博士生開題報告

1、電場作用下納米潤滑膜的微氣泡行為及成膜特性研究1. 選題背景及其意義（1）施加外電場下研究潤滑膜性能的意義隨著摩擦副的間隙日益減小，以及摩擦副表面的日益超精化，納米級油膜的潤滑劑分子和固體表面之間的作用變得不可忽視，雒建斌等人1提出的薄膜潤滑的物理模型如右圖所示，綜合考慮了潤滑劑的流體效應(yīng)和摩擦副表面對潤滑劑分子的吸附效應(yīng)。薄膜潤滑的膜厚通常為幾個到幾十個納米，較小外電場對納米薄膜的作用類似固體的壁面效應(yīng)，即驅(qū)使?jié)櫥瑒┓肿右?guī)則排列，結(jié)構(gòu)類似于液晶2。因此，研究外電場作用下的納米級油膜摩擦學(xué)性能將有助于對納米油膜成膜機(jī)理和摩擦特性的理解。（2）旋轉(zhuǎn)機(jī)械中軸電壓降和微電流的存在對軸承潤滑系統(tǒng)的影響

2、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)與電氣化火車等機(jī)器中工作的滾動軸承，由于電磁繞組的不平衡、軸的磁化效應(yīng)、靜電作用，以及帶等摩擦傳動產(chǎn)生的摩擦電，將致使?jié)L動軸承的內(nèi)圈與滾動體間、滾動體與外圈間產(chǎn)生電壓降及微電流。在電動機(jī)運(yùn)行過程中，如果在兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間有軸電流的存在，那么對于電機(jī)軸承的使用壽命將會大大縮短。輕微的可運(yùn)行上千小時，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾小時，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來極大的影響。同時由于軸承損壞及更換帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也不可小計(jì)。目前，隨著帶有脈寬調(diào)制（PWM）的變頻電機(jī)使用增加，這一難題越來越普遍。起源于轉(zhuǎn)換器普通模式電壓的高頻電流和轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的集成柵雙極晶體管（IGBTs）的高速度轉(zhuǎn)換產(chǎn)

3、生的電流對軸承會產(chǎn)生重大的破壞。因此，考察微電流對軸承潤滑系統(tǒng)的影響并提出解決方案是摩擦學(xué)領(lǐng)域一個值得研究的課題。2. 國內(nèi)外研究動態(tài)（1）電場對摩擦行為的影響Lavielle1考察了外電場作用下與鋼對磨的三元共聚聚乙烯膜（膜厚35m）的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)施加正負(fù)向100v的直流電壓可使摩擦系數(shù)比不施加外電場時減小或增大25。解釋：加正壓時，鋼為負(fù)極，羧基團(tuán)被排斥進(jìn)膜的內(nèi)部，故與鋼表面反應(yīng)不能充分反應(yīng)，摩擦較多地發(fā)生在烴（CH2CH2）鏈上，而它們是有效的潤滑劑，所以摩擦系數(shù)降低；加負(fù)電壓時，鋼為正極，羧基團(tuán)與鋼表面更多地反應(yīng)，故摩擦系數(shù)增加，如圖1所示。圖 Error! No text of s

4、pecified style in document.不同極性的電壓對鋼-三元共聚物界面的影響Csapo等4發(fā)現(xiàn)石墨石墨摩擦副在氬氣環(huán)境中，一定的載荷（5N）下，具有兩種摩擦狀態(tài)（=0.07和=0.7）。無電流通過時，滑動線速度0.12m./s為摩擦狀態(tài)由低摩擦向高摩擦轉(zhuǎn)換的臨界速度；當(dāng)有電流通過時，該臨界速度會降低，且電流越大，臨界速度越小。摩擦系數(shù)與滑動速度、電流的關(guān)系如圖1.2所示。解釋：低摩擦狀態(tài)下，由于軟摩擦的作用，石墨顆粒的隨機(jī)組織結(jié)構(gòu)消失，石墨晶體發(fā)生重組而使基面平行于滑動面，故摩擦系數(shù)小。當(dāng)通入電流后，基面的取向改變?yōu)榇怪庇诨瑒用?，使得單位面積內(nèi)的接觸點(diǎn)增多，從而摩擦系數(shù)大。圖

