>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 以及300mm晶圆CMP装备流体润滑状态与晶圆状态的在线测量系统,探讨了流体承载与 润滑机制。研究发现,在常规压力下晶圆-抛光垫的接触面处于混合润滑状态,且接触 承载起主导作用;而下压力低至0.3ps后,流体承载起主要作用。②提出了纳米颗粒 与表面的作用机制。③基于腐蚀磨损杋理,提岀了CM材料去除的数学模型。该模型中, 材料去除速率与晶圆/抛光垫的相对线速度、有效颗粒个数呈正比;材料去除率随着抛光 压力的増大呈非线性增长;当磨粒半径远大于晶圆表面钝化膜厚度时,材料去除率随着颗 粒半径的増大而减小。该模型预测了CM过程中的大部分变量,并清晰地分析了机械参 数对CMP材料去除机制的影响[。④从摩擦化学的角度研究了铜在双氧水抛光液中的材 料去除机理。研究发现,材料去除的主导因素随pH值的变化而不同:pH值为4.0~60 时,腐蚀促进磨损是材料去除的主导因素;pH值为80~9.0时,磨损促进腐蚀起主导作 用;pH值为30和10.0时,化学腐蚀则成为主导。⑤研究了新型阻挡层钉在CMP过 程中的摩擦化学行为。在以高碘酸钾为氧化剂阻挡层抛光液中,拋光过程表面钝化膜的去 除和再生,以及抛光过程液体流动影响电化学反应的传质过程对钌的化学/电化学腐蚀有 明显的促进作用9⑥制备了粗糙度Ra为0041mm的超光滑表面。 (2)微观磨损 纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础。典型的纳米制造技术包括纳米切削 纳米抛光、纳米压印和纳米铸造等,均涉及大量的微观磨损问题。此外,由于表面和尺寸 效应的影响,微观磨损已成为微/纳机电系统长期可靠服役的巨大障碍。因此,微观磨损 不仅是微/纳机电系统应用中的关键问题,更已成为纳米制造的共性基础问题 西南交通大学的钱林茂针对单晶硅的微观磨损问题开展了系统的研究「。具体进展 包括:①研制了多环境和多功能的微观磨损实验平台。以原子力显微镜为基础平台,通过 对针尖支架和液池系统的改进以及外接环境气氛控制系统的搭建,实现了不同气液环境中 的微观摩擦磨损实验。②研究了实验条件、环境工况等对单晶硅微观磨损的影响规律2H-3 单晶硅表面越亲水,摩擦化学磨损越严重。滑动速度的增加会减弱单晶硅的摩擦化学磨 损,当速度足够大时,单晶硅在低湿度(<30%RH)下表现为无损伤。③初步揭示了单 晶硅的摩擦化学磨损机制2.3。单晶硅的摩擦化学磨损是化学反应和机械作用共同作用 的结果[2。仅当环境中有水分存在且摩擦副具有较强的化学活性时,单晶硅的摩擦化学 磨损才有可能发生。④实现了单晶硅表面的原子层状去除。磨损区域断面的高分辨透射电 镜分析显示单晶硅在摩擦化学磨损后仍保持完整的晶体结构(x。在此基础上,通过面扫 描的方式在单晶硅表面实现了单层或多层原子层状去除。相关研究结果对单晶硅的超光滑 表面抛光有重要的指导意义 (3)复合微动磨损 微动是发生在紧配合面上的微小幅度的运动,已成为重大装备灾难性事故的主要原因 之一。而复合微动是两种及以上微动模式的耦合。例如,扭转复合微动是扭动与转动微动 耦合的复杂微动[2.36,它广泛存在于球阀、滚珠轴承、杵臼关节、球窝接头及其他旋转
8 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 以及 300mm 晶圆 CMP 装备流体润滑状态与晶圆状态的在线测量系统，探讨了流体承载与 润滑机制。研究发现，在常规压力下晶圆 - 抛光垫的接触面处于混合润滑状态，且接触 承载起主导作用；而下压力低至 0.3psi 后，流体承载起主要作用［16］。②提出了纳米颗粒 与表面的作用机制。③基于腐蚀磨损机理，提出了 CMP 材料去除的数学模型。该模型中， 材料去除速率与晶圆 / 抛光垫的相对线速度、有效颗粒个数呈正比；材料去除率随着抛光 压力的增大呈非线性增长；当磨粒半径远大于晶圆表面钝化膜厚度时，材料去除率随着颗 粒半径的增大而减小。