面接触润滑油膜界面滑移的原位荧光漂白恢复显微方法研究

The liquid film lubrication in conformal contact has received considerable attention, which is widely applied in all types of precision mechanical systems as well as micro-electro-mechanical systems (MEMS). The flow of lubricant film with micro/submicro thickness shows different characteristics from the traditional hydrodynamic transport, wherein the solid-liquid interface slippage is an important factor to affect the performance of the oil film lubrication. However, there is still lack of effective method to measure the interfacial slippage of the fluid film lubrication. Thus this project is proposed to study the solid-liquid boundary slippage using fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), combining with pre-research slider-on-disc contact, including: 1) To develop a testing method for oil film slip in slider-on-disc contact based on FRAP. 2) To provide experimental evidences for the theoretical speculation of the slip effect in lubrication film by in situ monitoring the fluorescence bleached area of lubrication film. 3) To study the influence of key parameters on the interface slip effect, such as surface affinity, shear strain rate, lubricant viscosity, then to create interface slip model. 4) Based on the modified slip model, the characteristics of lubrication under the conformal contact are analyzed in depth. The results can provide important experimental data for further understanding mechanism of interface slippage and have directive significance to the lubrication design of MEMS and biomedical engineering.

面接触流体薄膜润滑广泛存在于各类精密机械系统中，在微机电系统的润滑设计中也备受重视。微米/亚微米间隙内润滑油膜流动表现出不同于经典流体力学理论的输运特性。其中，界面滑移效应是一项重要的影响因素，但目前对面接触流体薄膜润滑的界面滑移测量仍然缺少有效手段。本项目拟将荧光漂白恢复显微技术引入到面接触润滑油膜测量系统，对低副接触界面滑移机制进行研究，包括：1）建立基于荧光漂白恢复技术的面接触界面滑移测量的新方法；2）研制面接触滑移效应测量系统，原位监测荧光漂白区域的恢复过程，为面接触界面滑移的理论推测提供直接实验数据；3）研究滑块表面亲和性、剪应变率、润滑剂粘度等关键参数对界面滑移效应的影响，建立面接触界面滑移模型；4）基于修正的滑移模型，对面接触润滑特性进行深入理论分析。研究成果可为明晰界面滑移机理提供重要实验依据，进而为微机电系统和生物医学工程中的润滑设计提供关键的技术服务。

接触流体动压润滑广泛存在于各类精密机械系统中，在微机电系统的润滑设计中也备受重视。润滑油膜的剪切流速特性是影响流体动压润滑性能的一项重要因素，微米/亚微米间隙内润滑油膜流动表现出不同于经典流体力学理论的输运特性。但目前对面接触流体薄膜润滑剪切流速及界面滑移测量仍然缺少有效手段。本工作报告将荧光漂白恢复显微技术引入到面接触润滑油膜测量系统，对低副接触条件下的界面滑移分布进行研究。完成的主要工作有：.1、建立了基于荧光漂白恢复技术的面接触界面滑移测量的新方法，搭建了性能优越的面接触润滑油膜荧光漂白恢复显微系统。.2、基于荧光漂白恢复显微技术和漂白区域形状演化过程的成像分析，建立了油膜流速测量系统，可以对微米间隙润滑油膜的速度分布进行原位测量。利用建立的系统获得了厚度为8μm时聚丁烯PB450润滑油膜的库埃特流速分布。重建的荧光漂白强度分布曲线和实验测量结果的皮尔森相关系数大于0.95，且流速分布符合已有润滑理论，证明了测量结果的可靠性。测量了不同粘度、不同油膜厚度条件下的剪切流速特性。分析了垂直滑块-转盘接触线速度分量等对测试研究产生的影响，获得了非线性剪切流速特性分布曲线，为界面滑移提供重要的直接实验依据，进而为研制高性能 MEMS 及滑动轴承提供相应的技术服务。.3、采用广义雷诺方程结合测量得到的非线性剪切流速分布曲线，对面接触流体动压润滑的承载力进行理论分析，通过和光干涉技术得到的无量纲承载量-收敛比特性曲线对比，可以很好解释收敛比K以及无量纲承载量与经典计算值存在的差异，检验了面接触润滑油膜流速测量系统和剪切流速分布的测试结果。.4、实验研究了不同润湿性接触副对油膜厚度、油池、界面滑移速度的影响。通过随时间变化的荧光漂白图像提取界面滑移的直接实验数据，研究了润滑油粘度、油膜厚度等参数对界面滑移的影响。通过分析不同参数对界面滑移的影响，建立直接界面速度滑移模型。