纳米润滑膜厚度测量仪

纳米润滑膜厚测试仪

郭丹清华大学摩擦学国家重点实验室1．摩擦学实验室简介；2．摩擦学的研究背景；纳米膜厚测量仪的项目研究背景；3．介绍纳米膜厚测量仪的研究过程；4．纳米膜厚测量仪的改进；5．纳米膜厚测量仪在科研中的作用；成果；7．参观仪器设备；课程内容实验室的基本情况

清华大学摩擦学国家重点实验室建于1988年，1991年通过了第一次评估。

实验室目前的使用面积为1500M2，目前有设备仪器314台套，设备仪器总资产约2000万元。

博士后10名左右，博士35名，硕士35名，共计80名。

固定人员62人，其中教授14名，副教授36名,在站博士后15

人。拥有中国科学院院士：温诗铸俄罗斯工程院外籍院士：陈大融俄罗斯自然科学院外籍院士：金元生长江学者特聘教授：雒建斌国家杰出青年基金获得者：雒建斌、孟永钢跨/新世纪人才基金获得者：雒建斌、路新春、何永勇1.人员实验室管理机构名誉主任：温诗铸院士主任：雒建斌教授副主任：孟永钢(常务)、陈恳、巩马理、季林红中心实验室（摩擦学研究所）所长：雒建斌副所长：邵天敏（常务）、孟永钢、褚福磊书记：汪家道秘书：路新春固定人员：中科院院士1人，俄罗斯工程院外籍院士1人，教授8人，副高9人，其它8人，共25人。微纳制造研究室主任：陈恳副主任：王立平、杨向东

固定人员：教授3人，副教授14人，共17人。智能与生物机械研究室主任：季林红副主任：阎绍泽、贾晓红

固定人员：教授1人，副教授9人，共10人。微纳光电子技术研究室主任：巩马理副主任：柳强

固定人员：教授2人，副教授3人，讲师4人，共9人。实验室学术委员会学术委员会名誉主任：谢友柏院士，上海交通大学学术委员会主任：钟掘院士，中南大学副主任：薛群基院士，中国科学院兰州化学物理研究所张嗣伟教授，石油大学委员：

陈大融教授清华大学，

葛世荣教授中国矿业大学

郭东明教授大连理工大学，郭万林教授南京航空航天大学

胡元中研究员清华大学，

黄平教授华南理工大学

雷源忠教授基金委员会，

李健高高工武汉材料保护所

李曙研究员中科院金属所，林忠钦教授上海交通大学

罗继伟高高工洛阳轴承所，

史铁林教授华中科技大学

孙立宁教授哈尔滨工业大学，严新平教授武汉理工大学

赵亚溥研究员中科院力学所，周仲荣教授西南交通大学秘书：路新春研究员，清华大学首席咨询专家： 熊有伦院士，华中科技大学徐滨士院士，装甲兵工程学院范守善院士，清华大学 特邀咨询专家：桂长林教授，合肥工业大学Jiang,Xiangqian,Professor,UniversityofHuddersfield,UK金元生教授，俄罗斯自然科学院外籍院士，清华大学DaisukeKonno,Dr.,ETT,Japan李诗卓研究员，中科院沈阳金属所Li,Yuzhuo,ProfessorofChemistry,ClarksonUniversity,USA刘家俊教授，清华大学PatrickWong,AssociateProfessor,CityUniversityofHongKong王成焘教授，上海交通大学赵源教授级高工，武汉材料保护研究所实验室专家委员会2.重点发展方向1)摩擦学理论与技术主要研究：摩擦学的基本理论、关键技术和应用。其中包括：薄膜润滑与分子膜润滑理论和技术；纳米摩擦学；摩擦控制；磨损机理与抗磨技术；自修复技术和电流变技术；转子--轴承系统动力学与故障诊断。2)表面与界面理论与技术主要研究：表面形态效应、高性能的耐磨、减摩涂层制备技术；超薄膜制备技术、超硬膜制备技术、复合薄膜技术。3)微纳制造理论与技术