该模型预测了 CMP 过程中的大部分变量，并清晰地分析了机械参 数对 CMP 材料去除机制的影响［17］。④从摩擦化学的角度研究了铜在双氧水抛光液中的材 料去除机理。研究发现，材料去除的主导因素随 pH 值的变化而不同：pH 值为 4.0 ～ 6.0 时，腐蚀促进磨损是材料去除的主导因素；pH 值为 8.0 ～ 9.0 时，磨损促进腐蚀起主导作 用；pH 值为 3.0 和 10.0 时，化学腐蚀则成为主导［18］。⑤研究了新型阻挡层钌在 CMP 过 程中的摩擦化学行为。在以高碘酸钾为氧化剂阻挡层抛光液中，抛光过程表面钝化膜的去 除和再生，以及抛光过程液体流动影响电化学反应的传质过程对钌的化学 / 电化学腐蚀有 明显的促进作用［19］。⑥制备了粗糙度 Ra 为 0.041 nm 的超光滑表面。 （2）微观磨损 纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础。典型的纳米制造技术包括纳米切削、 纳米抛光、纳米压印和纳米铸造等，均涉及大量的微观磨损问题。此外，由于表面和尺寸 效应的影响，微观磨损已成为微 / 纳机电系统长期可靠服役的巨大障碍。因此，微观磨损 不仅是微 / 纳机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题［20］。 西南交通大学的钱林茂针对单晶硅的微观磨损问题开展了系统的研究［20-24］。具体进展 包括：①研制了多环境和多功能的微观磨损实验平台。以原子力显微镜为基础平台，通过 对针尖支架和液池系统的改进以及外接环境气氛控制系统的搭建，实现了不同气液环境中 的微观摩擦磨损实验。②研究了实验条件、环境工况等对单晶硅微观磨损的影响规律［21-23］。 单晶硅表面越亲水，摩擦化学磨损越严重。滑动速度的增加会减弱单晶硅的摩擦化学磨 损，当速度足够大时，单晶硅在低湿度（＜ 30%RH）下表现为无损伤。③初步揭示了单 晶硅的摩擦化学磨损机制［22，23］。单晶硅的摩擦化学磨损是化学反应和机械作用共同作用 的结果［24］。仅当环境中有水分存在且摩擦副具有较强的化学活性时，单晶硅的摩擦化学 磨损才有可能发生。④实现了单晶硅表面的原子层状去除。磨损区域断面的高分辨透射电 镜分析显示单晶硅在摩擦化学磨损后仍保持完整的晶体结构［24］。在此基础上，通过面扫 描的方式在单晶硅表面实现了单层或多层原子层状去除。相关研究结果对单晶硅的超光滑 表面抛光有重要的指导意义。 （3）复合微动磨损 微动是发生在紧配合面上的微小幅度的运动，已成为重大装备灾难性事故的主要原因 之一。而复合微动是两种及以上微动模式的耦合。例如，扭转复合微动是扭动与转动微动 耦合的复杂微动［25，26］，它广泛存在于球阀、滚珠轴承、杵臼关节、球窝接头及其他旋转
综合报告 紧固件中,常常是导致该类零部件失效的元凶。复合微动的提出,极大地拓宽了微动摩擦 学的研究领域,为减缓实际的复杂微动损伤提供了重要的理论指导。 周仲荣、朱旻昊团队提出了复合微动概念,并开展了系统研究(。具体进展包 括:①研制了一系列微动磨损、疲劳试验装置。研制了包括扭动、转动和扭转复合微动磨 损,以及弯曲和拉扭微动疲劳的试验裝置,为研究微动损伤机理提供了条件和手段。②揭 示了不同材料复合微动的运行行为和损伤机理,31。开展了1Z50中碳钢、7075铝合金、 PMMA等材料的扭转复合微动磨损试验,研究表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数和材 料性质等对扭转复合微动的运行和损伤行为有重要影响。发现利用摩擦振动/噪声信号分 析可成功鉴定出微动与滑动的范围。③探索了复合微动磨损条件下的疲劳裂纹萌生和扩展 行为(3。探讨了扭转复合微动局部接触疲劳和磨损间的竞争机制,提出疲劳裂纹的形 成与接触区局部隆起密切相关。④揭示了油/水流体等介质对扭转复合微动磨损特性的影 响[3。建立了磨损体积与累积耗散能的关系,评价了不同抗微动减缓措施对抵抗扭转复 合微动的影响。 (4)碳基薄膜磨损 碳基薄膜具有高硬度、高弹性、低摩擦系数和低磨损率等优异的综合特性,同时其还 兼有制备方法简单、易于大规模生产和沉积温度较低等优点,在航空、汽车机电等领域获 得广泛应用。采用纳米多元化、复合等涂层技术对其组成结构主动设计,研制低摩擦、高 承载、高弹性、多环境适应性的碳基薄膜已成为润滑薄膜技术发展的主要方向。 中国科学院兰州化学物理研究所张俊彦和清华大学邵天敏等研究组对碳基薄膜的制备 及其摩擦磨损行为、机理进行了大量研究[。具体进展包括:①研制出了具有类富勒 烯结构含氢碳膜ων。采用 PECVD沉积系统实现了类富勒烯结构含氢碳膜的可控制备,并 采用显微拉曼技术分析了薄膜产生超低摩擦的原因。②研制了具有强韧化、低摩擦特性以 及低环境敏感性集一体的碳基多元复合薄膜。采用多靶磁控溅射薄膜沉积技术,首次 系统性地制备了元素周期表中9种强碳与弱碳金属A共掺杂的碳基多元复合薄膜体系 ③制备了一种具有双重纳米结构的非晶碳薄膜材料l该种薄膜材料具有极为优异的 弹性回复性能,并且在真空条件下具有非常良好的减摩抗磨性能,摩擦系数低于0.001。 ④阐释了无定型碳薄膜的超低摩擦现象□3]。提出摩擦界面上形成的转移膜中类石墨层状 结构的聚集是无定型碳膜产生超低摩擦的原因。这些基础性的硏究工作丰富了对碳基薄膜 摩擦磨损机制的认识,对制备一定结构和用途的涂层具有借鉴和指导意义。 (5)载流磨损 随着科学技术的快速发展,载流摩擦副选材设计面临严峻的挑战,表现在两个方 面:服役条件的极度苛刻化和载流与摩擦的高可靠性要求[3-3。对于高铁弓网系统,摩 擦线速度达100m/s、摩擦接触区电流密度超过2A/mm2,对于电力高压开关的工作电压从 l00kⅤ快速提升到500~1000kV。为保证持续的动力供给,高速列车弓网系统的离线率 要求小于5%以下。在轨道交通、电力行业等领域,材料载流摩擦磨损性能不足已成为关
综 合 报 告 9 紧固件中，常常是导致该类零部件失效的元凶。复合微动的提出，极大地拓宽了微动摩擦 学的研究领域，为减缓实际的复杂微动损伤提供了重要的理论指导。 周仲荣、朱旻昊团队提出了复合微动概念，并开展了系统研究［25-28］。具体进展包 括：①研制了一系列微动磨损、疲劳试验装置。研制了包括扭动、转动和扭转复合微动磨 损，以及弯曲和拉扭微动疲劳的试验装置，为研究微动损伤机理提供了条件和手段。②揭 示了不同材料复合微动的运行行为和损伤机理［26，28］。开展了 LZ50 中碳钢、7075 铝合金、 PMMA 等材料的扭转复合微动磨损试验，研究表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数和材 料性质等对扭转复合微动的运行和损伤行为有重要影响。发现利用摩擦振动 / 噪声信号分 析可成功鉴定出微动与滑动的范围。③探索了复合微动磨损条件下的疲劳裂纹萌生和扩展 行为［27，28］。探讨了扭转复合微动局部接触疲劳和磨损间的竞争机制，提出疲劳裂纹的形 成与接触区局部隆起密切相关。④揭示了油 / 水流体等介质对扭转复合微动磨损特性的影 响［28］。建立了磨损体积与累积耗散能的关系，评价了不同抗微动减缓措施对抵抗扭转复 合微动的影响。 （4）碳基薄膜磨损 碳基薄膜具有高硬度、高弹性、低摩擦系数和低磨损率等优异的综合特性，同时其还 兼有制备方法简单、易于大规模生产和沉积温度较低等优点，在航空、汽车机电等领域获 得广泛应用。采用纳米多元化、复合等涂层技术对其组成结构主动设计，研制低摩擦、高 承载、高弹性、多环境适应性的碳基薄膜已成为润滑薄膜技术发展的主要方向。 中国科学院兰州化学物理研究所张俊彦和清华大学邵天敏等研究组对碳基薄膜的制备 及其摩擦磨损行为、机理进行了大量研究［29-32］。具体进展包括：①研制出了具有类富勒 烯结构含氢碳膜［29］。采用 PECVD 沉积系统实现了类富勒烯结构含氢碳膜的可控制备，并 采用显微拉曼技术分析了薄膜产生超低摩擦的原因。②研制了具有强韧化、低摩擦特性以 及低环境敏感性集一体的碳基多元复合薄膜［30］。