大學(xué)課件之摩擦學(xué)-邊界和分子膜潤(rùn)滑

一、邊界潤(rùn)滑邊界潤(rùn)滑定義物理吸附與化學(xué)吸附邊界潤(rùn)滑模型1.邊界潤(rùn)滑定義

由于潤(rùn)滑分子與固體表面的相互作用而形成一層具有潤(rùn)滑作用的界面膜在摩擦過(guò)程起主要潤(rùn)滑作用，該種潤(rùn)滑狀態(tài)叫邊界潤(rùn)滑。采用不具有流體效應(yīng)的表面膜進(jìn)行潤(rùn)滑的工況叫邊界潤(rùn)滑。表面吸附膜或反應(yīng)膜進(jìn)行潤(rùn)滑的工況叫邊界潤(rùn)滑。2.物理吸附與化學(xué)吸附物理吸附：當(dāng)固體表面依靠范德華（Vander

Waals）力與介質(zhì)中的液體或氣體分子相結(jié)合而形成定向排列的吸附層，這種吸附稱(chēng)為物理吸附。

特點(diǎn)：

吸附分子與固體表面間不發(fā)生電子交換；

物理吸附是可逆的。固體表面與液體求氣體中的吸附分子間的結(jié)合鍵具有電子交換，此種吸附稱(chēng)為化學(xué)吸附。如極性分子與金屬表面形成金屬皂，CnH2n+1COOM 金屬2.物理吸附與化學(xué)吸附化學(xué)吸附:特點(diǎn)：化學(xué)吸附是不可逆的。3.邊界潤(rùn)滑模型自1922年Hardy提出邊界潤(rùn)滑的概念以來(lái)邊界潤(rùn)滑理論已有了較大的發(fā)展；先后出現(xiàn)了Bowden模型、Adamson模型、Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模型、混合模型等；最近已發(fā)展到分子行為和分子膜潤(rùn)滑研究，并有重要應(yīng)用價(jià)值。3.1Hardy模型－1922年Hardy，1864－1934，是生命學(xué)家，畢業(yè)于劍橋，是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)生物方面的秘書(shū)，在研究膠體穩(wěn)定性和行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一層極性吸附膜。給出了邊界潤(rùn)滑的基本概念及吸附方式。提出了單分子層吸附膜的重要性?？梢越忉屵吔鐥l件下摩擦系數(shù)仍比較小以及摩擦系數(shù)與粘度關(guān)系不大等現(xiàn)象。特點(diǎn)：3.1Hardy模型存在的問(wèn)題是：未能考慮摩擦副的真實(shí)接觸狀態(tài)。2.有許多現(xiàn)象不能解釋?zhuān)盒≥d荷時(shí)摩擦系數(shù)隨載荷的增加而降低；在正常的邊界潤(rùn)滑條件下，仍存在金屬的接觸。3.2Bowden模型－1950年Bowden(1903－1965)，6個(gè)孩子中排行為第五，14歲時(shí)母親去世，主要靠父親培養(yǎng)，他的學(xué)習(xí)成績(jī)比較差，以至于高考未中，后來(lái)在私人教師的培養(yǎng)下，考上澳大利亞的大學(xué)，然后又到劍橋讀碩士，主要研究電化學(xué)和物理化學(xué)。1931年開(kāi)始摩擦學(xué)研究（接觸問(wèn)題），其主要貢獻(xiàn)是對(duì)Hardy模型的發(fā)展，與Tabor將一起，將Hardy的思想與Holm的真實(shí)接觸概念相結(jié)合，提出了Bowden模型、摩擦粘著機(jī)理等。后來(lái)轉(zhuǎn)入PTFE和滑雪研究，組建了建橋大學(xué)摩擦研究小組。

