（机械设计及理论专业论文）双电层对薄膜润滑特性影响机理的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 在固体和液体的界面处存在双电层现象。双电层之 间存在相互作用 力，并且双电层产生电粘度效应使流体的等效粘度增加 。本文主要在理 论和实验两方面对流体润滑特别是薄膜润滑中双 电层效应的影响进行研 究 。 首先，根据双 电层理论，对流体润滑中的双 电层效应进行分析 ，包 括 双 电层 之 间的作用 力和双 电层 的 电粘 度效应 ，建立 了新 的双 电层流 体 动压润滑数学模型。分析表明，一般情况下双电层间作用力可以忽略， 双 电层效应 主要 表现 为 电粘 度 效应 ， 电粘度 主要 受润滑 剂 中离子浓 度 的 影响，在稀溶液中离子浓度越大电粘度越大。然后对流体动压润滑、点 接 触和线接触 弹流润 滑 中的双 电层 效应进 行 了数值 分 析 。结果表 明:在 薄膜润滑状态下，双电层效应的影响比较明显，双电层电粘度效应使得 流体的等效粘度明显增加，从而使润滑膜厚度和摩擦系数明显增加，但 对弹流润滑 中压力分 布没有 明显影 响 。 其次，对水润滑和油润滑中的双电层效应进行了试验研究。试验中 分 别采用 施加 外 电场和 添加添 加 剂改变润滑 剂 中离子浓 度两种方法 来改 变电粘度效应的强度，从而使流体的等效粘度发生变化，并表现为摩擦 系数的变化 。试验中对摩擦系数和流动电势进行了测量 ，结果表明:流 体润滑中存在双 电层 电粘度效应 ，使得摩擦系数增加;双电层电粘度的 强度与离子浓度和润滑膜厚度有关，离子浓度越大，膜厚越小，双电层 效应越强;通过施加外 电场和改变润滑剂中的离子浓度可 以控制双 电层 效应的强度，使得摩擦系数增加;试验结果支持双电层润滑理论模型。 最后 ，利用试验结果和有限宽组合滑块模型修正了润滑中双电层效 应的计算，给出了电粘度的计算公式，并且进行了数值分析。通过对理 论计算结果和试验测量结果的对 比分析，表明在薄膜润滑状态下存在明 显 的双 电层 电粘 度效 应 ，可通 过试 验 的方法修 正对双 电层 电粘度 的理论 计算并对润滑中的双电层电粘度效应进行预测分析。 关键词:薄膜润滑;双电层;电粘度;摩擦系数 华南理工大学博士学位论文 abs tract n e a r t h e i n t e r f a c e o f s o l i d a n d l i q u i d , e l e c t r i c d o u b l e l a y e r ( e d l ) p r e s e n t s e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t , a s we l l a s e dl i n t e r a c t i o n , w h i c h ma k e s f l u i d v i s c o s i t y i n c r e a s e . i n t h i s p a p e r , e d l e f f e c t o n l u b r i c a t i o n w a s s t u d i e d i n b o t h t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t a l w a y s . f i r s t , b a s e d o n t h e p o i s s o n 一 b o l t z ma n n e q u a t i o n , a n e w ma t h e ma t i c a l mo d e l o f e d l e f f e c t w a s d e v e l o p e d , i n c l u d i n g e d l i n t e r a c t i o n a n d e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t . a n a l y s i s s h o w s t h a t e d l i n t e r a c t i o n c a n b e n e g l e c t e d s a f e l y , a n d e d l m a i n l y p r e s e n t s e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t w h i c h i n t e n s i t y i s d e c i d e d b y i o n i c c o n c e n t r a t i o n i n l u b r i c a n t . g e n e r a l l y , e l e c t r o 一 v i s c o s i t y i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s e o f i o n i c c o n