采用多靶磁控溅射薄膜沉积技术，首次 系统性地制备了元素周期表中 9 种强碳与弱碳金属 Al 共掺杂的碳基多元复合薄膜体系。 ③制备了一种具有双重纳米结构的非晶碳薄膜材料［31］。该种薄膜材料具有极为优异的 弹性回复性能，并且在真空条件下具有非常良好的减摩抗磨性能，摩擦系数低于 0.001。 ④阐释了无定型碳薄膜的超低摩擦现象［32］。提出摩擦界面上形成的转移膜中类石墨层状 结构的聚集是无定型碳膜产生超低摩擦的原因。这些基础性的研究工作丰富了对碳基薄膜 摩擦磨损机制的认识，对制备一定结构和用途的涂层具有借鉴和指导意义。 （5）载流磨损 随着科学技术的快速发展，载流摩擦副选材设计面临严峻的挑战，表现在两个方 面：服役条件的极度苛刻化和载流与摩擦的高可靠性要求［33-35］。对于高铁弓网系统，摩 擦线速度达 100m/s、摩擦接触区电流密度超过 2A/mm2 ，对于电力高压开关的工作电压从 100kV 快速提升到 500 ～ 1000kV。为保证持续的动力供给，高速列车弓网系统的离线率 要求小于 5% 以下。在轨道交通、电力行业等领域，材料载流摩擦磨损性能不足已成为关
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学 键技术瓶颈。 河南科技大学张永振团队在材料载流摩擦学特性方面开展了系统的研究工作计3。 具体进展包括:①研制了载流摩擦试验平台。实现了载流与摩擦的条件耦合、摩擦学性 能与导电性能的同步检测,可模拟高铁弓网振动与高压开关的刚性接触。②初步揭示了载 流特性与摩擦特性的基本规律,发现导电与摩擦的共面接触是载流/摩擦耦合的本质原因 摩擦性能与载流性能波动趋势与时间上表现为动态一致。③初步探索了电弧损伤的物理机 制。电弧对材料的热损伤、熔化甚至汽化是材料损伤的主要途径。电弧损伤后的表面氧化 膜是导致导电性能降低的主要原因。④载流摩擦材料的硏制。采用能够在接触表面持续形 成一层具有导电/润滑功能表面膜的材料,能够大幅度提升材料的导电性能与摩擦性能。 3.润滑理论与技术 润滑的目的主要在于利用润滑剂避免两固体摩擦表面的直接接触,以达到减小摩擦和 降低磨损的目的。常用润滑剂有液体润滑剂(水、矿物油和合成润滑油等)、固体润滑剂 (石墨、二硫化钼、滑石粉、高分子聚合物等)、润滑脂和气体润滑剂。在实际应用中,液 体润滑最常用,与固体润滑相比具有较长的忍耐性,低的机械噪声,良好的导热性,在弹 性流体动压润滑状态下具有较低的摩擦等。 根据摩擦学中经典的 Stribeck曲线,润滑可分为四种状态,流体润滑(包括弹性流体 动压润滑)、薄膜润滑、混合润滑、边界润滑。流体润滑典型膜厚在1~100mm,摩擦表 面上完全被连续的润滑膜所分开,低摩擦的润滑膜承受载荷;弹流润滑是在高副接触下, 考虑摩擦副变形、润滑液黏压效应等的流体润滑,膜厚有数十纳米到几个微米。薄膜润滑 是考虑摩擦副表面的物理化学性能、膜厚对润滑剂分子行为影响的润滑状态,典型润滑膜 厚在20~300mm;混合润滑的法向载荷由固体之间的直接接触和部分弹流动压共同承受; 边界润滑中主要载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润 滑膜来承担,通常膜厚为1~2个分子层。对各种润滑形式及其机理的研究及润滑新材料 与技术的研究是润滑研究的主要内容。 (1)液体超滑 清华大学雒建斌、张晨辉小组在液体超滑方面开展了大量实验研究,并在基于磷酸体 系的超滑规律和机理、生物液体超滑的规律和机理]、基于酸与多羟基醇混合溶液超 滑的规律和机理等方面取得了一定的成果。 发现了磷酸溶液的超滑特性,它能够实现0004的超低摩擦系数[x。分析了超滑的 磨合过程和磨合机理,并将超滑的磨合过程划分为2个阶段。对第一阶段而言,它是磷酸 实现超滑的必要条件,其磨合机理与溶液中的氢离子密切相关。提出了氢离子润滑模型, 即磨合过程中的氢离子与摩擦副表面发生摩擦化学反应(表面质子化)使表面带正电荷, 这是摩擦系数减小的主要原因。对第二阶段而言,它不是磷酸实现超滑的必要条件,其磨 合过程主要与自由水的挥发有关。并建立了磷酸超滑的润滑模型。通过对磷酸超滑过程中 的接触区形态的分析和摩擦副表面的分析,提出了一种3层结构的超滑模型,即 stern层
