季戊四醇油酸酯膜厚测量及薄膜润滑研究.pdf

2015年6月
机械设计与制造工程
第44卷第6期
Machine Design and Manufacturing Engineering
Vol 44 No 6
DL:10.3969/j.isg,2095-509X.2015.06.019
季戊四醇油酸酯膜厚测量及禛膜浰滑硏究
蔡发达,杜华,潘伶,高诚辉
(福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350108)
摘要:运用光干涉法相对光强原理,通过納米级润滑膜厚度测量似测量了不同温度、不同載荷下
纳米间隙中环境友好润滑剂季茂四醇油酸酯的油膜厚度。探究了膜厚与速度、载荷、温度之间的
关系,观察了蒋膜润滑现象。结果表明:在对数坐标系下,膜厚与速度具有一定的线性关系,在速
度較高时,绒性关系更强,润滑剂具有流体效应。戟荷对膜厚的影响远小于速度对膜厚的影响
温度对膜厚的影响主要衰现在温度越高时,润滑剂的黏度越低,润滑剂的膜厚越薄。
关词:纳米级;季成四醇油酸酯;薄膜涧滑
中图分类号:THI17.2
文献标志码:A
文章编号:2095-509X(2015)06-0075-04
纳米摩擦学作为超精密仪器与微机系统发展法相对光强原理对点接触中心润滑膜膜厚进行了
的基础,近年来受到越来越多的关注。自 Reynolds测量,分析了流体润滑膜失效的现象;Yu利用相移
提出流体动压润滑理论后,相继出现了流体润滑、成像椭偏仪( phase- shift imaging ellipsometer)对硅
弹流润滑、边界润滑以及干摩擦理论。薄膜润滑是基片上SiO2的膜厚进行测量,得到了其膜厚分布
种介于弹流润滑与边界润滑的独立润滑状态,它Xiao等°运用相对光强法测量了高接触压力下离
的出现极大地填补了弹流润滑与边界润滑的空白,子液体的膜厚,结果显示:烷基链长的离子液体,形
丰富了润滑理论体系。随着润滑膜厚度的变化,润成的润滑薄膜较厚。
滑剂的状态也可能跟着变化,润滑剂的黏度特性
在工业生产中,大多数润滑剂都是含有各种添
流体特性、尺寸效应与其膜厚有着密切的联系,因加剂的矿物油、油脂、液压油,这些产品通常不易生
此对润滑剂膜厚进行测量,对于揭示润滑剂流体规物降解,且具有毒性,会对环境造成一定的污染。
律具有重要的意义。
季戌四醇油酸酯( pentaerythritol oleate)作为一种环
在重载、低速、高温以及低黏度介质的点接触、境友好型润滑剂,具有良好的稳定性,不易挥发,易
线接触摩擦副中,润滑膜的厚度通常只有几纳米到降解,是21世纪热门的研究课题
几十纳米。目前,纳米级润滑膜特性研究的方法主
要包括数值计算、分子动力学模拟以及实验研1膜润滑机理
究
Liang等提出了科迪一洛伦兹模型,通
流体润滑、弹流润滑的理论基础在于黏性流体
过改进的遗传算法在有限范围内对其进行搜索,测动力学,而薄膜润滑是从原子与分子于的结构出发,
得了铜酞( copper phthalocyanine)与C混合物的研究纳米尺度下表面与界面分子层的摩擦学行为
薄膜厚度;曾凡林等采用分子动力学模拟了正其理论基础主要是表面物理学与表面化学。表1
十六烷的薄膜润滑,结果表明:在各种剪切速率下,给出了几种润滑状态的基本特征。
正十六烷都会发生层间滑移现象。一直以来,光学
表1几种润滑状态的基本特征
法由于具有灵敏度高、操作简便、测量误差小等特
润滑状态典型膜厚
应用
点,广泛用于润滑剂薄膜厚度的测量。 Johnston
弹流润滑0.1-1.0pm
中高速度下点接触摩擦副
等?改进了楔形垫层光干涉法,结合光谱分析,提
薄膜润滑10-100nm低速度下点接触高精度摩撩副
出了“超薄膜润滑”概念;雒建斌等门采用光干涉
边界润滑
低速、重载条件下摩擦副
收稿日期:2015-03-16
甚金项目:国家自然科学基金资助项目(51175085)
作者简介:蔡发达(1989-),男,福建厦门人,福州大学硕土研究生,主要研究方向为摩擦学。
?75?