c e n t r a t i o n . t h e n , n u me r i c a l a n a l y s i s w a s c a r r i e d o u t t o s t u d y e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t i n h y d r o d y n a mi c l u b r i c a t i o n a n d e l a s t o h y d r o d y n a mi c l u b r i c a t i o n ( e h l ) . r e s u l t s s h o w t h a t e l e c t r o 一 v i s c o s i t y h a s s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n f l u i d v i s c o s i t y w h i l e l u b r i c a t i o n f i l m i s t h i n . i n t h i n f i l m l u b r i c a t i o n , e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t i n d u c e d b y e d l ma k e s b o t h f i l m t h i c k n e s s a n d f r i c t i o n c o e f f i c i e n t i n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y , b u t h a s l i t t l e e f f e c t o n p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f e hl. t h e n , t e s t s w e r e c a r r i e d o u t t o r e v e a l e d s i g n i f i c a n t e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t s o n l u b r i c a t i o n p e r f o r ma n c e i n b o t h a q u e o u s a n d o i l y l u b r i c a t i o n o n a c o mp o s i t e s l i d i n g b l o c k t e s t e r . t w o d i f f e r e n t me t h o d s w e r e u s e d i n t h e t e s t . o n e w a s a p p l i c a t i o n o f e x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d s o n f r i c t i o n p a r t n e r , t h e o t h e r t o c h a n g e i o n i c c o n c e n t r a t i o n o f l u b r i c a n t s b y a d d i n g a d d i t i v e s . b o t h me t h o d s m a k e e l e c t r o 一 v i s c o s i t y c h a n g e a n d t h e n t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t w i l l c h a n g e a c c o r d i n g l y . d u r i n g t e s t , f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d s t r e a mi n g p o t e n t i a l w e r e me a s u r e d . r e s u l t s s h o w t h a t e l e c t r o 一 v i s c o s i t y ma k e s f r i c t i o n c o e f f i c i e n t i n c r e a s e a p p a r e n t l y u n d e r t h e t h i n f i l m s i t u a t i o n . a n d e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t i s d e c i d e d ma i n l y b y b o t h i o n i c c o n c e n t r a t