大学课件之摩擦学-边界和分子膜润滑

一、边界润滑边界润滑定义物理吸附与化学吸附边界润滑模型1.边界润滑定义

由于润滑分子与固体表面的相互作用而形成一层具有润滑作用的界面膜在摩擦过程起主要润滑作用，该种润滑状态叫边界润滑。采用不具有流体效应的表面膜进行润滑的工况叫边界润滑。表面吸附膜或反应膜进行润滑的工况叫边界润滑。2.物理吸附与化学吸附物理吸附：当固体表面依靠范德华（Vander

Waals）力与介质中的液体或气体分子相结合而形成定向排列的吸附层，这种吸附称为物理吸附。

特点：

吸附分子与固体表面间不发生电子交换；

物理吸附是可逆的。固体表面与液体求气体中的吸附分子间的结合键具有电子交换，此种吸附称为化学吸附。如极性分子与金属表面形成金属皂，CnH2n+1COOM 金属2.物理吸附与化学吸附化学吸附:特点：化学吸附是不可逆的。3.边界润滑模型自1922年Hardy提出边界润滑的概念以来边界润滑理论已有了较大的发展；先后出现了Bowden模型、Adamson模型、Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模型、混合模型等；最近已发展到分子行为和分子膜润滑研究，并有重要应用价值。3.1Hardy模型－1922年Hardy，1864－1934，是生命学家，毕业于剑桥，是英国皇家学会生物方面的秘书，在研究胶体稳定性和行为时，发现有一层极性吸附膜。给出了边界润滑的基本概念及吸附方式。提出了单分子层吸附膜的重要性。可以解释边界条件下摩擦系数仍比较小以及摩擦系数与粘度关系不大等现象。特点：3.1Hardy模型存在的问题是：未能考虑摩擦副的真实接触状态。2.有许多现象不能解释：小载荷时摩擦系数随载荷的增加而降低；在正常的边界润滑条件下，仍存在金属的接触。3.2Bowden模型－1950年Bowden(1903－1965)，6个孩子中排行为第五，14岁时母亲去世，主要靠父亲培养，他的学习成绩比较差，以至于高考未中，后来在私人教师的培养下，考上澳大利亚的大学，然后又到剑桥读硕士，主要研究电化学和物理化学。1931年开始摩擦学研究（接触问题），其主要贡献是对Hardy模型的发展，与Tabor将一起，将Hardy的思想与Holm的真实接触概念相结合，提出了Bowden模型、摩擦粘着机理等。后来转入PTFE和滑雪研究，组建了建桥大学摩擦研究小组。

3.2Bowden模型－1950年F＝A[αSm+(1-α)Sf]A―表观接触面积；

Sm－金属剪切强度；

Sf―润滑膜剪切强度；

α―金属的接触率；

F―摩擦力。特点：提出了润滑膜不连续的概念；提出了摩擦力二项式，该式一直延用至今；符合放射性示踪法的测试结果，解释了Hardy模型不能解释的问题：①存在金属接触；②压力增加 接触处趋于变形 所需剪切能摩擦系数没有考虑动态效应，只是静态模型。存在问题：未能给出金属接触面积与负荷的关系，即没有考虑压力效应。不能解释电导现象。即小负荷时，电导很小，电阻很大。但负荷加大，摩擦系数处于边界润滑范围，即远小于干接触的摩擦系数，但是电导却升到大致和非润滑表面一样，电阻很小。因此，出现了相互矛盾的结果。3.2Bowden模型－1950年3.3Adamson模型－1960年认为只有在小负荷时，Bowden模型才能成立。在正常压力下，金属接触区几乎不变化，金属的表面变形不足以将润滑膜挤走。但却足以使其有些压缩，即施加机械压力于膜上。Adamson在Bowden模型的基础上，考虑了压力的影响，给出了润滑膜的加压模型。在压力作用下，液体的逃逸趋势和蒸气压的增加，使一部分长链分子平躺着。3.3Adamson模型特点：考虑了机械压力的作用；可以解释电导与摩擦系数矛盾的现象。载荷间隙分子平躺：①减摩擦作用存在，②电击穿，电导率上升；提出了凝聚态边界膜润滑效果的原因。

存在问题：没有考虑吸附分子与基体的作用力大小。没有考虑吸附分子的动态效应；3.4Kingsbury模型－1958年1958年，Kingsbury[另一个Kingsbury(1863-1993)研究轴承]针对Bowden模型的缺点，提出了新的动态模型。将Bowden模型中的α定义为膜的破裂率：

α＝（Ns-N）/Ns其中：Ns－固体表面可以吸附的分子总数；N－实际摩擦过程中吸附于表面的分子数量；α－润滑膜的破裂率。vz3.4Kingsbury模型认为吸附分子在固体表面上是停留、脱离的动态平衡过程。若粗糙峰以速度v

