[科普中国]-薄膜润滑

机械及精密机械工作中，摩擦副之间的润滑膜常处于十几个到几十个纳米厚度的薄膜润滑状态，这种厚度的润滑薄膜即为纳米润滑薄膜。润滑膜厚度与表面粗糙度处于同数量级，以致润滑特性不仅取决于润滑剂的黏性，还与润滑剂物理化学性质和摩擦表面特性有关的润滑。

定义低速、重载、高温及采用低粘度润滑介质(如水基润滑液）的机械及精密机械中，摩擦副之间的润滑膜常处于十几个到几十个纳米厚度的薄膜润滑状态，薄膜润滑就是研究这种状态下的润滑性能及机理，其中的关键问题是纳米级润滑膜厚度测量技术。润滑膜厚度与表面粗糙度处于同数量级，以致润滑特性不仅取决于润滑剂的黏性，还与润滑剂物理化学性质和摩擦表面特性有关的润滑。1

研究现状美国阿贡国家实验室曾就石墨烯降低摩擦系数做过系统实验，把含有少量石墨烯的溶液滴到两个钢材的接触面之间即可。随着接触面之间的相对运动，石墨烯会均匀并且牢牢地附着在整个接触表面，石墨烯在钢摩擦表面形成保护层，磨损量降低了4个数量级，摩擦系数减小为1/6。将经过表面改性的石墨烯微片分散到润滑油基础油或复合添加剂中，最终生产出节能抗磨改进剂，提升润滑质量。

通过电镜微观检查改进剂有效作用里程500公里以上的汽车发动机轴瓦，未产生任何不良磨损，且发现在轴瓦摩擦副表面形成了一层保护膜，和有助于降低摩擦系数的纳米球体，实现了滑动摩擦变滚动摩擦，大大降低了摩擦损耗。

薄膜润滑特性薄膜润滑的特征之一是在表观上体现为膜厚很小，需要考虑微粒的尺度效应。可以认为，薄膜润滑在本质上是有序分子起主要作用的一种润滑状态。可以将摩擦副的两表面之间的相对运动分解为挤压运动和剪切运动，其中剪切运动不破坏分子的有序排列，相反在吸附势和诱导力等作用下，它可促进有序分子形成；挤压运动则通过引起有序排列的分子姿态的改变来降低分子的有序度。

油膜厚度与速度的关系当存在应力偶作用时，油膜厚度均大于相应弹流润滑解的膜厚值，而且特征长度越大，膜厚增加越明显。当速度较高而相应油膜厚度很大时，应力偶对膜厚的影响很小。当存在应力偶时，膜厚与速度的关系不再呈简单的指数关系；膜厚越小，材料特征长度越大，则偏离越显著，从而体现出尺度效应。可以认为，在膜厚较大时，有序膜密度较小，处于弹流润滑区；随着膜厚逐渐减小，有序膜的作用变得明显，逐渐过渡到薄膜润滑状态。

油膜厚度与载荷的关系有序分子膜可以增加润滑膜的承载能力，载荷对膜厚变化的影响不如速度的影响大。

油膜厚度与润滑剂粘度的关系在高膜厚区有序膜影响小，可以认为其处于弹流润滑区。当存在应力偶时，油膜厚度增加，这种影响随着特征长度的增加而更为明显。在低膜厚区，有序膜所占比例增加，明显偏离弹流曲线，润滑剂粘度同油膜厚度不再具有明显的指数关系在对数坐标上偏离了直线关系，体现出尺度效应。1

薄膜润滑的优点1、粘变薄膜的刚性比牛顿流体的强。在膜厚较大的轻载区和中载区，薄膜的刚性随De数的增大而稍有提高；但在膜厚较小的重载区，油膜的刚性随De的增大而逐渐减小。

2、牛顿流体和粘变流体的摩擦力均随载荷的增加而增加；在轻载区摩擦力增加较快；在中载区摩擦力几乎保持不变，出现摩擦力平台；在重载区摩擦力快速增加，且牛顿流体油膜厚度迅速减小，而粘变流体依然保持承载能力。

3、在重载情况下，油膜承载能力迅速下降。

4、较大De数相应的油膜随载荷增加而急剧变薄。

5、牛顿流体和粘变流体的膜厚均随卷吸速度的降低而减小。粘变薄膜厚度与速度的相关性同牛顿流体相比小得多。

薄膜润滑的相关结论1、应用偶合应力理论来分析薄膜润滑状态的润滑特性时，我们可知：

a、 利用应力偶理论可以较好地预测薄膜润滑的润滑特性。

b、 在薄膜润滑下的油膜厚度大于弹流理论预期值，膜厚越薄，即有序分子膜所起作用越大时，薄膜润滑膜厚较弹流解增加的幅值越大。在薄膜润滑下，润滑膜厚和速度以及粘度的关系不再呈简单的指数关系。

c、 同弹流润滑下类似，薄膜润滑时的膜厚随载荷的变化曲线较平稳。有序分子膜的作用相当于增加润滑剂的粘度，因而可以增加润滑膜厚的承载能力。随着特征长度的增加，薄膜润滑特性更为明显。

2、利用在油润滑中施加外加电场和在水润滑中添加KCl。以改变润滑剂中离子浓度进行组合滑块润滑试验时，通过分析理论结果与实验结果可得：

a、在薄膜厚度较薄时，双电层效应使得流体的电层的电粘度效应逐渐减弱。

b、随着电场强度增加，双电层的电粘度效应增加，当电场强度达到一定程度时，双电层的电粘度效应开始减弱。

3、利用薄膜润滑状态下的非牛顿性和类固体特性，建立了薄膜润滑的数学模型，对线接触弹流薄膜润滑问题分析计算可知：在相同载荷下，基于粘变模型计算得到的润滑膜厚度比基于牛顿流体模型的大，这说明粘变薄膜的承载能力较强。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学