i o n a n d f i l m t h i c k n e s s , t h a t i s e l e c t r o - v i s c o s i t y i s m o r e a p p a r e n t w h e n i o n i c c o n c e n t r a t i o n i s l a r g e a n d f i l m t h i c k n e s s t h i n . o n t h e o t h e r h a n d , c h a n g e o f f r i c t i o n c o e f f i c i e n t c a n b e c o n t r o l l e d t o s o m e e x t e n t b y a p p l i c a t i o n o f e x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d s a n d a d d i t i v e s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e t e s t r e s u l t a g r e e s w e l l w i t h t h e n u me r i c a l a n a l y t i c a l r e s u l t n a b s t r a c t f i n a l l y , t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n o f e l e c t r o - v i s c o s i t y w a s a me n d e d b y u s i n g t e s t r e s u l t s , a n d c a l c u l a t i o n e q u a t i o n s o f e l e c t r o 一 v i s c o s i t y w e r e p r e s e n t e d f o r b o t h a q u e o u s a n d o i l y l u b r i c a t i o n . t h e n c o m p a r i s o n w a s c a r r i e d o u t b e t we e n n u me r i c a l a n a l y s i s a n d t e s t r e s u l t s . r e s u l t s s h o w t h a t e l e c t r o 一 v i s c o u s e f f e c t i n d u c e d b y e d l h a s s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e i n t h i n f i l m l u b r i c a t i o n a n d t h i s e f f e c t c a n b e p r e d i c t e d i n t h e o r e t i c a l wa y ke y w o r d s : t h i n f i l m l u b r i c a t i o n , e l e c t r i c d o u b l e l a y e r , e l e c t r o - v i s c o s i t y , f r i c t i o n c o e f f i c i e n t m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 心少 c日 期 :a .w年 ( a 讲 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本 学 位 论 文 属 于/ 不保密10。 ( 请在以上相应方框内打 “ 了 ” ) 作 者 签 名 : a b少先 导 师 签 名 二 一 汾 月 日 期 : 护.2- - 年 月2 节 日 日 期 咖 c z 年石 解 日 华南理工大学博士学位论文 物理量名称及符号表 单 位 mm 符号 b b b1 ，b 2 , l, a c mm mm汀m-，m-，pa e e o e e s e x , e y 了 ，了 . ，f f e . f , f e . h h o , h 1 1 - 止 k . 1 k , k g l 1 ，l 2 l c l e n 几+， 几_ 物理量 名称 h e r t z 接触区的半宽 润滑 区长度 组合滑块尺寸 ( 图 4 - 9 , a = 1 5 0 ) 溶液中离子的摩尔浓度 基本 电荷 外加 电场强度 等效弹性模量 流动 电势 双电层产生的流动电场强度 摩 擦 力 流体单元的电场 阻力 流体单元上 的压力 流体单元上 的静 电斥力 润滑膜厚度 滑块出口和入口的膜厚值( 图 3 - 6 ) 传导电流和流动电流 ( 图 1 - 7 ) 双电层d e b y e 长度( 双电层厚度) 双 电层 电粘度计算系数 b o l t z m a n n常数 润滑区尺寸( 图 2 - 2 ) 分子特 征长度 电导 体相液体中离子的个数浓度 m mo l . l - 1 1 . 