《基於薄膜流變的潤滑非平衡熱力學理論與行為研究》是依託清華大學，由張向軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於薄膜流變的潤滑非平衡熱力學理論與行為研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：張向軍
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微納米系統與高精密儀器中薄膜潤滑存在的典型問題- - 粘滑與潤滑失效，已成為系統高精度與高可靠性的嚴重製約因素之一。然而，微納米尺度的薄膜潤滑體系跨越多種潤滑物理機制與宏微觀尺度，涉及動態工況參數、潤滑劑薄膜流變、表界面物理化學吸附等耦合作用，其理論與模型尚遠未成熟。本研究立足薄膜潤滑劑的流變模型及界面效應的試驗研究，建立統一的薄膜潤滑系統的熱力學模型與分析方法，採用熱力學的熵增函式、焓變函式等耦合多種潤滑物理機制、跨越巨觀的系統參數與微觀的潤滑劑流變和結構變化，分析研究潤滑系統的熱力學非平衡定態特徵以及特定工況下的自組織行為，進而揭示微納米尺度薄膜潤滑的粘滑與失效發生的機理、臨界條件與控制技術。本研究將不僅為微納米尺度薄膜潤滑問題提供創新統一的模型與理論，還對高精密機械的防粘滑與潤滑失效設計有迫切的現實套用價值。
結題摘要
摩擦潤滑過程是典型的能量耗散過程，蘊含了多種影響因素的非線性耦合作用，因此可以利用非平衡熱力學模型與方法進行分析，並對其狀態變化作出可靠的解釋與預測。本研究從熱力學的觀點出發，利用熵增分析的方法對潤滑過程進行了分析與討論，並採用差熱分析儀(DSC)以及流變儀、潤滑測試儀等，對潤滑薄膜的界面效應、相變效應、潤滑規律進行了試驗研究。理論結合模型的結果較好地解釋和預測了試驗規律。研究從統一的熱力學模型，揭示了潤滑過程中流變、界面、工況、表面、外物理場等多因素耦合的機理，有重要的理論意義和實用價值。 採用DSC測試揭示了納米尺度受限的液晶薄膜的相變溫度變化以及近壁面處的有序排列係數，證明界面效應有效改變潤滑狀態；利用建立了剪下流場下計入剪下變形彈性能、界面錨定能以及外電場作用能等多物理場作用下的系統自由能表達式，結合熱力學公式得出在耦合外場作用下液晶分子指向矢的平衡分布狀態，以及有效粘度隨電場以及剪下場的變化規律，與流變儀實測結果吻合良好。 採用德博拉數De，薄膜弛豫時間以及邊界層滑移厚度等參數建立潤滑薄膜的粘彈性流變模型，得到統一的潤滑方程，揭示了潤滑劑從流體動壓潤滑到邊界潤滑的流變轉變特徵和主導效應，分析了潤滑薄膜區別於傳統體相流變的兩個重要參數，負滑移長度b和邊界層的鬆弛時間 。前者表明了邊界層界面相互作用，後者表明了粘彈性或薄膜的類固化（與德博拉數De有關）。這個統一的流變模型在較寬範圍內描述了潤滑狀態從流體動壓潤滑經過薄膜潤滑到邊界潤滑的轉換及其典型規律。 採用熱力學方法建立了潤滑系統的熵增率的表達，進而建立了隨著潤滑膜厚變化的動態潤滑行為的熱力學模型。結合能量耗散模型，分析了摻雜了磨粒的流體潤滑膜的自由能變化，推導得到了計入磨粒影響的混合潤滑過程熵增方程。探討了界面作用對潤滑過程Stribeck曲線的變化規律的影響，結合分離壓理論建立了簡化的熵增分析模型，將潤滑過程中受到的流體粘滯阻力等效為熱耗散，分析了固液分界面處的熵增率變化和熱力學穩定性。結果顯示，Stribeck曲線的最低點與最小熵增點有著良好的對應關係，發現可以利用熱力學系統的最小熵增點和臨界失穩點來估計潤滑過程的最小摩擦係數出現位置和薄膜潤滑臨界轉化位置；從等效熵的角度分析計算了界面自由能造成的摩擦係數變化，計算結果與實驗結果在Stribeck曲線的變化規律、最小摩擦係數出現位置等方面吻合度很高。從液