主要研究：原子级光滑表面制备技术；微机械力学性能与失效机制；微型驱动器和执行器设计理论与制造技术。4)智能与生物机械设计理论和控制技术

主要研究：生物机械设计、生物信息检测；超精密机械系统误差分析及补偿技术；智能机械结构设计及其在精密机械中的应用；微机械性能分析与设计。5)微纳光电测试理论与技术

主要研究：微器件加工和测量技术。其中包括：激光测量技术、亚纳米光滑表面测量技术、微光电器件制造技术、高性能光学器件制备技术。2.重点发展方向1）学科简介－－摩擦学摩擦学Tribology来源于希腊字Tribos,含义为摩擦的科学(Thescienceofrubbing)1964~1966年之间，受英国政府资助，由H.P.Jost所主持的一个润滑工程工作组调查表明：全世界的能源有1/3~1/2消耗于摩擦和磨损方面。在1966年呈交的报告(著名的Jost报告)中，建议设立一个研究学科称为Tribology。中文译为摩擦学。摩擦学的来历3.本项目研究背景

摩擦学----研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。▲

摩擦--相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；▲

磨损--由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；▲

润滑--减轻摩擦和磨损所应采取的措施；研究背景

减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。机械产品的60%由于磨损超过限度而报废。研究背景

现代摩擦学发展的重要方向－薄膜润滑（膜厚：1nm~100nm)

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。（应用背景）什么是薄膜润滑？流体动力润滑(1886) 弹流润滑(1950s)？

边界润滑(1921)干摩擦(Coulomb,1785)问题:该区域是什么状态？润滑机理是什么?这个区域与弹流润滑和边界润滑是什么关系?研究背景研究背景Jost’s

问题(Tribology2000):

什么是薄膜润滑的定义?Granick’s问题

(Science,1991)这种超薄膜的有效粘度如何确定?当膜很薄时怎样从液态转变为固态?为什么这种固体膜能承受持续的滑动？1992年国际摩擦学大会重点讨论1993年国内摩擦学大会命名理论意义－整个润滑体系建立的关键实际意义－低速、重载、高温及采用低粘度润滑介质的机械及精密机械中。研究的关键是实现稳定的薄膜润滑状态并测量研究背景研究背景薄膜润滑实验Spikes’sgroup(UK)Luo’sgroup(SKLT,TU,China)Hartal’sgroup(Czechoslovakia)Israelachvili’sgroup(USA)Granick’sgroup(USA)

薄膜润滑计算Tichy,Thompson,Robbins,Hu,Popov,etal.研究背景

润滑膜厚度是衡量润滑性能和润滑状态的重要参数。常用测量方法：电容法（分辨率<0.1mm）电阻法（量化困难）

光干涉法（分辨率高）纳米膜厚测量仪研究纳米薄膜成膜机理及摩擦学特性。可大范围调速，以研究润滑状态的转变。测量精度高，与实际工况接近。研究背景

研究背景

1967，Gohar和Cameron首次应用光干涉法于润滑膜厚测量，分辨率100nm（不能小于1/4波长）1987，Spikes和Gao，Al2O3垫层法，分辨率10nm（斜垫层制作困难）1991年，Johnston，Wayte和Spike等，改进垫层设计，光谱分析技术，分辨率5nm（水平方向分辨率低100um）1992年，雒建斌、黄平和温诗铸，相对光强法，法向分辨率0.5nm,水平分辨率1.0um。

光干涉法测量润滑膜厚的基本原理利用反射光I和反射光II形成的干涉条纹，确定油膜厚度（传统光干涉法）。在同级的最亮条纹与最暗条纹之间，干涉光强是随光强差也就是润滑膜厚而变化的。因此，任一点的润滑膜厚取决于该点光强在最大光强和最小光强之间的相对位置以及无润滑油膜时的光强值。（相对光强法）测试原理相对光强原理研究过程立项1992年，国家自然科学基金，纳米级薄膜测量技术研究，申请者:黄平,项目参加者：雒建斌、郭炎，申请经费：5.2万元