6 0 2 x l 0 一 1 9 c v . m - 1 gpa v v . m- 1 n n n n a m p a . s . m2 1 . 3 8 x 1 0 一 2 3 j . k 1 aaaa pppp 正、负净 电荷个数浓度 祸合系数 压 力 无电场作用下液体压力 双 电层间作用力 最大赫兹压力 有限宽滑块中点宽度处压力 nppo阳彻几 物理量名称及符号表 m 3 . s 1 mk pa . s pa 。 5 aa pp 9 x , q x， 9 v r t “ ，v 砚1 , u 0 , vi ， v 0 uvr w x,了，a xa, xt z亡 e 呀 刀 0 冲 . 冲 e a m. s 1 nmm c . v 1 . m 0一 1 . m- 1 兄 。 . + ，几 。 l 一 1 . m - z . mo l 一 1 产内p内八 丁 ， 几 k g . m - 3 k g . m 3 c . m- 3 pa vvvv w0, ， 少1 ， 班z ( 1 ， 6 流 量 摩擦 副等效半径 绝 对温 度 卷吸速度 摩擦副速度 流体 的相对速度 载荷 坐 标 润滑区入 口、出口坐标 离 子 价 电 容 率 流体动力粘度 常温常压下流体动力粘度 等效动 力粘度 双 电层产生的电粘度 电导 率 正、负离子的离子 电导 摩 擦 系 数 不考虑双 电层效应时摩擦系数 润滑剂 密度 常温 常压下润滑剂密度 净 电荷体积密度 粘性剪切应 力 电泳 速 度 任 意位 置 的电势 双 电层叠加中点处电势 双电层表面 电势 z e t a电势 ( 双 电层 电势 ) 第一章 绪论 第一章 绪论 现代机械科学的发展出现机 电一体化、超精密化和微型化的趋势， 许多高新技术装备的摩擦副常处于纳米量级，如大容量高密度磁记录设 备、微型机器人、医疗器械和精密测试仪器等。在微型机械中受尺寸效 应的影响，使表面粘着力相对于传统机械中的体积力而言显得十分突出， 因而微摩擦磨损和纳米薄膜润滑就成为高新技术和设备研制中的急需解 决的关键问题 z , z 润滑薄膜的特性及其润滑机理研究己成为近年来摩擦 学研究广受关注的一个领域。实验表明，润滑膜厚度小于一定程度时， 流体动力润滑和弹性流体动力润滑的规律不再适用。在薄膜润滑下，润 滑剂的特性与体相流体已不相同，有着 自己的特点和规律。虽然基于连 续介质力学得到的经典润滑理论在厚膜条件下可 以很好的描述润滑状态 的变化，然而在薄膜润滑状态下，膜厚变化规律明显偏离了预期的趋势。 人们发现在靠近金属表面润滑油的有效粘度异常高于体相粘度 ， 】 4 ， ，经典 的润滑理论无法对此作 出解释 。研究表明:随着膜厚的变薄，润滑剂与 摩擦表面的作用显得非常重要，润滑剂的粘度会发生明显增加，这大大 的改变了宏观流体的特性。 本章首先介绍几种薄膜润滑理论模型以及润滑剂分子等微观参量的 影响;其次对国内外在双电层对流体润滑影响方面的研究成果进行全面 的评述 :然 后 重 点介绍 本文所 要讨 论的双 电层对薄 膜润 滑 影响方面 的主 要研究结果和存在 的诸多科学和技术问题 。最后论述本论文的选题意义 和主要 内容 。 1 . 1薄膜润滑理论 根据传 统 的摩擦 理论 ，润滑 状态 可 分为 :流体 动力 润 滑一 弹性流 体 动力润滑一混合润滑一边界润滑一干摩擦0 1 8 8 6 年 r e y n o l d s 提出润滑方 程，开创了流体润滑理论研究。随后，基于粘性流体力学建立的流体动 力润滑理论广泛的应用于滑动轴承等面接触机械零件的设计，其润滑膜 厚度通常在 1 0 0 ju m以上。2 0世纪 6 0年代以后，人们又将 r e y n o l d s 流体 润滑理论与 h e r t z弹性接触理论相祸合而发展了弹性流体动力润滑理论 ( 简称弹流润滑理论) ，成功的解决了诸如齿轮传动、滚动轴承等点接触 机械零件的润滑设计问题。 c h e n g和 d o w n s o n等 卜 ， 利用电子计算机和数值分析对于等温弹流问 华南理工大学博士学位论文 一一， 一，毕巴一. ， . 一 题发表了系统的计算结果，并提出了适合于工程设计应用的油膜厚度计 算公式，为弹流润滑理论研究开拓了广阔的前景。在发展理论分析的同 时，有关弹流润滑的实验研究也取得了重大的进展，揭示出弹流润滑的 基 本特 征 。 温诗铸等 幻 对各种工况条件下弹流润滑进行了数值分析和实验验证， 揭示了不同弹流润滑状态的特征和基本规律，提出了参数关系式和适用 于 工 程设 计 的计 算 方法 。 朱东” 二 ” ， 在考虑z和y方向的流变性的基础上求得了r e e - e y r i n g非 牛顿流体点接触热弹流问题的数值解。 