3.2Bowden模型－1950年F＝A[αSm+(1-α)Sf]A―表觀接觸面積；

Sm－金屬剪切強(qiáng)度；

Sf―潤(rùn)滑膜剪切強(qiáng)度；

α―金屬的接觸率；

F―摩擦力。特點(diǎn)：提出了潤(rùn)滑膜不連續(xù)的概念；提出了摩擦力二項(xiàng)式，該式一直延用至今；符合放射性示蹤法的測(cè)試結(jié)果，解釋了Hardy模型不能解釋的問(wèn)題：①存在金屬接觸；②壓力增加 接觸處趨于變形 所需剪切能摩擦系數(shù)沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)，只是靜態(tài)模型。存在問(wèn)題：未能給出金屬接觸面積與負(fù)荷的關(guān)系，即沒(méi)有考慮壓力效應(yīng)。不能解釋電導(dǎo)現(xiàn)象。即小負(fù)荷時(shí)，電導(dǎo)很小，電阻很大。但負(fù)荷加大，摩擦系數(shù)處于邊界潤(rùn)滑范圍，即遠(yuǎn)小于干接觸的摩擦系數(shù)，但是電導(dǎo)卻升到大致和非潤(rùn)滑表面一樣，電阻很小。因此，出現(xiàn)了相互矛盾的結(jié)果。3.2Bowden模型－1950年3.3Adamson模型－1960年認(rèn)為只有在小負(fù)荷時(shí)，Bowden模型才能成立。在正常壓力下，金屬接觸區(qū)幾乎不變化，金屬的表面變形不足以將潤(rùn)滑膜擠走。但卻足以使其有些壓縮，即施加機(jī)械壓力于膜上。Adamson在Bowden模型的基礎(chǔ)上，考慮了壓力的影響，給出了潤(rùn)滑膜的加壓模型。在壓力作用下，液體的逃逸趨勢(shì)和蒸氣壓的增加，使一部分長(zhǎng)鏈分子平躺著。3.3Adamson模型特點(diǎn)：考慮了機(jī)械壓力的作用；可以解釋電導(dǎo)與摩擦系數(shù)矛盾的現(xiàn)象。載荷間隙分子平躺：①減摩擦作用存在，②電擊穿，電導(dǎo)率上升；提出了凝聚態(tài)邊界膜潤(rùn)滑效果的原因。

存在問(wèn)題：沒(méi)有考慮吸附分子與基體的作用力大小。沒(méi)有考慮吸附分子的動(dòng)態(tài)效應(yīng)；3.4Kingsbury模型－1958年1958年，Kingsbury[另一個(gè)Kingsbury(1863-1993)研究軸承]針對(duì)Bowden模型的缺點(diǎn)，提出了新的動(dòng)態(tài)模型。將Bowden模型中的α定義為膜的破裂率：

α＝（Ns-N）/Ns其中：Ns－固體表面可以吸附的分子總數(shù)；N－實(shí)際摩擦過(guò)程中吸附于表面的分子數(shù)量；α－潤(rùn)滑膜的破裂率。vz3.4Kingsbury模型認(rèn)為吸附分子在固體表面上是停留、脫離的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。若粗糙峰以速度v

移動(dòng)一個(gè)分子間距z的時(shí)間為tz，吸附分子在固體表面的停留時(shí)間為tr，則有：

α＝1－exp(-tz/tr)tz＝Z/vv∞，tz

0,α0

速度很大，表面分子未逃逸就滑過(guò)去了。v

0，tz

∞，α1

速度很低時(shí)，分子一旦離開(kāi)，粗糙峰與基體的接觸就不會(huì)再分開(kāi)。3.4Kingsbury模型其中：E為吸附熱；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；t0為與表面方向垂直的振動(dòng)周期。當(dāng)：tz>>tr時(shí)，α

1

運(yùn)動(dòng)速度很慢或分子在表面停留 時(shí)間很短(如高溫、分子活性大).Tz<<tr時(shí)，α

0

運(yùn)動(dòng)速度很快，分子在表面停留 時(shí)間不長(zhǎng)。3.4Kingsbury模型存在問(wèn)題：沒(méi)有考慮壓力對(duì)潤(rùn)滑分子的影響;沒(méi)有考慮吸附分子排列方式的影響;沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)影響，如分子長(zhǎng)鏈、大小等。特點(diǎn)：將吸附分子行為作為摩擦本質(zhì)來(lái)理解。綜合考慮了吸附能、溫度、滑動(dòng)表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的影響。引入了分子吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡概念。3.5Cameron模型

英國(guó)三大家：建橋：Bowden,Tabor,Jonhsm,結(jié)合（固體潤(rùn)滑）流變特性；理國(guó)理工：Cameron,Spikes,EHL測(cè)試；Leads,Dowson,Talyer

計(jì)算。1960年，Cameron根據(jù)分子統(tǒng)計(jì)規(guī)律，認(rèn)為摩擦副表面間的摩擦力主要由分子間的范德華引力造成，由此推導(dǎo)出引力能。3.5Cameron模型該式屬于Kirkwood-Muler色散力形式。根據(jù)吸附分子粘著在金屬表面上所具有的位能E1與移動(dòng)后新的平衡狀態(tài)的位能E2之差等于摩擦力所做的功，從而計(jì)算出摩擦力。其中：m－電子質(zhì)量；C－光速；α－極化常數(shù)；X－抗磁系數(shù)；R－X射線散射中心的距離；Φ－引力能。3.5Cameron模型特點(diǎn)：首次給出了邊界潤(rùn)滑摩擦力的微觀解析解。從能量和統(tǒng)計(jì)角度來(lái)處理摩擦力問(wèn)題。存在問(wèn)題：認(rèn)為吸附分子是與其粘著的表面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，這在正常工況條件下是不正確的。因?yàn)橐话惚砻媾c吸附分子極性基之間的吸引力大于潤(rùn)滑劑分子間的引力，故摩擦發(fā)生在吸附層之間。于是，摩擦力的計(jì)算就有較大的誤差。沒(méi)有考慮分子處于動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，忽略了速度、溫度的影響。對(duì)于長(zhǎng)鏈分子規(guī)則排列的情況，范德華引力計(jì)算式應(yīng)作修正。許多情況下，吸附膜屬于極性分子在金屬表面發(fā)生了化學(xué)吸附，即存在電子交換，于是用色散力來(lái)描述就不確切。3.6Cobblestone模型－1988年