10 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 键技术瓶颈。 河南科技大学张永振团队在材料载流摩擦学特性方面开展了系统的研究工作［34-35］。 具体进展包括：①研制了载流摩擦试验平台。实现了载流与摩擦的条件耦合、摩擦学性 能与导电性能的同步检测，可模拟高铁弓网振动与高压开关的刚性接触。②初步揭示了载 流特性与摩擦特性的基本规律，发现导电与摩擦的共面接触是载流 / 摩擦耦合的本质原因， 摩擦性能与载流性能波动趋势与时间上表现为动态一致。③初步探索了电弧损伤的物理机 制。电弧对材料的热损伤、熔化甚至汽化是材料损伤的主要途径。电弧损伤后的表面氧化 膜是导致导电性能降低的主要原因。④载流摩擦材料的研制。采用能够在接触表面持续形 成一层具有导电 / 润滑功能表面膜的材料，能够大幅度提升材料的导电性能与摩擦性能。 3. 润滑理论与技术 润滑的目的主要在于利用润滑剂避免两固体摩擦表面的直接接触，以达到减小摩擦和 降低磨损的目的。常用润滑剂有液体润滑剂（水、矿物油和合成润滑油等）、固体润滑剂 （石墨、二硫化钼、滑石粉、高分子聚合物等）、润滑脂和气体润滑剂。在实际应用中，液 体润滑最常用，与固体润滑相比具有较长的忍耐性，低的机械噪声，良好的导热性，在弹 性流体动压润滑状态下具有较低的摩擦等。 根据摩擦学中经典的 Stribeck 曲线，润滑可分为四种状态，流体润滑（包括弹性流体 动压润滑）、薄膜润滑、混合润滑、边界润滑。流体润滑典型膜厚在 1 ～ 100mm，摩擦表 面上完全被连续的润滑膜所分开，低摩擦的润滑膜承受载荷；弹流润滑是在高副接触下， 考虑摩擦副变形、润滑液黏压效应等的流体润滑，膜厚有数十纳米到几个微米。薄膜润滑 是考虑摩擦副表面的物理化学性能、膜厚对润滑剂分子行为影响的润滑状态，典型润滑膜 厚在 20 ～ 300nm；混合润滑的法向载荷由固体之间的直接接触和部分弹流动压共同承受； 边界润滑中主要载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润 滑膜来承担，通常膜厚为 1 ～ 2 个分子层。对各种润滑形式及其机理的研究及润滑新材料 与技术的研究是润滑研究的主要内容。 （1）液体超滑 清华大学雒建斌、张晨辉小组在液体超滑方面开展了大量实验研究，并在基于磷酸体 系的超滑规律和机理［36］、生物液体超滑的规律和机理［37］、基于酸与多羟基醇混合溶液超 滑的规律和机理［38］等方面取得了一定的成果。 发现了磷酸溶液的超滑特性，它能够实现 0.004 的超低摩擦系数［36］。分析了超滑的 磨合过程和磨合机理，并将超滑的磨合过程划分为 2 个阶段。对第一阶段而言，它是磷酸 实现超滑的必要条件，其磨合机理与溶液中的氢离子密切相关。提出了氢离子润滑模型， 即磨合过程中的氢离子与摩擦副表面发生摩擦化学反应（表面质子化）使表面带正电荷， 这是摩擦系数减小的主要原因。对第二阶段而言，它不是磷酸实现超滑的必要条件，其磨 合过程主要与自由水的挥发有关。并建立了磷酸超滑的润滑模型。通过对磷酸超滑过程中 的接触区形态的分析和摩擦副表面的分析，提出了一种 3 层结构的超滑模型，即 stern 层