移动一个分子间距z的时间为tz，吸附分子在固体表面的停留时间为tr，则有：

α＝1－exp(-tz/tr)tz＝Z/vv∞，tz

0,α0

速度很大，表面分子未逃逸就滑过去了。v

0，tz

∞，α1

速度很低时，分子一旦离开，粗糙峰与基体的接触就不会再分开。3.4Kingsbury模型其中：E为吸附热；R为气体常数；T为绝对温度；t0为与表面方向垂直的振动周期。当：tz>>tr时，α

1

运动速度很慢或分子在表面停留 时间很短(如高温、分子活性大).Tz<<tr时，α

0

运动速度很快，分子在表面停留 时间不长。3.4Kingsbury模型存在问题：没有考虑压力对润滑分子的影响;没有考虑吸附分子排列方式的影响;没有考虑结构影响，如分子长链、大小等。特点：将吸附分子行为作为摩擦本质来理解。综合考虑了吸附能、温度、滑动表面相对运动速度的影响。引入了分子吸附与解吸的动态平衡概念。3.5Cameron模型

英国三大家：建桥：Bowden,Tabor,Jonhsm,结合（固体润滑）流变特性；理国理工：Cameron,Spikes,EHL测试；Leads,Dowson,Talyer

计算。1960年，Cameron根据分子统计规律，认为摩擦副表面间的摩擦力主要由分子间的范德华引力造成，由此推导出引力能。3.5Cameron模型该式属于Kirkwood-Muler色散力形式。根据吸附分子粘着在金属表面上所具有的位能E1与移动后新的平衡状态的位能E2之差等于摩擦力所做的功，从而计算出摩擦力。其中：m－电子质量；C－光速；α－极化常数；X－抗磁系数；R－X射线散射中心的距离；Φ－引力能。3.5Cameron模型特点：首次给出了边界润滑摩擦力的微观解析解。从能量和统计角度来处理摩擦力问题。存在问题：认为吸附分子是与其粘着的表面发生错动，这在正常工况条件下是不正确的。因为一般表面与吸附分子极性基之间的吸引力大于润滑剂分子间的引力，故摩擦发生在吸附层之间。于是，摩擦力的计算就有较大的误差。没有考虑分子处于动态平衡过程，忽略了速度、温度的影响。对于长链分子规则排列的情况，范德华引力计算式应作修正。许多情况下，吸附膜属于极性分子在金属表面发生了化学吸附，即存在电子交换，于是用色散力来描述就不确切。3.6Cobblestone模型－1988年

Cobblestone(鹅卵石)模型是1988年由Homala和Israelachvili提出。3.6Cobblestone模型－1988年Israelachvili与Talyer一起，于1973年研制出表面力仪，已成为当今研究几个分子层的最有效仪器。认为两表面被单分子层隔开时表面是粗糙不平的，分子就象鹅卵石一样起滚动作用。于是鹅卵石半径大时（图a,b对照）表面相对而言就显得平坦，摩擦力就小。这样就形象地解释了许多文献中提出的润滑效果与分子链长度相关的问题。特点：提出了单分子层润滑模型，并解释了大分子润滑效果好的原因。将分子大小与表面粗糙度联系起来，是前人未做过的工作。存在问题：该模型只适合于高精度表面间的小分子、非极性分子或环状分子。只能定性说明问题，不以进行量的分析。3.6Cobblestone模型－1988年3.7混合模型HardymodelofboundarylubricationThinfilmlubricationFluidmoleculesOrderedmoleculesAdsorbedmolecules二、分子膜润滑LB膜自组装单分子膜分子膜在计算机磁头上的应用磁盘盘片表面分子膜1.LB分子膜Langmuir-Blodgettfilm基体分别用CHCl3、酒精、丙酮依次超声清洗10分钟，除有机杂质。在体积比5:1:1的水、37%HCl和H2O2溶液中（80℃），浸泡5分钟除氧化层；在体积比6:1:1的水、氨水和H2O2溶液中，80℃，浸泡5分钟羟基化；用去离子水冲洗，热风吹干，放入干燥器。OTS溶于8%CHCl3+12%CCl4+80%n-hexadecane的溶液中，浓度为10mmol/l。基体在溶液中浸泡5分钟，取出，用CHCl3洗去多余的附着物。膜做成后，从溶液中取出时，用CHCl3清洗时。将一滴去离子水（约0.5l）滴在表面，对于刚刚清洗完的硅片或玻璃片，液滴一接触表面马上就平铺开，呈现出很强的亲水性；在做了OTS膜以后，液滴转移到表面时仍保持球形，呈很强的疏水性，验证了表面是甲基端头。2.自组装分子膜2.自组装分子膜十八烷基三氯硅烷Octadecyltrichlorosilane,简称OTS，分子式C18H37SiCl3