5、 1電流對石墨-石墨摩擦副摩擦系數(shù)的影響Paulmier等5考察了大氣和氬氣環(huán)境下，外加電流對石墨鋼干接觸摩擦副的摩擦特性的影響。研究表明，大氣條件下外加電流使該摩擦副的摩擦系數(shù)分別降低了35（鋼為負(fù)極）和50（鋼為正極）；氬氣環(huán)境下，外加電流使摩擦系數(shù)由0.15躍變到0.6。在去掉外加電流后，兩種環(huán)境下的摩擦系數(shù)都恢復(fù)到?jīng)]有電流時的值。兩種環(huán)境下，電流與摩擦系數(shù)的關(guān)系如圖1.3所示。解釋：大氣環(huán)境下電流促使滑動表面氧化并生成氧化物使摩擦系數(shù)降低；而氬氣環(huán)境中，外加電流使鋼微粒轉(zhuǎn)移到石墨上形成金屬接觸副從而摩擦系數(shù)增大。（a）大氣環(huán)境下；（b）氬氣環(huán)境下圖 2電流對石墨-鋼摩擦副摩擦系數(shù)的影響

6、Kimura等6用向列相液晶作為潤滑劑，研究了在邊界潤滑狀態(tài)下受直流和低頻交流電壓對滑動點(diǎn)接觸摩擦副的摩擦系數(shù)的影響。該摩擦副由鍍了SiO2膜的鋼針和軸承球組成，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)表明外加30v直流電壓時的摩擦系數(shù)比不加電壓時低25，去掉電壓后，摩擦系數(shù)恢復(fù)到原值。而當(dāng)交流電壓的頻率大于10Hz時，無以上效應(yīng)。相對摩擦系數(shù)與直流電壓的關(guān)系如圖5所示。外加電場控制液晶潤滑劑的摩擦系數(shù)的過程是可逆的，是一種主動控制摩擦力的方法，這與依靠形成氧化膜或涂層等化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)控制摩擦力的手段不同。圖 3滑動點(diǎn)接觸外加電壓裝置示意圖圖 4直流電壓對液晶摩擦系數(shù)的影響沈明武等3用含液晶的十六烷作為點(diǎn)接觸滾動摩擦

7、副的潤滑劑，該摩擦副由鋼球與鍍鉻玻璃盤構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)得到油膜厚度與直流電壓的關(guān)系如圖6所示，相同的滾動速度和赫茲接觸壓力下，未加電壓時潤滑膜厚為15nm左右，電場強(qiáng)度小于2.9kV/mm時，不足以使液晶分子方向改變，膜厚不變。逐漸隨著電壓增大，液晶分子趨向于粘度最大的方向排列，致使粘度增大，油膜增厚。電場強(qiáng)度約為17kV/mm時，油膜厚度達(dá)到最大，此后膜厚不隨外電壓加大而變大。這說明了薄膜潤滑的成膜性能和近固體表面潤滑劑分子的有序度密切相關(guān)，有序度越高油膜越厚。圖 5油膜厚度與直流電壓的關(guān)系，載荷：0.174GPa；速度：68 mm/sMorishita等7用液晶作為滑動軸承的潤滑劑，通過改變外電

8、場強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對潤滑膜厚度進(jìn)行主動控制。發(fā)現(xiàn)：液晶的表觀粘度隨電場強(qiáng)度的增大而增大并漸近地達(dá)到一個常數(shù)，當(dāng)外加場強(qiáng)由一比例積分微分控制器控制時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)軸承遇到一個突然的載荷變化時，可控制潤滑膜厚，使其保持一常數(shù)值。這一結(jié)果有很大的實(shí)用價值。除了將液晶作為潤滑劑，Tung和Wang8將有機(jī)二硫代磷酸鋅（zinc organodithiophosphate, ZDP）和礦物油的混合物作為潤滑劑。加電后由于電化學(xué)反應(yīng)使得滑動表面生成了表面覆蓋層，從而摩擦系數(shù)降低。蔣洪軍等9用質(zhì)量百分比濃度為1%的硬脂酸鋅水基乳化液作為潤滑劑，考察了外電壓下三氧化二鋁、石英玻璃等陶瓷材料與鋼、黃銅、不銹鋼等構(gòu)成的