综合报告 具有氢键网络结构的磷酸吸附膜和自由水分子层。 发现了莼菜黏液的超滑特性。结果表明莼菜黏液与玻璃表面之间的摩擦系数为 0005。通过进一步实验,发现超滑与黏液的分子结构和黏液中的水分子密切相关。微观 结构分析表明黏液是一种含有很多纳米薄片结构的多糖凝胶。其超滑的机理归因于在这些 聚合物薄片之间形成了流动性很好的水合层。同时,通过对钛合金表面的有机膦酸涂层改 性,发现了生物材料膦酸聚合物分子的超滑特性,该涂层不仅能够有效降低摩擦系数至超 滑量级(0.004),而且能够大幅度减少自身及对偶摩擦副的磨损。 发现了酸和甘油混合溶液的超滑特性x。超滑与甘油溶液的浓度和酸溶液的pH值 密切相关,只有当甘油溶液的浓度≤40%且酸溶液的pH≤1时,超滑才可以实现,但 是超滑与酸溶液的种类无关。通过进一步研究,发现了酸和多羟基醇混合溶液的超滑特 性。其超滑的机理和磷酸溶液的超滑机理以及酸和甘油混合溶液的超滑机理是一致的。实 验还发现多羟基醇溶液和酸溶液混合后能够实现超滑的条件是:多羟基醇分子上羟基个数 大于等于2个,而分子上碳原子个数(<10)以及羟基在碳链上的位置对超滑没有影响。 2015年,他们在特定条件下,在润滑油中实现了超滑,摩擦系数达0.004 清华大学马丽然与以色列Kein教授合作,对水合超滑的微观行为机制进行研究,获 得了o0002的摩擦系薮,发现在不同载荷下,盐溶液超滑具有不同的能量耗散形式,并 通过水合层剪切规律测得盐离子水合层黏度,该黏度约为体相水黏度的250倍鹨。 (2)热弹流润滑理论 弹性流体动压润滑(简称弹流润滑,EHL)广泛存在于诸如轴承及齿轮等髙副接触的 机械零部件中。其油膜的建立不仅依靠流体动压效应,更重要的是来自高压力下的表面弹 性变形及润滑油黏压特性。由于弹流模型的高度复杂,其研究工作极具挑战。自20世纪 50年代开始,众多学者开发了先进的分析方法和有效的实验手段,针对弹流润滑进行了 深入而广泛的研究。以多重网格法为代表的一系列高效算法的提出,使得在宽广的速度和 载荷范围内高效求解稳态和时变弹流冋题成为可能。朱东、胡元中等人通过确定性混合弹 流润滑模型的建立、弹流润滑的计算由全膜状态拓展到定量的部分粗糙接触及干接触。随 着数字化图像技术的发展,光干涉油膜测量的分辨率和测量范围都得到提高,可对不同工 况下的弹流油膜进行测量,如混合弹流润滑及时变效应的测量。迄今为止,弹流润滑的- 般基础理论体系已比较完善,因此在硏究中,可充分考虑热效应、非牛顿效应、微观形貌 效应及动态效应。近些年,弹流润滑研究转向某些特殊的成膜机理。当这些因素成为主导, 普通的弹流润滑理论不再适用,如热黏度楔产生的中央油膜凹陷及膜厚随载荷的增加[40 界面滑移导致的中央油膜下凸 现在弹流润滑面临的主要挑战在于真实的而非虚拟的工业问题的研究,这些问题的研 究并非已有弹流理论的参数化分析,而是润滑学与表界面力学、物理化学的交叉,其输出 不仅是润滑膜厚,还应包括摩擦、磨损与功耗。在这一方面已取得了进展,如轴承润滑中 润滑剂的分布与弹流润滑的分析;弹流中真实流变行为的研究与 Stribeck摩擦曲线的计算
综 合 报 告 11 具有氢键网络结构的磷酸吸附膜和自由水分子层。 发现了莼菜黏液的超滑特性［37］。结果表明莼菜黏液与玻璃表面之间的摩擦系数为 0.005。通过进一步实验，发现超滑与黏液的分子结构和黏液中的水分子密切相关。微观 结构分析表明黏液是一种含有很多纳米薄片结构的多糖凝胶。其超滑的机理归因于在这些 聚合物薄片之间形成了流动性很好的水合层。同时，通过对钛合金表面的有机膦酸涂层改 性，发现了生物材料膦酸聚合物分子的超滑特性，该涂层不仅能够有效降低摩擦系数至超 滑量级（0.004），而且能够大幅度减少自身及对偶摩擦副的磨损。 发现了酸和甘油混合溶液的超滑特性［38］。超滑与甘油溶液的浓度和酸溶液的 pH 值 密切相关，只有当甘油溶液的浓度≤ 40% 且酸溶液的 pH ≤ 1 时，超滑才可以实现，但 是超滑与酸溶液的种类无关。通过进一步研究，发现了酸和多羟基醇混合溶液的超滑特 性。其超滑的机理和磷酸溶液的超滑机理以及酸和甘油混合溶液的超滑机理是一致的。实 验还发现多羟基醇溶液和酸溶液混合后能够实现超滑的条件是：多羟基醇分子上羟基个数 大于等于 2 个，而分子上碳原子个数（＜ 10）以及羟基在碳链上的位置对超滑没有影响。 2015 年，他们在特定条件下，在润滑油中实现了超滑，摩擦系数达 0.004。 