基本介紹
- 中文名：薄膜潤滑
- 主體：機械及精密機械
- 厚度：十幾個到幾十個納米厚度
- 關鍵問題：納米級潤滑膜厚度測量技術
定義,研究現狀,薄膜潤滑特性,油膜厚度與速度的關係,油膜厚度與載荷的關係,油膜厚度與潤滑劑粘度的關係,薄膜潤滑的優點,薄膜潤滑的相關結論,
定義
低速、重載、高溫及採用低粘度潤滑介質(如水基潤滑液）的機械及精密機械中，摩擦副之間的潤滑膜常處於十幾個到幾十個納米厚度的薄膜潤滑狀態，薄膜潤滑就是研究這種狀態下的潤滑性能及機理，其中的關鍵問題是納米級潤滑膜厚度測量技術。潤滑膜厚度與表面粗糙度處於同數量級，以致潤滑特性不僅取決於潤滑劑的黏性，還與潤滑劑物理化學性質和摩擦表面特性有關的潤滑。
研究現狀
美國阿貢國家實驗室曾就石墨烯降低摩擦係數做過系統實驗，把含有少量石墨烯的溶液滴到兩個鋼材的接觸面之間即可。隨著接觸面之間的相對運動，石墨烯會均勻並且牢牢地附著在整個接觸表面，石墨烯在鋼摩擦表面形成保護層，磨損量降低了4個數量級，摩擦係數減小為1/6。將經過表面改性的石墨烯微片分散到潤滑油基礎油或複合添加劑中，最終生產出節能抗磨改進劑，提升潤滑質量。
通過電鏡微觀檢查改進劑有效作用里程500公里以上的汽車發動機軸瓦，未產生任何不良磨損，且發現在軸瓦摩擦副表面形成了一層保護膜，和有助於降低摩擦係數的納米球體，實現了滑動摩擦變滾動摩擦，大大降低了摩擦損耗。
薄膜潤滑特性
薄膜潤滑的特徵之一是在表觀上體現為膜厚很小，需要考慮微粒的尺度效應。可以認為，薄膜潤滑在本質上是有序分子起主要作用的一種潤滑狀態。可以將摩擦副的兩表面之間的相對運動分解為擠壓運動和剪下運動，其中剪下運動不破壞分子的有序排列，相反在吸附勢和誘導力等作用下，它可促進有序分子形成；擠壓運動則通過引起有序排列的分子姿態的改變來降低分子的有序度。
油膜厚度與速度的關係
當存在應力偶作用時，油膜厚度均大於相應彈流潤滑解的膜厚值，而且特徵長度越大，膜厚增加越明顯。當速度較高而相應油膜厚度很大時，應力偶對膜厚的影響很小。當存在應力偶時，膜厚與速度的關係不再呈簡單的指數關係；膜厚越小，材料特徵長度越大，則偏離越顯著，從而體現出尺度效應。可以認為，在膜厚較大時，有序膜密度較小，處於彈流潤滑區；隨著膜厚逐漸減小，有序膜的作用變得明顯，逐漸過渡到薄膜潤滑狀態。
油膜厚度與載荷的關係
油膜厚度與潤滑劑粘度的關係
在高膜厚區有序膜影響小，可以認為其處於彈流潤滑區。當存在應力偶時，油膜厚度增加，這種影響隨著特徵長度的增加而更為明顯。在低膜厚區，有序膜所占比例增加，明顯偏離彈流曲線，潤滑劑粘度同油膜厚度不再具有明顯的指數關係在對數坐標上偏離了直線關係，體現出尺度效應。
薄膜潤滑的優點
1、粘變薄膜的剛性比牛頓流體的強。在膜厚較大的輕載區和中載區，薄膜的剛性隨De數的增大而稍有提高；但在膜厚較小的重載區，油膜的剛性隨De的增大而逐漸減小。
2、牛頓流體和粘變流體的摩擦力均隨載荷的增加而增加；在輕載區摩擦力增加較快；在中載區摩擦力幾乎保持不變，出現摩擦力平台；在重載區摩擦力快速增加，且牛頓流體油膜厚度迅速減小，而粘變流體依然保持承載能力。
3、在重載情況下，油膜承載能力迅速下降。
4、較大De數相應的油膜隨載荷增加而急劇變薄。
5、牛頓流體和粘變流體的膜厚均隨卷吸速度的降低而減小。粘變薄膜厚度與速度的相關性同牛頓流體相比小得多。
薄膜潤滑的相關結論
1、套用偶合應力理論來分析薄膜潤滑狀態的潤滑特性時，我們可知：
a、 利用應力偶理論可以較好地預測薄膜潤滑的潤滑特性。
b、 在薄膜潤滑下的油膜厚度大於彈流理論預期值，膜厚越薄，即有序分子膜所起作用越大時，薄膜潤滑膜厚較彈流解增加的幅值越大。在薄膜潤滑下，潤滑膜厚和速度以及粘度的關係不再呈簡單的指數關係。
2、利用在油潤滑中施加外加電場和在水潤滑中添加KCl。以改變潤滑劑中離子濃度進行組合滑塊潤滑試驗時，通過分析理論結果與實驗結果可得：
a、在薄膜厚度較薄時，雙電層效應使得流體的電層的電粘度效應逐漸減弱。
b、隨著電場強度增加，雙電層的電粘度效應增加，當電場強度達到一定程度時，雙電層的電粘度效應開始減弱。
3、利用薄膜潤滑狀態下的非牛頓性和類固體特性，建立了薄膜潤滑的數學模型，對線接觸彈流薄膜潤滑問題分析計算可知：在相同載荷下，基於粘變模型計算得到的潤滑膜厚度比基於牛頓流體模型的大，這說明粘變薄膜的承載能力較強。