Cobblestone(鵝卵石)模型是1988年由Homala和Israelachvili提出。3.6Cobblestone模型－1988年Israelachvili與Talyer一起，于1973年研制出表面力儀，已成為當(dāng)今研究幾個(gè)分子層的最有效儀器。認(rèn)為兩表面被單分子層隔開(kāi)時(shí)表面是粗糙不平的，分子就象鵝卵石一樣起滾動(dòng)作用。于是鵝卵石半徑大時(shí)（圖a,b對(duì)照）表面相對(duì)而言就顯得平坦，摩擦力就小。這樣就形象地解釋了許多文獻(xiàn)中提出的潤(rùn)滑效果與分子鏈長(zhǎng)度相關(guān)的問(wèn)題。特點(diǎn)：提出了單分子層潤(rùn)滑模型，并解釋了大分子潤(rùn)滑效果好的原因。將分子大小與表面粗糙度聯(lián)系起來(lái)，是前人未做過(guò)的工作。存在問(wèn)題：該模型只適合于高精度表面間的小分子、非極性分子或環(huán)狀分子。只能定性說(shuō)明問(wèn)題，不以進(jìn)行量的分析。3.6Cobblestone模型－1988年3.7混合模型HardymodelofboundarylubricationThinfilmlubricationFluidmoleculesOrderedmoleculesAdsorbedmolecules二、分子膜潤(rùn)滑LB膜自組裝單分子膜分子膜在計(jì)算機(jī)磁頭上的應(yīng)用磁盤(pán)盤(pán)片表面分子膜1.LB分子膜Langmuir-Blodgettfilm基體分別用CHCl3、酒精、丙酮依次超聲清洗10分鐘，除有機(jī)雜質(zhì)。在體積比5:1:1的水、37%HCl和H2O2溶液中（80℃），浸泡5分鐘除氧化層；在體積比6:1:1的水、氨水和H2O2溶液中，80℃，浸泡5分鐘羥基化；用去離子水沖洗，熱風(fēng)吹干，放入干燥器。OTS溶于8%CHCl3+12%CCl4+80%n-hexadecane的溶液中，濃度為10mmol/l。基體在溶液中浸泡5分鐘，取出，用CHCl3洗去多余的附著物。膜做成后，從溶液中取出時(shí)，用CHCl3清洗時(shí)。將一滴去離子水（約0.5l）滴在表面，對(duì)于剛剛清洗完的硅片或玻璃片，液滴一接觸表面馬上就平鋪開(kāi)，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的親水性；在做了OTS膜以后，液滴轉(zhuǎn)移到表面時(shí)仍保持球形，呈很強(qiáng)的疏水性，驗(yàn)證了表面是甲基端頭。2.自組裝分子膜2.自組裝分子膜十八烷基三氯硅烷Octadecyltrichlorosilane,簡(jiǎn)稱(chēng)OTS，分子式C18H37SiCl3

OTS(Octadecyltrichlorosilane)OTS在硅片表面的成膜Fig.3TribologicalcharacteristicsofMicasurfaceRelativehumid:5%,Temperature:21℃,(a)Positioneffect(onetipfortendifferentpositions)(b)Tips’effect(tentipsforthesamesurface)(a)(b)AFM測(cè)量分子膜錢(qián)林茂

