纳米润滑膜厚度测量仪

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
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。
膜厚分辨率与光干涉强度的关系
研究过程
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-40
-30 -2
0-1 0 Y
0 1 0 μ m 20 30 40
30 20 0 0 1 m 口 μ 10 > 出 20- x —— -30 口 入
接触区 a-b-c-d的膜厚分布
膜厚 nm
1. 人 员
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
实验室管理机构

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？
研究背景
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。

薄膜润滑计算 – Tichy, Thompson, Robbins, Hu, Popov, et al.
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<0.1m m） 电阻法（量化困难）
光干涉法（分辨率高）
研究背景
纳米膜厚测量仪

研究纳米薄膜成膜机 理及摩擦学特性。
性能指标:
垂直分辨率: 0.5 nm 水平分辨率: 1.5 m
NGY-2原理图
研究过程
1.0 1.0
Resolution of film thoickness /nm
Resolution of film thoickness /nm
0.8
=700 nm =600 nm =450 nm
0.8
实验室专家委员会
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, University of Huddersfield, UK 金元生 教授，俄罗斯自然科学院外籍院士，清华大学 Daisuke Konno, Dr., ETT, Japan 李诗卓 研究员， 中科院沈阳金属所 Li, Yuzhuo, Professor of Chemistry, Clarkson University, USA 刘家俊 教授，清华大学 Patrick Wong, Associate Professor, City University of Hong Kong 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
研究的关键是实现稳定的薄膜润滑状态并测量
研究背景

薄膜润滑实验 – Spikes’s group (UK) – Luo’s group (hoslovakia) – Israelachvili’s group (USA) – Granick’s group (USA)
研究过程
技术关键：
1
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 2 3 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
1. 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）
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
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
课程内容
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； 6. 成果； 7．参观仪器设备；
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1500 M2，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。
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
润滑液粘度、加工精度）
如何实现稳定的薄膜润滑状态?（球盘系统、卷吸速度、
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
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
世界上使用的能源大约有 1/3~1/2 消耗于摩擦。
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
研究过程
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）
研究背景
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
Jost’s 问题 (Tribology 2000):
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。
摩擦学的来历
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 (The science of rubbing) 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。
n=1.5 n=1.47 n=1.4
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0.0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Optical intensity
Optical intensity
(a) 不同波长
(b) 不同折射率
机械产品的60%由于磨损超过限度而报废。
减少摩擦 减少磨损 节省能源； 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。
研究背景
现代摩擦学发展的重要方向－薄膜润滑 （膜厚：1 nm~100 nm)
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）
测试原理
相对光强原理
h [arccos( I ) ] 4n 2 I I max I min I I max I min