基于薄膜流变的润滑非平衡热力学理论与行为研究

微纳米系统与高精密仪器中薄膜润滑存在的典型问题- - 粘滑与润滑失效，已成为系统高精度与高可靠性的严重制约因素之一。然而，微纳米尺度的薄膜润滑体系跨越多种润滑物理机制与宏微观尺度，涉及动态工况参数、润滑剂薄膜流变、表界面物理化学吸附等耦合作用，其理论与模型尚远未成熟。本研究立足薄膜润滑剂的流变模型及界面效应的试验研究，建立统一的薄膜润滑系统的热力学模型与分析方法，采用热力学的熵增函数、焓变函数等耦合多种润滑物理机制、跨越宏观的系统参数与微观的润滑剂流变和结构变化，分析研究润滑系统的热力学非平衡定态特征以及特定工况下的自组织行为，进而揭示微纳米尺度薄膜润滑的粘滑与失效发生的机理、临界条件与控制技术。本研究将不仅为微纳米尺度薄膜润滑问题提供创新统一的模型与理论，还对高精密机械的防粘滑与润滑失效设计有迫切的现实应用价值。

摩擦润滑过程是典型的能量耗散过程，蕴含了多种影响因素的非线性耦合作用，因此可以利用非平衡热力学模型与方法进行分析，并对其状态变化作出可靠的解释与预测。本研究从热力学的观点出发，利用熵增分析的方法对润滑过程进行了分析与讨论，并采用差热分析仪(DSC)以及流变仪、润滑测试仪等，对润滑薄膜的界面效应、相变效应、润滑规律进行了试验研究。理论结合模型的结果较好地解释和预测了试验规律。研究从统一的热力学模型，揭示了润滑过程中流变、界面、工况、表面、外物理场等多因素耦合的机理，有重要的理论意义和实用价值。.采用DSC测试揭示了纳米尺度受限的液晶薄膜的相变温度变化以及近壁面处的有序排列系数，证明界面效应有效改变润滑状态；利用建立了剪切流场下计入剪切变形弹性能、界面锚定能以及外电场作用能等多物理场作用下的系统自由能表达式，结合热力学公式得出在耦合外场作用下液晶分子指向矢的平衡分布状态，以及有效粘度随电场以及剪切场的变化规律，与流变仪实测结果吻合良好。.采用德博拉数De，薄膜弛豫时间以及边界层滑移厚度等参数建立润滑薄膜的粘弹性流变模型，得到统一的润滑方程，揭示了润滑剂从流体动压润滑到边界润滑的流变转变特征和主导效应，分析了润滑薄膜区别于传统体相流变的两个重要参数，负滑移长度b和边界层的松弛时间 。前者表明了边界层界面相互作用，后者表明了粘弹性或薄膜的类固化（与德博拉数De有关）。这个统一的流变模型在较宽范围内描述了润滑状态从流体动压润滑经过薄膜润滑到边界润滑的转换及其典型规律。.采用热力学方法建立了润滑系统的熵增率的表达，进而建立了随着润滑膜厚变化的动态润滑行为的热力学模型。结合能量耗散模型，分析了掺杂了磨粒的流体润滑膜的自由能变化，推导得到了计入磨粒影响的混合润滑过程熵增方程。探讨了界面作用对润滑过程Stribeck曲线的变化规律的影响，结合分离压理论建立了简化的熵增分析模型，将润滑过程中受到的流体粘滞阻力等效为热耗散，分析了固液分界面处的熵增率变化和热力学稳定性。结果显示，Stribeck曲线的最低点与最小熵增点有着良好的对应关系，发现可以利用热力学系统的最小熵增点和临界失稳点来估计润滑过程的最小摩擦系数出现位置和薄膜润滑临界转化位置；从等效熵的角度分析计算了界面自由能造成的摩擦系数变化，计算结果与实验结果在Stribeck曲线的变化规律、最小摩擦系数出现位置等方面吻合度很高。从液