张勇斌等【 ， ” ， 提出了等温纯滚动线接触条件下弹流润滑的3 种润滑机 制，它们分别是:豁弹性流体润滑、茹塑性流体润滑和非连续介质流体 润滑，并给出了这些润滑机制所对应的工况范围边界的数学表达式，认 为传统 的弹流润滑只 出现在有 限的工况 范围。 陈晓阳等” 。 们 对有限长线接触弹流润滑进行了研究。 通过对有限长滚 子摩擦副弹流润滑特性的分析，揭示了滚子摩擦副的闭合效应，它使油 膜压力局部增高，油膜厚度减小，摩擦副中的最小油膜厚度出现在端部 出口区 。由于端部 的闭合作用能 阻止端 泄 ，从而将润滑 油有效地封在摩 擦副内，因此油膜比 d o w s o n - h i g g i n s o n线接触理论预测的要厚。 杨沛然等” 一 :o对热弹流润滑中的粘压系数与油膜厚度的关系、 表面凹 陷现象、非牛顿性、温度场等进行数值分析和实验研究，结果表明:粘 度高和粘压系数大的润滑油虽可增加油膜厚度，但亦会加速表面的疲劳 磨损;固体表面在接触区出现凹陷的现象，揭示了凹陷的深度、位置和 形状随卷吸速度及接触椭圆短轴夹角的变化规律;牛顿流体模型过高地 估计了温度一粘度楔效应，而r e e - e y r i n g非牛顿流体模型能更好地解释 温 度一 粘度楔效应 。 目前，对于流体动力润滑、弹性流体动力润滑这些润滑状态的机理研 究比较成熟，但弹流润滑到边界润滑之间的润滑状态却仍然比较模糊。 随着研究的深入，人们逐渐发现了另一润滑状态。1 9 8 9 - 1 9 9 1 年，s p i k e s 等 ， ， ” ， 在对速度与膜厚关系进行实验研究中发现:膜厚低于1 5 n m 时，速度 膜厚曲线会发生转折，提出可能存在另一种润滑状态，由此引出了薄膜 润滑的概念 ( t h i n f i l m l u b r i c a t i o n ) 根据中等电势下扩散双电层的相互作用，给出了斥力的近似 计算公式，在表面电势不变的情况下，分别对两个平板双电层和两个球 面双电层的情况进行了研究。 利用改进的d e r j a g u i n方法和有效归约表面 电势概 念 ，推 导了计算 公式 。 b e h r e n s 对离子表面双电层相互作用进行了研究，发现:任意电势 下的电荷排列规则带电表面间的电斥力通常 由边界条件进行描述，对于 带有 离子化表 面 的电解液 是不合适 的，但 是提 供 了上下 作用力边 界 。根 据 p b方程提出了量化标准， 从而可以对任意电势的表面 电荷规律程度进 行评价。结果表明该方法可以使用定电荷和定电势的限制条件来计算规 华南理工大学博士学位论文 律表面的电荷相互作用力。h s u 计算了液体中带电粒子之间的相互作用 力 。 1. 2. 2双电层 电粘度效应 如图1 - 7 所示，当流体在外力作用下产生流动时，扩散层中的离子会 随之沿流动方向进行运动，由于扩散层中的液体整体表现为带电性，所 以扩散层中离子的运动产生一种电流，称为流动电流。当扩散层整体表 现为正电性时，流动电流方向与液体流动方向相同。反之，当扩散层整 体表现为负电性时，流动电流方向与液体流动方向相反。相对于流动电 流，存在一 电场 ，其电动势称流动电势。这一电场产生一传导电流，沿 反方向流动。当传导电流与流动电流相等时，达到一平衡状态。 传 导 电 流 e e e ape e e e e9 9 压力流 流动电流 - 卜 流 动电 势e 图1 - 7电粘度效应示意图 f i g . l 一 7 e l e c t r o 一 v i s c o s i t y p r o d u c e d b y e l e c t r i c d o u b l e l a y e r 当液体中的离子运动时，会依靠吸引力使液体的分子随之运动 。所 以，传导电流会产生一液体流，其方向与整个液体的流动方向相反，结 果使流体的流速降低。如果应用没有考虑双电层因素的传统流体理论进 行解释，该液体应该具有更高的粘度。这一现象称为电粘度效应。 在流体和固体之间，由于双电层的存在引发电粘度 ，从而明显改变 原来的粘度 。研究表明，双电层的存在影响流体的粘弹特性 ，当厚度小 于 6 0 n 。时，双电层的影响变的非常显著 , .实验表明:水的表观粘度在 细管中是增加的，通过测量水从石英容器中的蒸发速度，可以测得表面 吸附水膜的粘度是普通水的 5 - 1 0 倍， 这可以认为是离子液体在固体表面 的界面双电层引起电粘度增加所致。 h o r i g o m e ， 利用半径 4 5 n m的聚稀粒 子放入水中进行实验，对溶液的流变特性进行了研究。结果表明相邻粒 第一章 绪论 子的束缚影响粒子的布朗运动;另外，双电层叠加引起的斥力也影响粘 弹特性。 c h e n 0 等对低浓度聚合物高分子电解质溶液在强剪切流状态下 的电粘效应进行了理论研究， 表明双电层产生明显的电粘剪切阻力 等对 电渗 作 用下矩形微 通道 中液 体 的传 输进 行 了理论和 试验研 究 结 果 表明速度场和体积流对离子浓度集中和双电层电势有影响。 wa r s z y n s k i 等对作相对运动的荷电表面的电粘度进行了理论分析。 1 . 3国内外研究现状 近年来， 双电层的影响被 p r i e v e 等引入薄膜润滑中。 