、甩油問題鋼球支承連接部分外觀機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算軟件

……改進(jìn)NGY-4

改進(jìn)改進(jìn)

球驅(qū)動(dòng)主軸采用電主軸轉(zhuǎn)速：0.1-16000rpm，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）。軸向跳動(dòng)<1μm；徑向跳動(dòng)<1μm摩擦力測(cè)量加裝高精度旋轉(zhuǎn)扭矩儀轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)；精度千分之二；測(cè)量范圍1NM；改進(jìn)(NGY-5）改進(jìn)1.加載方式采用直線步進(jìn)電機(jī)加壓力傳感器的方式。2.加熱方式改為電加熱方式，采用熱電偶測(cè)溫，可控硅控溫的方式。3.球驅(qū)動(dòng)電機(jī)和盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速比的運(yùn)轉(zhuǎn)。4.所有功能在計(jì)算機(jī)上操作和控制。軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試－費(fèi)時(shí)費(fèi)力需反復(fù)試驗(yàn)！??！改進(jìn)軟件界面照片（NGY－5）應(yīng)用膜厚隨速度及粘度的變化應(yīng)用Filmthicknessinthecentralcross-sectio