AtypicalbluntingprocessofanewSi3N4tipviafrictionscansonmica(Relativehumidity:5%）錢(qián)林茂AFM測(cè)量分子膜粘著力隨濕度的變化曲線(溫度：21℃)AFM測(cè)量分子膜錢(qián)林茂自組裝分子膜實(shí)驗(yàn)研究摩擦系數(shù)隨濕度變化的趨勢(shì)使用玻璃測(cè)頭；溫度：20℃；載荷：5mN；速度：0.2mm/s蔣瑋（a）載荷130mN，最大壓強(qiáng)200MPa;線速0.3mm/s（b）載荷658mN，最大壓強(qiáng)355MPa；線速0.4mm/s耐磨試驗(yàn)使用鋼測(cè)頭；溫度：20℃；濕度：35%自組裝分子膜實(shí)驗(yàn)研究蔣瑋3.分子膜在計(jì)算機(jī)磁頭上的應(yīng)用硬盤(pán)存儲(chǔ)密度：MB,GB100GB/in21000GB/in2飛行高度：50nm20nm10nm3-5nm?表面保護(hù)膜：10nm5nm3nm1-2nm?保護(hù)膜功能：防吸附、防磨損、防腐蝕、潤(rùn)滑技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題：表面潤(rùn)滑分子膜的制備、遷移特性納米薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理、界面力學(xué)特性和均勻生長(zhǎng)技術(shù)AWA防浸潤(rùn)涂層X(jué)-1P分子薄膜高結(jié)合力的自組裝分子膜3.1分子膜潤(rùn)滑在磁頭表面應(yīng)用1)AWA防浸潤(rùn)涂層思路：空氣中污染分子吸附問(wèn)題；

減小摩擦力； 防腐蝕FC-722--fluoro-polymersolution(C12H7F15O2)m

PFAM分子與DLC表面相互作用示意圖。

楊明處1)AWA防浸潤(rùn)涂層－分子膜表征膜厚測(cè)量和分子膜化學(xué)結(jié)構(gòu)分析：PHIQuantum2000X射線光電子能譜儀(XPS)和二次離子飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(ToF-SIMS)表面形貌：DID-3000原子力顯微鏡（AFM）接觸角：VCA2500XE可視接觸角測(cè)量?jī)x

TOF-SIMS1)AWA防浸潤(rùn)涂層－接觸角一次起停過(guò)程摩擦力測(cè)量結(jié)果WithAWA(No.1)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)WithAWA(No.2)WithAWA(No.1)WithAWA(No.2)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)起停實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ亮y(cè)量結(jié)果實(shí)驗(yàn)前后膜厚變化CFnumberonABSsurfacebeforeandafterCSStest有無(wú)AWA膜的表面對(duì)比NormalsliderAWAsliderContamination:S(sulphur),Cl(chlorine),etc.小結(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果表明AWA分子膜具有很好的耐潤(rùn)濕性能；缺點(diǎn)：PFAM分子膜與DLC間的氫鍵作用力較弱，不能抵抗溶液清洗而發(fā)生解吸附；對(duì)于超薄DLC膜，防腐蝕效果不好。

2)X-1P分子薄膜PFPE:lubeonthediskAl2o3:

slidermaterialX-1P:onABS楊明處熱重分儀析實(shí)驗(yàn)

(TGA)LubeLube+sliderLube+x-1pLube+slider+x-1p2)X-1P分子薄膜－防腐性能2)X-1P分子薄膜－接觸角(a)Filmthickness=0(b)Filmthickness=1.23nm(c)Filmthickness=1.35nm (d)Filmthickness=1.83nm

2)X-1P分子薄膜－起停實(shí)驗(yàn)(e)Filmthickness=2.53nmCSSwithnumberof200002)X-1P分子薄膜－起停實(shí)驗(yàn)WithoutX-1PfilmCSS實(shí)驗(yàn)后磁頭表面(a)Headsurface (b)Disksurface磁頭表面X-1P薄膜(<1.5nm)CSS實(shí)驗(yàn)后磁頭、磁盤(pán)表面－薄膜(a)Headsurfaceofsampleone(b)Headsurfaceofsampletwo

(c)Disksurfaceofsampleone(d)Disksurfaceofsampletwo磁頭表面X-1P薄膜(>2nm)CSS實(shí)驗(yàn)后磁頭、磁盤(pán)表面－厚膜3)高結(jié)合力的自組裝分子膜研究思路：增強(qiáng)結(jié)合力，填補(bǔ)微空，防腐蝕。胡曉莉1H,1H,2H,2H-全氟葵烷基三乙氧基硅烷CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH2CH3)3（簡(jiǎn)稱(chēng)FTE）3)高結(jié)合力的自組裝分子膜－形貌3)自組裝分子膜－生長(zhǎng)過(guò)程和規(guī)律(a)DLC表面,(b)1.5h，(c)12h，(d)24h，(e)36h，(f)48h3)自組裝分子膜－膜厚和接觸角反應(yīng)時(shí)間36h時(shí)膜厚和接觸角值達(dá)到飽和，分別為1.2nm和110.5o清洗對(duì)FTE自組裝膜膜厚和接觸角值的影響3)高結(jié)合力自組裝分子膜－抗清洗性能3)高結(jié)合力自組裝分子膜－摩擦學(xué)性