在他们的模型 中，假设两带电电荷的滑动或挤压运动表面间为很薄的电解液引起包围 在每一物体周围的反离子云的电荷对流。为了存储电荷，这种对流引起 固体之间的流体中的能量流，并反过来在物体上产生电动力，使摩擦副 有分离的趋势，起到抵消部分载荷的作用。z h a n g 和翁和僳【 等曾对双 电层流体动力润滑的雷诺方程做了推导和计算。z h a n g的理论计算表明: 最小膜厚随着双电层电势的增加而增加，并且对 a 1 2 0 3 s i 3 1v 4 和 s i c陶 瓷的试验表明， 理论计算的承载能力与试验结果相吻合。 z h a n g 给出了考 虑双电层电粘度效应以后的等效粘度的计算公式: 冲 。 =泞+ 3 8 2 y 2 _ 2 ， 3 (1一) ( 1 - 4 ) 2-k - .九 尸lesl 其中:h一润滑膜厚度。 z h u 对摩擦表面电势对摩擦和磨损的影响进行了研究，试验结果表 明，可以通过建立双电层效应模型估计表面电势对摩擦系数变化的影响。 黄 平 9 , 等 对 双 电层对 流体 动 力润 滑 和弹 流润 滑状 态 参数 的影 响进 行了数值分析。结果表明:在膜厚较薄 几十 n m )时，双电层的存在对 润滑膜的厚度有较明显的影响，可以使最小膜的厚度明显增加，随着膜 厚的增加这种影响将迅速减弱;双电层的存在对润滑膜的压力影响不大， 即使在膜厚很薄时，考虑和不考虑双电层得到的最大压力变化依然很小; 双电层的存在使润滑膜的摩擦系数有所降低。 孟永钢 、蒋洪军 ” 一 ， ， 等在研究了三氧化二铝1 黄铜摩擦副的电摩擦特 性后发现，电场作用下摩擦副的摩擦系数发生大幅度增加，而且摩擦系 数的改变是可逆的。在他们的研究中认为双电层是产生这种现象的原因 之一 9 9 。 华南理工大学博士学位论文 1 . 4本课题的意义及论文的主要内容 1 . 4 . 1本课题的意义 双 电层的厚度和影响范围基本上在几十纳米之间，因此开展这一研 究有助于了解薄膜润滑的内在规律，分析改善薄膜润滑性能的机理和规 律 ，为精密 机械 的薄膜润 滑 的工程应用提 供 更有 效 的设计方法和手段 ， 为薄膜润滑研究建立更符合实际工况条件的理论依据。 由于这一研究刚刚展开， 人们未掌握双电层对流体润滑的影响规律， 主要表现在: 1 . 双电层润滑理论分析有待完善。现有的双 电层润滑数学模型，主 要分析 了双 电层 电势对不 同润滑 条件 的影响 ，对于双 电层 厚度 以及润滑 剂中离子浓度等重要参数的影响缺少分析。此外，对于双电层润滑模型 中双 电层的重要参数如双电层厚度 、双电层 电势等没有给出计算方法， 不利于对双 电层效应进行计算分析。 z . 缺少对润滑中双电层效应的实验研究。目前对于润滑中双电层效 应的研究基本处于理论研究阶段，国内外对于双 电层效应对润滑膜厚、 压力分布和摩擦系数等方面进行了一定的数值分析，但是缺少实验研究， 特别是对于油润滑实验。 因此，双电层对润滑成膜 、承载能力影响等许多问题有待深入研究。 本课题的 目的在于根据双电层理论，建立考虑双 电层因素的薄膜润滑数 学模型，然后通过控制工况条件对所建立的数学模型进行实验验证。在 此基础上，通过理论和实验结果的对 比分析，探讨双 电层效应对薄膜润 滑特性的影响机理和规律，为解决薄膜润滑技术和研究工作存在的问题 奠 定理论 基础 。 1 . 4 . 2论文的主要内容 1 .建立双 电层薄膜润滑数理模型。根据国内外对双电层理论的研究 以及润滑特性，建立润滑中的双电层效应数学模型，包括双电层间作用 力和 电粘度模型，并对影响双 电层效应的参数进行 了分析 ，建立 了双电 层润滑数 学模型 。 2 .数值分析。首先对双电层间作用力和电粘度进行数值分析，包括 不同模型的对比分析。然后对流体润滑和弹流润滑中的双 电层效应进行 了分析，包括对压力分布、润滑膜厚度和摩擦系数的影响。 3 . 双 电层效应润滑试验设计。首先介绍了双 电层效应试验的原理， 第一章 绪论 包括外加 电场试验和添加剂试验两种不同方法;然后介绍了试验台的设 计，包括摩擦力和流动 电势的测量 以及外 电场的施加方案等;最后介绍 了试验步骤 。 4 . 水润滑双电层效应试验 。通过外加 电场和添加剂试验对水润滑中 双 电层 的影 响进行 了研 究 。通 过改变 电场强度和 离子浓 度 ，对 不 同速度 、 载荷载荷下摩擦系数和流动电势的变化进行测量，研究不同工况下双电 层效应 的影响 。 5 . 油润滑双电层效应试验。通过外加 电场和添加剂试验对油润滑中 双电层的影响进行了初步研究。通过改变电场强度和离子浓度，对不同 速度、载荷载荷下摩擦系数和流动电势的变化进行测量，研究不同工况 下双 电层效应 的影响 。 6 . 利用试验结果修正电粘度 的理论计算，给出了润滑中双 电层效应 计算 方法 。 本论文工作得到国家 白然科学基金 ( 项 目编号:5 0 3 7 5 0 5 2 )和广东省教育厅“ 千 百十工程 ”优秀 人才培养基金 的资助 。 华南理工大学博士学位论文 第二章 双电层流体动压润滑理论 2 . 1 结构 引言 通常在润滑区中存在两个固1 液界面， 则相应存在两个相同的双电层 如 图 1 - 6所示 。