清华大学马丽然与以色列 Klein 教授合作，对水合超滑的微观行为机制进行研究，获 得了 0.0002 的摩擦系数，发现在不同载荷下，盐溶液超滑具有不同的能量耗散形式，并 通过水合层剪切规律测得盐离子水合层黏度，该黏度约为体相水黏度的 250 倍 ［39］。 （2）热弹流润滑理论 弹性流体动压润滑（简称弹流润滑，EHL）广泛存在于诸如轴承及齿轮等高副接触的 机械零部件中。其油膜的建立不仅依靠流体动压效应，更重要的是来自高压力下的表面弹 性变形及润滑油黏压特性。由于弹流模型的高度复杂，其研究工作极具挑战。自 20 世纪 50 年代开始，众多学者开发了先进的分析方法和有效的实验手段，针对弹流润滑进行了 深入而广泛的研究。以多重网格法为代表的一系列高效算法的提出，使得在宽广的速度和 载荷范围内高效求解稳态和时变弹流问题成为可能。朱东、胡元中等人通过确定性混合弹 流润滑模型的建立、弹流润滑的计算由全膜状态拓展到定量的部分粗糙接触及干接触。随 着数字化图像技术的发展，光干涉油膜测量的分辨率和测量范围都得到提高，可对不同工 况下的弹流油膜进行测量，如混合弹流润滑及时变效应的测量。迄今为止，弹流润滑的一 般基础理论体系已比较完善，因此在研究中，可充分考虑热效应、非牛顿效应、微观形貌 效应及动态效应。近些年，弹流润滑研究转向某些特殊的成膜机理。当这些因素成为主导， 普通的弹流润滑理论不再适用，如热黏度楔产生的中央油膜凹陷及膜厚随载荷的增加［40］、 界面滑移导致的中央油膜下凸。 现在弹流润滑面临的主要挑战在于真实的而非虚拟的工业问题的研究，这些问题的研 究并非已有弹流理论的参数化分析，而是润滑学与表界面力学、物理化学的交叉，其输出 不仅是润滑膜厚，还应包括摩擦、磨损与功耗。在这一方面已取得了进展，如轴承润滑中 润滑剂的分布与弹流润滑的分析；弹流中真实流变行为的研究与 Stribeck 摩擦曲线的计算
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 面对工业问题,弹流润滑有很大的发展空间,面临的挑战也非常巨大,如混合弹流润滑 中磨损的确定性模型与计算、固液复合润滑中的弹流机制、基于非光学的工程弹流膜厚 测量等 (3)新型润滑材料 第一,液体润滑剂及添加剂。 在很多摩擦系统中都使用液体润滑剂用以润滑、冷却和密封机械,液体润滑剂通常 有矿物润滑油、合成润滑油和水基液体。在润滑油、脂中加人少量添加剂,能改善润滑 油、脂的使用性能,改善程度与基础油的品质有关。添加剂通常用以影响润滑油的物理 和化学性质,如各种降凝剂、黏度指数改进剂、消泡剂和各种抗氧化剂、抗腐剂、清净 剂、油性剂和极压抗磨剂等。针对不同的工况环境需要应用不同的润滑基础液和添 加剂。 一是离子液体润滑剂:与传统润滑剂相比,离子液体具有更好的减摩抗磨能力,但合 成步骤复杂、成本昂贵、对基底具有腐蚀性以及与基础油相溶性差,从而限制了它的实际 应用。为解决以上问题,中国科学院兰州化学物理研究所刘维民等人制备了一系列离子液 体,旨在降低成本、提髙在基础油中的溶解性以及解决其氧化腐蚀性。①“原位”离子液 体:将一些IA族金属元素的无机盐与功能有机分子在基础油、脂中复配,在基础油、脂 中“原位”合成了具有减摩抗磨性能的离子液体润滑添加剂叫·2。这在降低离子液体润 滑剂成本、提高其在基础油中的溶解性以及解决其腐蚀性冋题等方面有了重大突破。②抗 氧化防腐蚀离子液体:把具有特定功能的官能团位阻酚、苯并三氮唑等引λ离子液体分子 结构中制备抗氧化防腐蚀功能离子液体,设计制备出具有抗氧化和防腐蚀的离子液体润滑 剂,作为润滑油和润滑脂的添加剂具有较好的抗氧化防腐蚀性能[4.4。减少离子液体的 腐蚀和氧化,还有另外两个比较合理的方法:①将其用作添加剂,特别是润滑脂的添加 剂,稠化剂的存在可以最大限度地降低腐蚀和氧化,防止外界环境的影响。②离子液体 润滑剂的腐蚀主要由于含氟阴离子造成,用疏水或无卤素阴离子取代含卤阴离子,例如 C2F3)P3变为PF6,阴离子为长链磷酸酯、螯合硼酸根等,可降低或消除对基底的腐蚀。 ③绿色离子液体润滑剂:具有优异的水解稳定性、对金属基底无腐蚀性且表现出优异的润 滑效果;原料易得、工艺简单、成本远远低于传统离子液体;其阴阳离子均具有一定的生 物相容性、低毒性,是易生物降解的环境友好型绿色润滑剂(4.“。 二是纳米颗粒添加剂:纳米材料由于其独特的物理化学性能,被广泛应用于生物、能 源和新材料等领域。同时,也被用作润滑油添加剂,研究者对其润滑机理开展了大量的研 究工作[,钢。其中,纳米金属由于其自修复性能一直是人们研究的热点,纳米金属铜更 是被成功应用于发动机油添加剂,表现出良好的减摩抗磨性能。近来,各种纳米富勒烯材 料由于其独特的层状结构成为添加剂领域的硏究热点之一,并表现岀良好的摩擦学性能且 符合环保要求。刘维民等人通过简单有效的方法由蜡烛燃烧制备了绿色、环保洋葱状 碳纳米材料,其作为水和润滑油添加剂都具有较好的摩擦学性能,并探讨了其作为高效润
12 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 面对工业问题，弹流润滑有很大的发展空间，面临的挑战也非常巨大，如混合弹流润滑 中磨损的确定性模型与计算、固液复合润滑中的弹流机制、基于非光学的工程弹流膜厚 测量等。 （3）新型润滑材料 第一，液体润滑剂及添加剂。 在很多摩擦系统中都使用液体润滑剂用以润滑、冷却和密封机械，液体润滑剂通常 有矿物润滑油、合成润滑油和水基液体。在润滑油、脂中加入少量添加剂，能改善润滑 油、脂的使用性能，改善程度与基础油的品质有关。添加剂通常用以影响润滑油的物理 和化学性质，如各种降凝剂、黏度指数改进剂、消泡剂和各种抗氧化剂、抗腐剂、清净 剂、油性剂和极压抗磨剂等。针对不同的工况环境需要应用不同的润滑基础液和添 加剂。 一是离子液体润滑剂：与传统润滑剂相比，离子液体具有更好的减摩抗磨能力，但合 成步骤复杂、成本昂贵、对基底具有腐蚀性以及与基础油相溶性差，从而限制了它的实际 应用。为解决以上问题，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民等人制备了一系列离子液 体，旨在降低成本、提高在基础油中的溶解性以及解决其氧化腐蚀性。①“原位”离子液 体：将一些 IA 族金属元素的无机盐与功能有机分子在基础油、脂中复配，在基础油、脂 中“原位”合成了具有减摩抗磨性能的离子液体润滑添加剂［41，42］。这在降低离子液体润 滑剂成本、提高其在基础油中的溶解性以及解决其腐蚀性问题等方面有了重大突破。②抗 氧化防腐蚀离子液体：把具有特定功能的官能团位阻酚、苯并三氮唑等引入离子液体分子 结构中制备抗氧化防腐蚀功能离子液体，设计制备出具有抗氧化和防腐蚀的离子液体润滑 剂，作为润滑油和润滑脂的添加剂具有较好的抗氧化防腐蚀性能［43，44］。减少离子液体的 腐蚀和氧化，还有另外两个比较合理的方法：①将其用作添加剂，特别是润滑脂的添加 剂，稠化剂的存在可以最大限度地降低腐蚀和氧化，防止外界环境的影响。②离子液体 润滑剂的腐蚀主要由于含氟阴离子造成，用疏水或无卤素阴离子取代含卤阴离子，例如 （C2F5）3PF3 变为 PF6，阴离子为长链磷酸酯、螯合硼酸根等，可降低或消除对基底的腐蚀。 ③绿色离子液体润滑剂：具有优异的水解稳定性、对金属基底无腐蚀性且表现出优异的润 滑效果；原料易得、工艺简单、成本远远低于传统离子液体；其阴阳离子均具有一定的生 物相容性、低毒性，是易生物降解的环境友好型绿色润滑剂［45，46］。 二是纳米颗粒添加剂：纳米材料由于其独特的物理化学性能，被广泛应用于生物、能 源和新材料等领域。同时，也被用作润滑油添加剂，研究者对其润滑机理开展了大量的研 究工作［47，48］。其中，纳米金属由于其自修复性能一直是人们研究的热点，纳米金属铜更 是被成功应用于发动机油添加剂，表现出良好的减摩抗磨性能。近来，各种纳米富勒烯材 料由于其独特的层状结构成为添加剂领域的研究热点之一，并表现出良好的摩擦学性能且 符合环保要求［49］。刘维民等人通过简单有效的方法由蜡烛燃烧制备了绿色、环保洋葱状 碳纳米材料，其作为水和润滑油添加剂都具有较好的摩擦学性能，并探讨了其作为高效润