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薄膜润滑研究 温诗铸 雒建斌 (清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084) 摘要：本文是近年来作者关于纳米级薄膜润滑的研究的全面总结。首先介绍了纳米级润滑膜厚度 测量技术，进而就润滑理论中存在的两大悬而未解的问题，即弹流润滑和边界润滑之间的过渡区 属干何种润滑状态及其特征润滑膜是以什么准则而失效的，所做出的系统研究结果进行了介绍， 包括：o薄膜润滑作为弹流润滑与边界润滑之间的新型润滑状态的性能特征；o薄膜润滑的物理 模型，弹流润滑与薄膜润滑间的转化关系以及膜厚与工况因子的相关性；o纳米级润滑膜时间效 应及其产生原因；o电场对纳米润滑膜特性的影响；O纳米级润滑膜的失效准则；o新的润滑状 态划分方法。 关键词：纳米摩擦学，薄膜润滑，边界润滑 薄膜润滑状态是近年来摩擦学领域中最重要的研究领域之一。人们在对弹性流 体动压润滑(简称弹流润滑)理论研究过程中发现，许多低速、重载、高温和低粘 度润滑介质的机械设备以及许多高科技机械装备和超精密机械的摩擦副常常处于较 通常弹流润滑膜更薄的状态下工作(几个～几十纳米)。由于人们对这种润滑的机理 认识还很少，从而成为现代润滑理论研究的一个热点。我们自1991年以来，从测试 方法、特性研究、失效分析到润滑模型和润滑状态划分等方面，对薄膜润滑开展了 系统的研究，揭示出一些新现象和机理，进一步完善了润滑理论体系。 一、测试技术 薄膜润滑研究中的关键问题之一就是实现这种润滑状态的全面性能的测量，并 使摩擦副稳定地保持在该状态下工作。众所周知，建立稳定的纳米级润滑膜并对其 厚度和形状加以测量是一件相当困难的工作。这除了因为许多机械加工精度难以达 到纳米量级和安装带来的误差导致运动不平稳外，还有外界的干扰(如振动、光源、 外界光变化)都可能给测试结果带来不小的影响。而润滑膜又不同于一般的固体薄膜 可以在严格控制外界环境和隔振等装置内测定，从而使其润滑状态的实现及保持、 厚度的测量都有很大难度。 我们提出的相对干涉光强测量方法，就是根据在同一干涉级次的最大干涉光强 与最小干涉光强之间，干涉光强是随润滑膜的厚度或光程差的而变化来实现的。由 光学原理可知，任一点的膜厚取决于该点的光强在最大光强与最小光强之间的相对 位置(相对光强)以及无润滑膜时的光强僮。因此，只要将相对光强细分(如划分为256 份)，则对应的膜厚就具有很高的分辨率。根据此原理，我们1992年研制出NGY一2 一 型膜厚测量仪(图1)，解决了纳米级润滑膜厚度的测量问题。并在后继工作中，进一 步扩太了仪器的膜厚测量范围。增加了三维自适应摩擦力测试装置，润滑油微流量 ’ 油循环和温度控制系统，实现了点、线、面三种接触方式下微摩擦力和膜厚的同时 测量。该测量仪的主要技术指标为： (1) nm； 润滑膜厚度测量范围：O一500 rlln (2) 垂直(膜厚方向)分辨率：0．5 (3) 水平分辨率：1岬； (4) 速度控制范围：0．2-1900唧／s； (5) 摩擦力分辨率：0．1mN； oC。 (6) 温度控制范围：室温至120 单色光 r 翠1] J 玻璃盘 I 1；I 糊 雌 半反射质 r一 。1