根据双 电层 理论 ，当两个双 电层相互接近 时，两 双电层产生叠加，并且两双电层间存在相互作用力。一般情况下两个相 同的双电层 ( 即两双电层界面处的固体一方呈现相同的电性)之间的作 用力表现为电斥力。同时，双 电层引发电粘度，明显改变原来的流体粘 度 。 本章的主要内容是从双电层的p o i s s o n - b o l t z ma n n 方程出发推导出考 虑双 电层影响的流体动压润滑方程 ，并对 比传统 的流体动压润滑的 r e y n o l d s方程，建立了双电层间作用力和电粘度数学模型，然后对润滑 中双 电层 的参 数计算进 行了讨论 。 2 . 2双电层流体动压润滑数学模型 根据 流体润滑 的情况 ，本文给 出在流 体润滑 区中双 电层 的假 设条件 : 在无外电场作用下， 在摩擦副的两个固液界面处的双电层相同， 即 w o =v i =w 2，c= ， 二b 2; 润滑系统处于常温下，即不考虑润滑系统的温度变化。 根据静电统计理论，液体中任意位置的电势 v/和该点净电荷的单位 体积密度p 。 之间的关系可以用 p o i s s o n 方程加以描述: . ._ 2 4 ) p e v俨= 一 ( 2 一 1 ) 假设 b o l t z ma n n平衡分布方程可用，并且液体各部分有相同的介电 常数，在体相液体中离子的数量浓度为: = n exp zeegill k8 )t = 一 砚 zee v= n ex ket ( 2 一 2 ) 净电荷体积密度 p 。和液体中平衡阴阳离子的浓度差成正比: p e = z e e ( n ， 一 n _ ) = - 2 n z e e s i n h z e 竺 竺 k r t ( 2 一 3 ) 第二章 双电层流体动压润滑理论 将式( 2 - 3 )代入 p o i s s o n方程 ( 2 - 1 )得到著名的 p o i s s o n - b o l t z m a n n 方 程 _，8 n n z _ e v少 = s in h z= e 竺 k b t ( 2 一 4 ) _砂扮扮卜 枯 二 _ _ _ z =h / 2 z =h z 图 2 - 1双电层电势的叠加 f i g . 2 一 1 s p l i c e d p o t e n t i a l o f e d l 在润滑系统中，在摩擦副和润滑剂的界面处存在两个双电层。假设 两双电层相同，当润滑膜厚度 h很小时，两双电层产生叠加，如图 2 - 1 所示。根据文献 4 8 ,叠加以后的电势分布 w为: v 一 、 卜 osh kz + 1 一c o s h k h ( 2 一 5 ) s i n h k h sinh kz 这 里k是 d e b y e长度倒易参数， 砂= 8 a n e z e 沃b t 固液界面处的电势 w 。接近于双电层电势 y的数值，特别是在非水 体系中， 因此可以用双电层电势 心 代替界面处双电层电势 +v o。 将式( 2 - 5 ) 中的 w 。替换为 得到下式: yr = !cosh kz + 1 一c o s h k h ( 2 一 6 ) s i n h k h sinh kz 则可进一步得到电荷分布密度 p 。如下: k 2 e c .0 _=一一i c o s n故 十 4 ) l 1 一c o s h k h s i n h k h sinh kzl ( 2 一 7 ) 2 . 2 . 1双电层间作用力 双 电层 间 的作 用力在许 多文献 中均有推 导 ，此处 简要 介绍这 一推 导 华南理工大学博士学位论文 过程“ ， 二。当两个平行的双电层相互接近时，由于双电层的叠加，它们之 间会产 生排斥 作用 ，这在解 释胶粒 对聚沉 的稳 定性 及肥 皂泡液膜 力平衡 中起 了重要作用 。在 两平面板 间所包含 的溶 液 内，距离某平板表面 z处 任一体积元都应受到两个力，压力 p引起该体积元单位面积上受到的作 用力 f : 和静电斥力引起该单位体积元上的作用力 f. ，当两板保持平衡 两者相等 ，即 。_ d p_二 _ _d tp f= 于 ， f , = - p e 二 于 d z“ d z 将 泊松 方程 代 入 上 式 ，得 ( 2 一 8 ) d p 一 : d z d z 2v d z 2 d yr _ 、 _- ( d 0 , ) 2 _ 。 - 丁 -一- i v一_i - i 一u a z a z l 、 a z / ( 2 - 9 ) = 常数( 2 一 1 0 ) 上式表明两板间任一体积元单位面积上的压力与电场力之差为一常 数 。 当: = 0 .5 h 时 ， 在 中 心 线 上 的 电 势 达 到 最 小 值* 。 ， 此 时业一 。 ， 说 d z 明该常数就是中心位置上所受的压力p , 现将式( 2 - 9 ) 写为 d p 二 一 p e d y r 将 b o l t z ma n n 方程代 入 上 式 ( 2 一 1 1 ) 得 “ 一 2 z,en sin h 麟 d yrk , t ( 2 一 1 2 ) 根据边界条件 w , = 0时，p = p o 力) ，v = h 。