润滑研究进展

过去20余年,薄膜润滑、纳米润滑、极端工况摩擦与润滑、生物润滑、绿色润滑、微量润滑等取得了重要进展。最近10余年,超滑、仿生润滑、智能润滑与监测,以及摩擦学测试技术和模拟仿真技术等研究飞速发展。微观研究已经成为润滑研究的主要手段,面向风力发电机、高铁、深空探测、深海探测、大飞机、超高速飞行器、新能源汽车等领域的润滑与密封和绿色近零排放润滑研究已经成为工业界关注的焦点。超滑作为润滑领域的新型颠覆性技术,逐步显示出其在工业生产和人类日常生活中的应用优势与勃勃发展生机。生物润滑包括人类器官中的摩擦与润滑和仿生学研究,在人类健康生活方面展示出重要作用。极端环境(高温、超低温、真空、高压等)摩擦与润滑,在卫星、火箭、舰艇、核电站及其他国防设施上用途广泛。而智能润滑等新兴领域发展,也将智能化应用到润滑领域,为设备的智能运行和制造提供了新的思路。在此,对润滑领域几个重要发展方向,如超滑、薄膜润滑、纳米润滑、极端工况摩擦与润滑、智能润滑、生物仿生学、绿色摩擦与润滑,以及摩擦学测试方法等方面进行回顾,介绍了国内外同行最新研究进展,并对未来进行了展望。     

摩擦学的进展和未来

在过去的20年内,随着纳米技术的飞速发展和人们社会需求的日益增加,摩擦学迅速发展,并随之产生了几个新的领域,比如纳米摩擦、生物摩擦、超滑、表面织构摩擦学、极端工况摩擦学、微动摩擦学等等。在未来的10年,这些领域和其他新出现的概念,比如:绿色摩擦、纳米制造摩擦学、新型超滑材料和新能源领域摩擦学等等,将在摩擦学研究工作中发挥重要的作用。纳米摩擦学包括纳米尺度下的薄膜润滑、纳米摩擦、纳米磨损、表面黏附等等。绿色摩擦学包括环境友好润滑剂、摩擦噪声的减小、没有环境污染的磨损。生物摩擦学包括人类器官中的摩擦学和仿生摩擦学。超滑包含不同类型的润滑剂,比如类金刚石膜、水基润滑剂、一些生物润滑剂,其具有极低的摩擦因数(0.001量级)。纳米制造摩擦学包括纳米结构制造中的摩擦学、纳米精度制造中的摩擦学和跨尺度(微观、中观和宏观)制造中的摩擦学。这些领域需要不同的理论和技术,以适应不同的制造对象和尺度。极端工况摩擦学包括在重载下、在高/低温度下、在高/低速度下和强腐蚀或氧化环境条件下的摩擦学问题。与表面织构相关的摩擦学理论和技术也是当今发展较快的领域。这些领域的新进展和未来10年的新需求将在下文中具体介绍。     

纳米摩擦学研究进展

随着纳米科技的发展而新兴的纳米摩擦学是在原子分子尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及其控制,成为超精密机械和微型机械研究的重要技术基础之一.在20世纪90年代初期,我国摩擦学工作者开始该领域的研究,并取得可喜的成果.概述清华大学摩擦学国家重点实验室在纳米摩擦学主要方面的研究进展,包括薄膜润滑、受限液体特性与有序分子膜润滑、界面摩擦与粘滑现象、微尺度表面工程与薄膜特性、磁头--磁盘纳米摩擦学研究以及试验测试仪器研制等,能对今后该领域的发展提供参考.     

MEMS中的摩擦学研究及发展趋势

对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述，介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性，讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、固体薄膜润滑、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况，并提出了当前相关研究中所遇到的问题，及今后MEMS摩擦学发展的方向。     

微机电系统(MEMS)纳米摩擦学研究进展

随着微型机电系统(MEMS）的快速发展，MEMS摩擦学已成为当前纳米摩擦学研究中最活跃的前沿领域之一。微观尺寸上的摩擦磨损和润滑对整个MEMS系统的性能、稳定性和寿命起着决定作用，因此研究MEMS的微观摩撩学性能至关重要。本文对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述，介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性，讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况，提出了当前相关研究的几个重要问题。     

基于高子尺度的摩擦学研究——纳米摩擦学

在评述摩擦学发展趋势的基础上，从现代纳米科学技术的需要出发，阐述纳米摩擦学兴起的背景及其在理论和应用上的意义，提出纳米摩擦学的研究特征和学科基础，以及加速其发展的有效途径，论述基于原子尺度的微观研究在固体表面接触与粘着行为，界面分子膜与边界润滑特性，微观摩擦，纳米刻划与微磨损机理等领域取得主要进展，并提出以发展微型机械－电子系统和实现超滑和零磨损的为目标的研究方向，包括微观表面工程和有序分子膜润膜     

