纳米级薄膜润滑的物理化学特性测量原理及仪器研制

薄膜润滑理论的提出，填补了弹流润滑和边界润滑之间的空白，但其存在以下问题有待研究：1. 有序液体模型至今仍缺乏直接有力的实验验证；2. 在高速（>20m/s）重载（～3GPa）下薄膜润滑的成膜与失效测量至今没有解决。其在精密仪器、微纳制造、航空航天领域（如高速轴承的润滑与失效）有非常重要的应用价值。目前，国内外尚没有实现薄膜润滑的膜厚、摩擦力、分子趋向性和润滑膜失效同时检测的手段。本项目拟将相对光强干涉技术和激光偏振拉曼散射技术相结合，实现对膜厚和分子趋向的实时测量，同时通过柔性密封技术、高精控制技术、浮动技术等研究，实现高速重载下接触区纳米级膜厚、摩擦力的实时测量。该研究成果对完善润滑理论体系，揭示纳米级润滑膜的物理化学特性及其交互作用，解决火箭和高速战机的轴承失效问题有很大作用。另外，其在纳米制造和超精密测量等领域也有重要应用价值。

本项目针对纳米级润滑膜物理化学特性的实时测量技术展开研究，揭示润滑分子微观特性与润滑特性之间的关系。项目成功搭建了润滑膜理化特性综合测量系统，实现了高速（100 m/s）点接触摩擦条件下的载荷、摩擦力、油膜厚度等参数的测量，实现了低速点接触润滑区动态润滑膜的在线拉曼光谱测量，可以测量不同工况下的纳米级厚度润滑薄膜的分子结构、取向、分布等参数；利用该仪器研究了液晶润滑分子在接触区的取向及其与摩擦系数之间的关系。实验中发现，液晶分子在剪切作用下趋于沿速度方向排列，并且摩擦系数随取向程度增加而降低。实验获得了接触区内润滑分子的动态分布，研究了分子极性对添加剂和基础油在接触区内分布的影响。研究了动态表面增强拉曼散射（SERS）技术，提高拉曼光谱的采集效率，分析了纳米银颗粒的粒径、形状对拉曼增强效果的影响规律。研究了高速下基础油摩擦系数随粘度，速度，载荷的变化规律。高速下影响摩擦系数的主要因素是热效应及摩擦副表面粗糙度。当速度达到一定值时，润滑状态由弹性变粘度转换为刚性等粘度。.研究成果对完善润滑理论体系，揭示纳米级润滑膜的物理化学特性及其交互作用，对解决火箭和高速战机的轴承失效问题有很大作用。另外，其在纳米制造和超精密测量等领域也有重要应用价值。.该项目在研究期间，当选中国科学院院士1人，获美国摩擦学学会最高荣誉奖2013年STLE International Award（每年在全球只奖励1-2人）1人，IFToMM服务奖1项，中国摩擦学学会最高成就奖1人；培养全国优秀博士论文获得者1人，获上银全国优秀机械博士论文佳作奖1人，清华大学学术新秀1人，清华大学研究生特等奖学金1人；在国际会议做Plenary和Keynote报告6次，出版专著1部，参编2部，发表SCI收录论文6篇；申请发明专利11件，获授权4件。