2015年第44卷
机械设计与制造工程
对于薄膜润滑,雒建斌提出了一种润滑薄膜的最大值。与最小值m。由最大值。、与最小值
物理模型,即润滑膜除了流体膜与吸附膜外,还存mn即可求出光束1与光束2的光强,2
在着兼具流体膜与吸附膜两者性质的有序分子层。
min +2
它与弹流润滑的区别在于:由于剪切诱导与固体表
面的吸附作用,使得润滑分子有序排列,形成有序
max
分子层,具有尺寸效应。而它与边界润滑的区别在求出1,2后,可得
于当膜厚达到一定值后,润滑剂具有流动性。
h 3 Amn
arccos
21-(10+I
2实验
min
2.1试验条件
由式(1)可知,当膜厚为零时,有
试验采用NGY-2型纳米级膜厚测量仪,膜厚
arccos
方向分辨率0.5mm,钢球直径12m,玻璃盘直径
、2b-(a+mn)
64m,润滑剂为渐江省衢州市威达润滑油厂提供
的牌号为32的季成四醇油酸酯。
式中:为无润滑膜时,测量点处的光强。因此,
2.2实验原理
最后可到膜厚的计算公式:
如图1所示,钢球对玻璃盘加载,钢球发生弹
arccos』 arccos
性形变,钢球与玻璃盘间相互挤压使得填充在钢球
h =Ar
与玻璃盘间的润滑剂季戊四醇油酸酯形成一层润2.3实验装置
滑膜。入射光经玻璃盘下表面的铬膜分成两部分,
实验装置测量系统如图2所示。钢球加载后
部分在铬膜面上反射,形成光束1,另一部分透电机驱动带动玻璃盘转动。入射光垂直射入,在玻
过铬膜与季戊四醇油酸酯,在钢球上发生反射,形璃盘下表面即铬膜表面分成两束光,产生干涉现
成光束2。光東1、光東2由于光程不同,发生干涉象。干涉光经过物镜、目镜后,CD将光信号转为
形成干涉图像。当入射光垂直入射时,任一点处的电信号,经图像采集卡获得干涉环,最后经过计算
干涉光强度与1,2两束光的强度及该点处的润滑机处理获得润滑膜的膜厚分布。发生干涉条纹实
膜厚度的关系为7?
验原理装置主要包括测量系统示意图中的玻璃盘
(玻璃盘上表面为抗反射涂层,下表面为半反射铬
膜)与钢球及其之间的润滑膜。
监视器】色光
涉(「图像c?-日
环
计算一
机
玻璃盘
ー入射光;2一光東1;3一光東2;4一抗反射涂层;5一半反射铬膜;
钢球;7一润滑剂;8一玻璃盘
图1光干涉原理图
钢球
I=1+2+2√1+12cos(
mnh
因2测量系统示意图
式中:为所测点处的光强;1为光東1的光强;23实验结果与讨论
为光東2的光强;n为润滑剂的折射率;h为测量点
Hamrock- Dowson等提出了点接触弹流润滑
处的膜厚;λ为单色光的波长;p为光束1与光束2膜厚与影响膜厚因子之间的关系(?
的相位差。随着膜厚b的变化,光强也跟着变化。
h=2.69a03(xu)oe(E")6eR3rw6(4
当cos(4mnh/A+g)等于±1时,光强I分别达到式中:a为润滑剂的黏压系数;z为润滑剂的表观黏