世纪回顾与展望——摩擦学研究的发展趋势

在回顾摩擦学发展历史的基础上，总结20世纪60年代以来，在摩擦学主要研究领域包括流体润滑、材料磨损与表面处理技术、纳米摩擦学等的发展现状和展望。分析了相关学科的发展和学科交叉对摩擦学研究的推动作用，并介绍了摩擦学与其他学科交叉领域如摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学和微机械学等的发展概况和趋势。     

类金刚石薄膜水润滑摩擦学特性研究进展

综述类金刚石薄膜水润滑摩擦学特性的研究进展,评述薄膜在水环境中的摩擦磨损特性,分析薄膜种类、元素掺杂、对摩材料以及微结构对DLC薄膜水润滑摩擦学特性的影响,并阐述DLC薄膜在水中的摩擦磨损机制。指出:DLC薄膜水润滑摩擦学特性受薄膜制备参数和摩擦试验环境影响,通过与微结构的耦合可以进一步改善类金刚石薄膜的摩擦学特性。同时还展望了类金刚石薄膜水润滑摩擦学未来研究方向。     

摩擦学研究及发展趋势

简要评述了摩擦学研究的进展.指出极端条件下的摩擦、磨损与润滑性能,分子水平上的摩擦磨损本质,环境友好润滑材料,摩擦学失效问题及摩擦学设计是摩擦学研究的主要方向.     

两亲性纳米微球的制备及水润滑性能

水溶性纳米微球作为润滑添加剂成为润滑领域的重要发展方向。通过简单的无皂乳液聚合制备聚(苯乙烯-甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐)[P(St-co-SPMA)]两亲性纳米微球，通过改变聚合单体、微球浓度以及载荷，利用摩擦磨损试验机考察聚苯乙烯(PSt)和P(St-co-SPMA)2种纳米微球作为水润滑添加剂的摩擦学性能。结果表明：具有复合结构的两亲性纳米微球作为水润滑添加剂起到了非常优异的减摩抗磨性能，这是由于亲水单体的加入在微球表面形成水化层，避免了摩擦副之间的直接接触且保护了摩擦表面，有效改善了界面摩擦性能；2种纳米微球在高载荷下有着更为优异的减摩与抗磨性能，证明了纳米微球优异的承载能力。该研究为设计高效水润滑添加剂提供了新的思路，在生物润滑领域有着广阔的应用前景。     

人工关节材料的表面润滑设计与应用

人工关节的摩擦磨损问题仍然是基础研究中最重要的问题,借助表面改性技术改善假体的摩擦学性能是人工关节未来发展的必经之路。从润滑角度考虑,对假体关节材料摩擦性能的研究主要集中在表面功能化润滑结构设计以及新型仿生润滑剂研究两方面。针对功能化润滑结构,介绍表面织构设计以及聚合物刷的应用,分析表面织构参数对不同运动工况下摩擦副摩擦性能的影响,阐述表面织构的润滑机制;总结不同种类的聚合物刷结构对摩擦体系耐磨性能的调控,阐明"刷型"结构在摩擦界面的水润滑特点,提出环境介质对聚合物刷结构及性质的影响作用。针对关节润滑剂,介绍传统的关节滑液组分向聚合物仿生润滑剂的拓展。指出微/纳结构的嵌套设计与协同润滑以及润滑剂结构仿生与功能仿生的结合,将是未来的重要发展方向。     

仿生润滑技术研究及其应用探讨

介绍了仿生润滑技术在仿生减阻、人工关节润滑、生物医用润滑剂方面的基础研究工作与部分应用成果，讨论了仿生润滑技术未来的应用发展方向。     

聚乙烯,聚氯乙烯薄膜在冷冲压拉深工艺中的应用

结合生产工艺,本文介绍了聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)薄膜在拉深工艺中的应用,分析了聚合物薄膜的摩擦性能,润滑机理,重点论述了PE,PVC薄膜在小型单缸柴油机油底壳拉深工艺中的润滑作用,结果表明固体润滑剂具有比油脂润滑剂更优越的性能,同时指出,聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物自润滑薄膜在金属塑性加工工艺中具有广泛的应用价值。     

Basics of mixed lubrication

This paper reviews recent research in mixed lubrication, focusing on the current understanding of lubricant entrainment, and thus film thickness, and of friction in thin‐film, rough‐surface lubricated contacts. By combining research using optical interferometry on the experimental side and numerical modelling on the theoretical side, we now have a reasonable understanding of micro‐elastohydrodynamic lubrication, although design rules are still lacking. The regime of true mixed lubrication, where there are both elastohydrodynamic and boundary lubricated regions within a single contact, remains quite poorly understood. New experimental techniques as well as new information about very thin‐film rheology under high‐strain and high‐pressure conditions are probably needed before much further progress can be made in this area.     