时， p = 0 ， 可以采用数值方法进行压力分布分析。 这里定义如下无量纲压力 p * : p * p 6nuub x坐 标 无 量 纲化 为 ( 3 一 1 2 ) ( 3 一 1 3 ) x一b 一1 牢 x 在最小膜厚为 7 0纳米的条件下，考虑和不考虑双电层影响的压力分 布如图 3 - 7给出，同时图 3 - 8给出了最大压力随双 电层电势的变化。显 然 ，当考虑双 电层的影响时润滑膜的承载能力将明显增加。特别是双电 层电势越大，压力增加的越明显。 华南理工大学博士学位论文 0 . 0 6 0 . 0 6 。 . 以 0 . 0 3 . 4 0 . 0 2 一5 一s ， . 卜 一9 - - ， - 二5 0 mv = 1 0 0 mv = 1 5 0 mv 0 .0 0 0 .00 . 6 0 . 8 图 3 - 7 薄膜下双 电层对压力分布 的影 响 f i g . 3 一 7 e dl e f f e c t o n p r e s s d i s t r i b u t i o n 0.0 5 4 户 。 ， 。一 匕_ 一、 0加4 0 6 0 8 0 f/mv 1 2 0 7 6 6 图 3 - 8薄膜下双电层对最大压力的影响 f i g . 3 一 8 e d l e f f e c t o n ma x i mu m p r e s s u r e 3 . 3 . 2载荷 单位 宽度 上 的流 体 动压 载荷 w可 以通 过 对 x 积 分得 到 第三章 数值分析计算 w 一 犷 + ” p d x 定义流体动压无量纲载荷 w*为 ( 3 一 1 4 ) w* =w we es 一 . ho e 6 q u ( b i + b 2 ( 3 一 1 5 ) 图 3 - 9是在给定润滑膜厚度的情况下，计算得到的水润滑中奋电势 对载荷的影响关系曲线。从图中可以看出，在 7 0 n m时，随着芬电势的增 加，滑块系统的承载能力明显增加 滑块系统 的承载 能力没 有 明显增加 。在 1 5 0 n m 时，随着歹电势的增加， 压0 3 5 住0 3 0 0 .0 2 5 娜 t 0 .0 2 0 0 . 0 1 5 0 .01 0 0 工 洲 5 一 一 气= 3 0 m n 一 一 气= 7 0 nn 一 幽 一气 = 1 5 0 n m 一 一 一 一 一山 一 一一一卜一 一 . . . . . 一. 一. 一. 一. 一 0 3 09 0 1 2 0 5 / m v 图 3 - 9双电层电势对载荷的影响 f i g . 3 一 9 e d l e f f e c t o n l o a d 3 . 3 . 3摩擦系数 粘 性剪 切 应 力 为 : _ a u _ _目如 。 一，q a z 一 又 一 习a x ( 3 一 1 6 ) 在下表 面 z = 0处 ，有 如一ax ， _ h ( 3 一 1 7 ) 华南理工大学博十学位论文 需要注意上面方程中的粘度是考虑了双电层效应后的等效粘度，得 到单位 宽度上 的摩擦 力为 : f = r .a, t dxu 一 b,+bz _ _h _i)p,i ( 2 ax + il h ( 3 一 1 8 ) 因此 ， f 产=一 w 摩擦 系数 可 以写成 ( 3 一 1 9 ) 图 3 - 1 0是在给定载荷和速度的情况下，最小膜厚与双电层电势的关 系。从图中可以看出，在载荷较大的情况下 ( w = 5 n / m ) ，即膜厚较薄时， 随着双电层 电势的增加最小膜厚有较明显的增加。在载荷较小的情况下 ( w = 0 . 5 n / m ) ，即膜厚较厚时，随着双 电层电势的增加最小膜厚没有明 显的增加 。 一. 一w二0 . 5 一. 一w二1 一占 一 w二5 一.-.一.一 忡 m n/ m m m 20朋 日。、才 0 2 0 4 0 6 0即 c1 功 v 1 0 0 1 2 0 1 4 0 图 3 - 1 0 双 电层 电势对最小膜厚 的影响 f i g . 3 一 1 0 e f f e c t o f e d l p o t e n t i a l o n mi n i m u m f i l m t h i c k n e s s 图 3 - 1 1给出了对应的三种载荷下摩擦系数随双电层电势的变化关 系。从图中可以看出，在载荷较大的情况下 ( w = 5 n / m ) ，即膜厚较薄时， 随着双电层电势的增加摩擦系数有较明显的增加。同样，当载荷较小 ( w = 0 . 5 n / m ) ，即膜厚较厚时，随着双电层电势的增加摩擦系数没有明 显 的增 加 。 第三章 数值分析计算 0 . 0 0 7 0 . 口 7 6 公0】 5 0 . 0 0落 魏 0 . 0 0 3 0 . 0 0 2 0 .0 0 1 . 一. 一. 一.一. 一.一. 一. 一 . 一 w二a5 一. 一w=1 一 一 w=5 - - - 一 - 书一. ， 一.- 一 .-一一 心- - 一 - 劝一. 一. - - 0 2 0 4 0 6 0 9 0 若/ mv 1