9、滑動摩擦副的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)外加電壓使摩擦系數(shù)發(fā)生顯著變化，變化幅度與所加電壓的大小、極性以及金屬材料的種類有關(guān)。摩擦系數(shù)最大相對增加量和最大相對減少量分別達(dá)到200%和40%，且摩擦系數(shù)的改變與外加直流電壓的通斷是對應(yīng)的。解釋：摩擦副表面特別是金屬表面吸附膜的生成與破壞過程受到外加電場的影響。且電壓方向影響潤滑劑中大分子鏈的取向，從而影響摩擦系數(shù)，如圖7所示。原理與Lavielle1提出的類似。 圖 6不同極性的電壓對銅陶瓷摩擦副間潤滑劑的影響（a）正電壓；（b）負(fù)電壓常秋英等12比較了幾種不同類型的鹽溶液、酸性溶液、堿性溶液和一種非水導(dǎo)電溶液對電控摩擦效應(yīng)的影響，如圖8所示。結(jié)果顯示含有長鏈

10、陰離子的有機(jī)鹽水溶液以及無機(jī)鹽水溶液中金屬/陶瓷摩擦副都會產(chǎn)生電控摩擦現(xiàn)象，但在強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性溶液中只出現(xiàn)較弱的電控減摩效應(yīng)。含長鏈陰離子的有機(jī)鹽水溶液較無機(jī)鹽水溶液在摩擦系數(shù)變化幅度和可恢復(fù)性方面表現(xiàn)更好，其中十二烷基磺酸鈉溶液是較為理想的電控摩擦用潤滑液。 圖8 鹽溶液中電場對摩擦因數(shù)的影響以及電流的變化沈明武等Error! Reference source not found.用136045油酸和13604與MT10混合油的為點(diǎn)接觸滾動摩擦副的潤滑劑，考察了低滾動速度下潤滑膜厚隨外電壓的變化情況。實(shí)驗(yàn)表明：外電壓10V時，兩種潤滑劑的摩擦系數(shù)比無外電壓時分別增加了35.1和154.8，電

11、壓的正反向?qū)δΣ料禂?shù)幾乎沒有影響。解釋：由于滾動速度低，所以流體效應(yīng)弱，膜厚小，潤滑劑分子在外電場作用下趨于有序化排列，所以摩擦系數(shù)增加。后者的摩擦系數(shù)成倍增長，原因是MT10添加劑中含金屬離子，外電場作用使近固體表面更容易形成較厚的雙電層，產(chǎn)生更高的有效粘度。正反向電壓對摩擦力的影響機(jī)理一樣，即外加電場使?jié)櫥瑒┓肿优帕杏行蚧?，故電壓方向不同不會引起摩擦系?shù)改變。沈明武等14以十六烷為潤滑在研究外電場作用下的點(diǎn)接觸中納米級油膜摩擦學(xué)性能時，直接觀察到了摩擦副接觸區(qū)的潤滑劑有從中心接觸區(qū)向外遷移的現(xiàn)象，并出現(xiàn)較大氣泡（如箭頭所指），并從接觸區(qū)向外發(fā)散擴(kuò)展、遷移（圖9）。 圖9 不同外電壓作用下的