Full film lubrication of deep drawing

An analytical model for full film lubrication of deep drawing is developed, combining the elastic–plastic membrane finite element code of deep drawing together with full film lubrication theory. In full film lubrication, the surfaces are not in contact, and the gap in between includes two types of lubrication: the thick film lubrication regime and the thin film lubrication regime. The film thickness and the strain distribution of full film lubrication are predicted here. The theoretical results show excellent agreement with the experiment data.     

铋系纳米材料在润滑中的应用

绿色金属铋系纳米材料在满足润滑剂环保要求同时也显示了良好的摩擦学性能。综述了近年来纳米材料的制备方法以及铋系纳米材料在润滑油脂中的作用机制和应用进展,并指出了铋系纳米材料作为润滑油脂添加剂在摩擦学中的研究发展趋势。铋系纳米材料在润滑油脂中的作用机制为:铋系纳米有机物易于吸附在摩擦金属表面上,生成了一层有机复合膜;由于铋金属纳米粒子带有电荷而向表面移动,并沉积于摩擦表面形成非晶体或无定形膜,从而起到减摩抗磨作用。铋纳米粒子在润滑油中的分散性和稳定性问题是影响其在润滑中推广应用的主要因素,通过改进纳米粒子的制备工艺及研制和合成新的分散剂和稳定剂,可解决润滑油中纳米粒子在苛刻条件下的稳定性。     

纳米粗糙间隙中季戊四醇四酯的薄膜润滑行为

采用分子动力学模拟方法建立光滑和粗糙2种固体壁面结构，研究季戊四醇四酯润滑剂在不同压力、薄膜厚度下，在恒定剪切速度和温度下的薄膜润滑行为。分析壁面间润滑薄膜的密度分布，以及剪切过程中润滑剂的速度分布。输出固体壁面在x向和z向的力学响应，并计算摩擦因数。结果表明：表面纳米结构降低了润滑薄膜的厚度，减弱了润滑薄膜分层现象；当润滑薄膜厚度较大时，V形纳米沟槽有助于减小薄膜润滑系统的摩擦因数；润滑薄膜厚度较小时，V形纳米沟槽表面润滑状态容易从流体润滑转变到边界润滑状态，摩擦因数增大。     

全陶瓷球轴承油润滑特性及其对服役性能影响规律

相比于金属球轴承,全陶瓷球轴承在极端工况下的服役性能更加突出。为了揭示全陶瓷球轴承油润滑特性,提高全陶瓷球轴承的运转性能与使用寿命,以6208CE氮化硅全陶瓷深沟球轴承为例,对其在油润滑工况下所表现出的摩擦、振动、温升等特性进行试验研究,探讨供油量对全陶瓷球轴承润滑状态的影响,并对试验后的全陶瓷球轴承接触微区表层进行解析。研究发现：全陶瓷球轴承油润滑服役过程中,在某个特定工况下存在一个最佳供油量,使得轴承可实现全膜润滑,从而表现出最好的摩擦、振动、温升等特性;小于最佳供油量时,为乏油状态,轴承接触微区存在油-固混合润滑状态;大于最佳供油量时,过多润滑油液会产生的黏滞阻力;相比于载荷,轴承的转速对最佳供油量的取值具有决定性影响。研究成果对于揭示全陶瓷球轴承油润滑特性,丰富其润滑理论与方法具有一定指导意义。     

Molecular basis of lubrication

The advent of micro-electromechanical devices (MEMs), sensors, actuators, microsystems, and nanotechnology have called to attention the effect of friction on moving parts in nano/micro devices. To take full advantage of the opportunity to sense, compute, and actuate in real time, fast-moving parts are often necessary or desirable. As the scales of the components shrink, adhesion, stiction, friction, and wear become a significant technological barrier for the successful deployment of durable devices. Most current devices in production avoid such contacts.The nature of the surface contacts, as component scale moves from macro to micro to nano, is dominated by surface forces that normally are dwarfed by mechanical loading. Therefore nanolubrication needs to take into account different factors than conventional lubrication concepts. This paper compares traditional lubrication concepts and those necessary for nanolubrication and proposes various nanometer scale thick lubricating film designs as a means to control the surface properties of surfaces at nano/micro scales.Many of the concepts derive their origin from studies and observations from the magnetic hard disk technology where a “monolayer” of lubricant protects the system and has proven to be robust and safe. Examples from magnetic hard disks will be used to illustrate some of the concepts.