OTS(Octadecyltrichlorosilane)OTS在硅片表面的成膜Fig.3TribologicalcharacteristicsofMicasurfaceRelativehumid:5%,Temperature:21℃,(a)Positioneffect(onetipfortendifferentpositions)(b)Tips’effect(tentipsforthesamesurface)(a)(b)AFM测量分子膜钱林茂

AtypicalbluntingprocessofanewSi3N4tipviafrictionscansonmica(Relativehumidity:5%）钱林茂AFM测量分子膜粘着力随湿度的变化曲线(温度：21℃)AFM测量分子膜钱林茂自组装分子膜实验研究摩擦系数随湿度变化的趋势使用玻璃测头；温度：20℃；载荷：5mN；速度：0.2mm/s蒋玮（a）载荷130mN，最大压强200MPa;线速0.3mm/s（b）载荷658mN，最大压强355MPa；线速0.4mm/s耐磨试验使用钢测头；温度：20℃；湿度：35%自组装分子膜实验研究蒋玮3.分子膜在计算机磁头上的应用硬盘存储密度：MB,GB100GB/in21000GB/in2飞行高度：50nm20nm10nm3-5nm?表面保护膜：10nm5nm3nm1-2nm?保护膜功能：防吸附、防磨损、防腐蚀、润滑技术和科学问题：表面润滑分子膜的制备、迁移特性纳米薄膜的生长机理、界面力学特性和均匀生长技术AWA防浸润涂层X-1P分子薄膜高结合力的自组装分子膜3.1分子膜润滑在磁头表面应用1)AWA防浸润涂层思路：空气中污染分子吸附问题；

减小摩擦力； 防腐蚀FC-722--fluoro-polymersolution(C12H7F15O2)m

PFAM分子与DLC表面相互作用示意图。

杨明处1)AWA防浸润涂层－分子膜表征膜厚测量和分子膜化学结构分析：PHIQuantum2000X射线光电子能谱仪(XPS)和二次离子飞行时间质谱仪(ToF-SIMS)表面形貌：DID-3000原子力显微镜（AFM）接触角：VCA2500XE可视接触角测量仪

TOF-SIMS1)AWA防浸润涂层－接触角一次起停过程摩擦力测量结果WithAWA(No.1)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)WithAWA(No.2)WithAWA(No.1)WithAWA(No.2)WithoutAWA(No.1)WithoutAWA(No.2)起停实验摩擦力测量结果实验前后膜厚变化CFnumberonABSsurfacebeforeandafterCSStest有无AWA膜的表面对比NormalsliderAWAsliderContamination:S(sulphur),Cl(chlorine),etc.小结优点：结果表明AWA分子膜具有很好的耐润湿性能；缺点：PFAM分子膜与DLC间的氢键作用力较弱，不能抵抗溶液清洗而发生解吸附；对于超薄DLC膜，防腐蚀效果不好。

2)X-1P分子薄膜PFPE:lubeonthediskAl2o3:

slidermaterialX-1P:onABS杨明处热重分仪析实验

(TGA)LubeLube+sliderLube+x-1pLube+slider+x-1p2)X-1P分子薄膜－防腐性能2)X-1P分子薄膜－接触角(a)Filmthickness=0(b)Filmthickness=1.23nm(c)Filmthickness=1.35nm (d)Filmthickness=1.83nm

2)X-1P分子薄膜－起停实验(e)Filmthickness=2.53nmCSSwithnumberof200002)X-1P分子薄膜－起停实验WithoutX-1PfilmCSS实验后磁头表面(a)Headsurface (b)Disksurface磁头表面X-1P薄膜(<1.5nm)CSS实验后磁头、磁盘表面－薄膜(a)Headsurfaceofsampleone(b)Headsurfaceofsampletwo

(c)Disksurfaceofsampleone(d)Disksurfaceofsampletwo磁头表面X-1P薄膜(>2nm)CSS实验后磁头、磁盘表面－厚膜3)高结合力的自组装分子膜研究思路：增强结合力，填补微空，防腐蚀。胡晓莉1H,1H,2H,2H-全氟葵烷基三乙氧基硅烷CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH2CH3)3（简称FTE）3)高结合力的自组装分子膜－形貌3)自组装分子膜－生长过程和规律(a)DLC表面,(b)1.5h，(c)12h，(d)24h，(e)36h，(f)48h3)自组装分子膜－膜厚和接触角反应时间36h时膜厚和接触角值达到饱和，分别为1.2nm和110.5º清洗对FTE自组装膜膜厚和接触角值的影响3)高结合力自组装分子膜－抗清洗性能3)高结合力自组装分子膜－摩擦学性