12、靜態(tài)膜厚干涉圖像何雨等15進(jìn)一步考察了外電場使納米級液體膜中產(chǎn)生微氣泡的規(guī)律，并提出了微氣泡現(xiàn)象的兩種機(jī)理 ：接觸區(qū)邊緣上的液體分子受到分別指向接觸區(qū)內(nèi)外的分子間作用力和電性力的作用，因此電介質(zhì)液面在接觸區(qū)邊緣發(fā)生振動、分裂，從而產(chǎn)生氣泡；接觸區(qū)內(nèi)的電介質(zhì)液體在極大的場強(qiáng)作用下發(fā)生極化，極化電流帶來的焦耳熱足夠大到使某些物質(zhì)汽化，氣泡在壓力發(fā)生突降的接觸區(qū)邊緣涌現(xiàn)。（2）電場下乳液的穩(wěn)定性和界面特性研究Mostowfi等16采用一套微流體電化學(xué)檢測手段（圖10）評價了約束在微管道中乳液薄膜的穩(wěn)定性，并認(rèn)為薄膜破裂時的外加電勢可以作為穩(wěn)定性的臨界判斷條件。試驗(yàn)結(jié)果表明：卵磷脂濃度的不同對薄膜的穩(wěn)

13、定性有影響，而且臨界電勢可以分辨出吸附卵磷脂層的細(xì)微差別；不同的表面活性劑產(chǎn)生不同的液體導(dǎo)電特性。 圖10 微流體電化學(xué)裝置芯片圖片 Poulin等17從宏觀到膠體尺度考察了乳液滴的潤濕特性。試驗(yàn)主要是測量表面覆有表面活性劑的油/水的大液滴接觸角來推斷宏觀界面的粘著能隨溫度和鹽濃度的變化關(guān)系（圖11）。結(jié)果表明：存在一個臨界溫度使得潤濕發(fā)生轉(zhuǎn)變；在膠體尺度，被同樣單層表面活性劑包裹的微米量級液滴經(jīng)歷了一個相分離。 圖11 油/水液滴之間粘著能在不同濃度NaCl溶液中隨溫度的變化趨勢Jong-Wook Ha等18,19研究了懸浮在另一種不溶液體中液滴在電場作用下的變形和破裂行為（圖12）。結(jié)果表

14、明：液滴的變形由流體的電特性決定，而液滴的破裂很大程度受界面表面活性劑的濃度影響很大。 圖12 扁長橢球性液滴的破裂模式Mugele等20研究了油池中水滴在光滑疏水基體表面電潤濕驅(qū)動力下的鋪展行為。研究發(fā)現(xiàn)：一層薄油膜被約束在水滴和基體之間，且此油膜在靜電壓和表面張力的競爭作用下會出現(xiàn)不穩(wěn)定（圖13）。 圖13 在快速升高的外加電壓下，液滴和基底界面的微觀變化圖綜上所述，電場對摩擦行為的影響研究大部分集中在滑動摩擦副中，外加了電壓或電流前后摩擦系數(shù)的變化，較少研究滾動摩擦副中，外加電壓或電流使?jié)櫥ず癜l(fā)生的變化。特別是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，已有的文獻(xiàn)中對摩擦副接觸區(qū)的狀態(tài)很少有直觀的觀察和分析。

15、盡管電場作用下液體膜中微氣泡現(xiàn)象的基本特性進(jìn)行了一定的研究，但其現(xiàn)象的揭示并不完全，仍有很多問題并未解決，且機(jī)理研究仍存在一定的爭議；微氣泡產(chǎn)生的實(shí)際意義尚需做較為深入的討論；若將潤滑劑根據(jù)油水配比關(guān)系的不同可以分為以下六類：油W/O乳化液O/W乳化液微乳液水溶液水，前兩類被統(tǒng)稱為油基潤滑劑，而后四類則通常被稱為水基潤滑劑。前面的主要工作主要針對基礎(chǔ)油進(jìn)行微氣泡的研究，對油基、水基等還有較大的研究空間；雖然對油和水二相體在電場下的潤濕、穩(wěn)定性等界面問題 進(jìn)行了較多的研究，但從摩擦學(xué)角度對其在電場作用下的摩擦潤滑成膜特性的研究尚未見報道。參考文獻(xiàn)1 雒建斌，張朝輝，溫詩鑄. 薄膜潤滑研究的回顧與

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