面接触微米/亚微米油膜润滑中滑移台阶效应的研究

With the development of interface science, the liquid film lubrication is being re-recognized in the tribological design of sliding contacts in minature devices. To achieve active control of such lubrications, the applicant and other researchers have proposed to generate hydrodynamic lubrication by making use of interface slippage, whereby the surface tension in the stationary surface is modified in such a way that lubricant boundary slippage can readily occur in the inlet area and a smaller flow resistance is produced in the inlet area than that in the outlet area. Therefore, even in the absence of classical geometrical wedge hydrodynamic films can be generated by this tailored boundary slippage, and this is referred to as slip-step effect herein. However, due to the lack of experimental methods, this theoretical postulation has not yet been validated. Thus this proposal is proposed for studying the slip step effect under micro/submicro film thickness in conformal contacts, including: 1) To develop an measuring system for lubrication films in a slider-on-disc contact. 2) To prepare slip steps on a specimen surface and surfaces with different interface affinity. 3) To provide experimental evidences for the slip-step effect and to investigate the influence of the slip-steps on oil film lubrication. 4) To present a new approach to measure the oil film slip on bounded surfaces by means of a step bearing and to derive a slip model. 5) Based on the slip model, to build a mathematical lubrication model incorporating the slip step effect and to numerically simulate the related lubrication behaviour. Upon success of this project, the concept of slip step effect in lubricating film generation will be experimentally verified for the first time. And by offering new approaches in experiments and theoretical analyses, the output of this research will be beneficial to the study of lubrication design in the area of MEMs and biomedical engineering.

随界面科学的进步，在微型器件滑动接触的摩擦学设计中，液体膜润滑正在被重新认识。针对此类润滑的控制，包括申请人在内的研究者提出了利用界面滑移产生流体动压效应的设想。通过静止固体表面的张力修饰，润滑剂在润滑面入口侧发生界面滑移，流动阻力减小。这样不需要传统的几何楔就可形成有效润滑，这里称为"滑移台阶效应"。由于实验技术的限制，该理论设想一直未得到实验证实。本项目拟在面接触及微米/亚微米膜厚条件下对此滑移台阶机制进行研究，包括：1)滑块－转盘面接触润滑油膜测量系统的研制。2）弱亲和性表面及滑移台阶表面的制备。3) 滑移台阶效应存在的实验证明与参数研究。4）基于阶梯滑块轴承的油膜界面滑移的测量及其滑移模型的建立。5）基于测得的滑移模型，考虑滑移台阶效应的面接触油膜润滑的数值模拟。本项目将首次对新的滑移台阶效应进行实验验证，建立的理论将对微机电系统和生物医学工程中的润滑设计提供新的研究手段。

在微器件滑动接触的润滑设计中，研究人员对液体膜润滑的兴趣正在增加。微器件中的液体膜润滑不是简单的传统流体润滑的移植，应提出新的理论并重新设计，在这其中必须考虑界面效应。针对此类润滑，研究人员提出了利用界面滑移产生动压效应的设想。通过静止表面的张力修饰，润滑剂在润滑面入口侧发生界面滑移，流动阻力减小，产生所谓的“滑移台阶效应”。该效应当前只是局限于理论推想，仅用现有的界面滑移模型进行了理论推证。由于实验技术的限制，该设想一直未得到实验证实。本项目即在此背景下开展,在面接触及微米/亚微米膜厚条件下对此机制进行研究。完成的工作包括：1)成功研制了新一代面接触润滑油膜厚度在线测量系统。提出了新的基于双色光干涉强度调制（DIIM）油膜厚度测量方法，构造了基于光流和动态时间弯曲技术的追踪算法，对调制光强曲线上特征区域进行实时追踪，实现了油膜厚度的在线测量，建造了商用的模型机。2）探索了利用FAS单分子自组装膜（SAM）和AF低表面能液体制备低亲油表面及滑移台阶表面的工艺；系统研究了接触角、接触角滞后及界面粘附功与润滑油膜厚度变化的相关性。3)在实验室证明了滑移台阶效应的存在。基于不同工艺制作的滑移台阶表面和不同的几何条件，分别测量了滑移台阶效应下的油膜厚度；较高速度下滑移台阶效应产生较高的油膜厚度；滑移台阶可以对润滑油膜进行控制。4）采用不同方法研究了油膜润滑中的界面效应及影响因素。基于固液界面临界应力的滑移模型，对面接触的润滑行为进行了数值分析，根据实验膜厚数据得到界面临界应力随速度和粘度的增加而增加。提出了基于阶梯滑块油膜厚度的界面滑动速度测量技术；开发了新的荧光漂白测量技术，原位测量油膜厚度方向的速度分布，证实了界面处固液相对滑移的存在及随剪应变率的变化。5）基于实验数据建立了界面低粘度层伪滑移模型及润滑控制方程，给出了一维问题的解析解。并将该模型应用于滑移台阶效应及挤压问题的研究。本项目揭示了微尺度下对液体膜润滑进行控制的新机制-滑移台阶效应，提供了颇具价值的基础数据，推动了润滑学对界面效应的理解。所开发的面接触润滑油膜厚度在线测量系统(FSTVer2.0)，为该类技术的商业化带来了新的方法，为液体薄膜润滑提供了新的实验技术。