研究目标

建成纳米级膜厚的光干涉测量装置。拟解决的关键问题

加工装置的精度；光谱分析、图象处理；微机处理；标定。创新

把薄膜测试提高到纳米级。研究过程技术路线、研究步骤、可行性分析、研究工作安排研究过程研究过程问题：1.光透反射过程的相位变化(除油膜厚度h引起光程差变化外，铬膜和钢球表面反射也引起二者相位差变化，需要考虑。）

解决办法：采用相对光强法，用无油膜时的光强标定。研究过程2.多光束干涉问题（由于金属的反射率比较高，因此存在多光束干涉的可能，将影响计算精度）

解决办法：降低二次反射光强，增强一次反射光强，计算光透反射光强，设计最优方案，镀增透膜（MgF）、反射膜（铬）。研究过程3.干扰与误差(光场不均匀，外界干扰）

解决办法：修正、相对位置研究过程测量系统设计方案光源、光路设计、CCD接收、图像采集机械装置设计方案如何实现稳定的薄膜润滑状态?（球盘系统、卷吸速度、润滑液粘度、加工精度）运动功能实现，驱动方式设计软硬件（支持所有功能）研究过程NGY－2型纳米级膜厚测量仪

镀有铬膜的玻璃盘A和钢球B之间为待测润滑膜。电机H1通过皮带带动传动轴J转动，从而实现球驱动。电机H2通过皮带轮驱动盘。千分尺G可带动支座D、C和钢球B沿径向移动和定位。砝码F对钢球和玻璃盘之间的油膜加载。显微镜K与三维工作台L可做三维运动。研究过程

实物照片NGY-2原理图研究过程垂直分辨率:0.5nm水平分辨率:1.5

m性能指标:(a)不同波长(b)不同折射率膜厚分辨率与光干涉强度的关系

研究过程接触区a-b-c-d的膜厚分布

研究过程研究过程技术关键：如何得到稳定的纳米润滑薄膜？球盘系统，降低卷吸速度，低速稳定电机，加工精度，钢球定位，柔性皮带传动、柔性轴连接、钢球浮动如何获得稳定、清晰的干涉图像？光源选择、光路设计如何得到准确的润滑膜厚度及形状？相对光强法改进NGY-3型改进了驱动系统和控制部分；（提高驱动精度、平稳性、电机自动控制）润滑油微量循环，可温控；增加了摩擦力测试系统；开发了Windows界面下的油膜测量程序；测量范围:0~500nm；垂直分辨率:0.5nm水平分辨率:1m；速度:0.2~1900mm/s摩擦力测量精度:0.1mN；温度范围:~120°C主要性能指标沈明武、张朝辉等NGY-3的不足盘驱动主轴运转精度低。润滑油温控难实现，有甩油漏油现象，不能进行水基润滑剂实验高速下不能测摩擦力。球驱动不好实现，只能模拟纯滚动状态。软件设计不合理。改进改进

盘主轴精度的提高实现方式：气浮精密转台@北京机床所精密机电有限公司指标：轴向跳动精度0.1m；测量转速回转精度：0.1m；转速可控。NGY-4型的设计(刘书海、马丽然、李刚等）改进测量系统油杯系统（水基实验）实现方式：不锈钢材料大容量油杯改进油温控制

油浴系统，SY2000型智能恒温油浴。油浴杯形式：改进改进加载方式改进其他

漏油、甩油问题钢球支承连接部分外观机械结构强度计算软件

……改进NGY-4

改进改进

球驱动主轴采用电主轴转速：0.1-16000rpm，速度可精确控制，可用计算机控制，角度位置可精确控制（数字编码器）。轴向跳动<1µm；径向跳动<1µm摩擦力测量加装高精度旋转扭矩仪转速10000转；精度千分之二；测量范围1NM；改进(NGY-5）改进1.加载方式采用直线步进电机加压力传感器的方式。2.加热方式改为电加热方式，采用热电偶测温，可控硅控温的方式。3.球驱动电机和盘驱动电机可以实现任意转速比的运转。4.所有功能在计算机上操作和控制。软件与硬件的联合调试－费时费力需反复试验！！！改进软件界面照片（NGY－5）应用膜厚随速度及粘度的变化应用Filmthicknessinthecentralcross-sectio