液晶润滑的研究

液晶润滑的研究报告人郑建华导师马小军2004-04-12主要内容液晶定义及分类润滑的分类液晶润滑的摩擦学原理液晶用作润滑的研究液晶用作润滑添加剂的研究液晶的定义液晶的发现：1888年，奥地利－－植物学家莱尼采尔加热胆固醇晶体时发现。液晶（Liquidcrystal)：介于各向异性晶体和各向同性液体之间的有序流体，又称介晶相(mesophase)。液晶即具有流体的流动性和连续性，又具有晶体分子排列的取向有序性和光学各向异性。液晶的分类按形成的条件分：1）溶致液晶：是纯物质或混合物的各向异性浓溶液，只在一定浓度范围内形成。液晶的分类2）热致液晶：在一定温度范围内表现晶体特性。根据分子的排列形态分：近晶型，向列型，胆甾型，柱状型润滑的分类流体动力润滑：磨擦面之间依负荷（轴承间隙）及表面光洁度不同，导入厚度约0.0001-0.1mm的连续润滑油膜支撑负荷，摩擦转变成润滑油膜的内摩擦。边界润滑：不符合牛顿流体力学定律的极薄或不连续膜，也就是有微小局部金属摩擦面接触的润滑状态。混合润滑：边界润滑和流体润滑之间的一种过渡状态。弹性流体润滑：利用流体受到高压时,流体的物理特性及形态发生变化的特性来分隔高压下的摩擦副,从而达到润滑的目的.流体在高压下会从流体的形态转变成固体的形态。但当压力去掉后，就会恢复到原来的形态。液晶用于润滑的摩擦学原理液晶润滑的发现：1981年Barchan通过对关节滑液、鱼鳞的粘液、血液以及涂在金属表面的液晶混合物研究中发现，这些物质处于液晶态时，均有很好的润滑性能，而在清亮点以上失去了润滑效果。目前研究发现，液晶不同于通常的牛顿流体，其润滑性能要比基础油好，而且摩擦系数对速率的依靠很小，在低速率、高载荷的条件下可获得流体润滑。1-7为常用合成润滑油，LC1、LC2为两种不同的液晶Moris,IwataH.Tribol.Int.29,35-39液晶同合成润滑油的润滑性能比较00.020.040.060.080.11234567LC1LC2摩擦系数液晶用于润滑的摩擦学原理液晶用于润滑的摩擦学原理液晶满足润滑的两个条件1）高承载能力：在垂直于表面的方向，液体分子的长程取向使呈现出固体的抗压性能，阻止摩擦表面的直接接触。2）低减切阻力：在滑动减切方向，液晶在高剪切速率下，能呈现出低粘度的液体流动性，获得低的剪切阻力。液晶用于润滑的其他特点不但液晶具有长程一维或二维有序，而且这种有序还是可以控制的。通过外加条件可以使液晶分子沿一个最佳方向取向，在固体表面上或表面附近的不同排列状态，从而获得最佳的摩擦效果。液晶分子在固体表面或附近的不同排列状态液晶用于润滑的摩擦学原理溶致液晶的润滑研究最初发现的溶致液晶相是一些链分子与水的缔合体系，用于润滑时会带来金属表面的腐蚀问题。一些物质在有机溶剂中也可以形成液晶相：例如卵磷脂在乙二醇中可以形成液晶相。Friberg等人研究三乙基油酸铵盐/极性溶剂形成液晶的润滑行为，在弹流润滑条件下，液晶的缔合结构对润滑性能无太大影响,在溶剂层中加入添加剂可以提高润滑薄膜的载荷能力。（LockwoodFE,BenchaitaMT,FribergSE.ASLETrans.30:539-548)溶致液晶的润滑研究Kumar等人用非离子表面活性剂/异丁醇/NaCl/H2O的混合体系研究了液晶相结构对润滑的性能影响。由于较强的亲和力作用，层状的液晶在金属表面平行取向形成保护膜，对减摩、抗损效果比球状颗粒要好。（Kumark,ShahDO,inTribologyandtheLiquid-CrystallineState.441：91-100)两个结构方面的原因决定了溶致层状相的润滑行为：液晶分子的长程有序排列比一般流体有更高的载荷能力；此外，表面活性剂的链端一般接有甲基，甲基组成的尾巴取向无序，而剪切发生在局部无序的甲基层内，获得较低的摩擦阻力。（Adv.ColloidInterfaceSci.41：45-56）FribergSE，Ma.Z等人证实了摩擦系数与溶剂厚以及链烃的厚度没有直接关系，剪切确实发生在取向无序的甲基层（Adv.ColloidInterfaceSci.41：45-56）热致液晶的润滑研究热致液晶的结构热致液晶的润滑研究1化学结构对润滑性能的影响Mori等人的研究表明了当刚性部分为联苯时，形成平面结构，在受到剪切时，平面结构有利于分子的有序排列，形成利于润滑的剪切平面。当环氧基代替其中的一个苯环时，摩擦系数由0.035上升到0.045。（Mori.S，TribolInt.29：35-39）对静态和剪切条件下的液晶润滑膜的红外发射光谱比较：含有密集芳环的碟状液晶在剪切条件小下与静态时的红外光谱有很大的差别，而只含有一个苯环的线型分子在静态和剪切时红外光谱没有差别。（LauerJL,Ahn，FischerTEinTribologyandtheLiquid－CrystallineState）热致液晶的润滑研究2温度和液晶相结构对润滑性能的影响温度高于清亮点后，液晶有各向异性向各向同性相转变，有序变为无序。摩擦系数虽有增大，但较普通润滑油的摩擦系数要低。（Coard.InTribologyandtheLiquid-CrystallineState.441,1-48)液晶相结构几乎不影响液晶的摩擦性能。向列液晶在500h之后的的摩擦系数µ＝0.034，而成为胆甾相时µ＝0.03（Mori.S，TribolInt.29：35-39;BermudezMD，MartinezNG，Wear.212，188-194）热致液晶的润滑研究3表面处理的影响当轴等固体表面用棕榈酸、十八烷基胺、卵磷脂等处理摩擦系数要比没处理的的要低，如下表表面处理对摩擦系数的影响液晶未处理（平行取向）处理后（垂直取向）ALN51µ0=0.096;µ500=0.081µ0=0.09;µ500=0.0511275µ0=0.105;µ500=0.083µ0=0.099;µ500=0.048ALV1µ0=0.072;µ500=0.054µ0=0.056;µ500=0.030µ0为刚开始的摩擦系数µ500为500小时后的摩擦系数溶致液晶与热致液晶的比较溶致液晶：优点：溶致液晶有更多的结构修饰方法，可以加各种添加剂来改善起性能。缺点：由于溶剂的挥发与腐蚀问题，使用范围上受到限制。热致液晶：优点：可以克服溶致液晶溶剂挥发的缺点。缺点：液晶存在（或形成液晶)温度范围太窄,在几十度之内，应用范围受到限制。而几种液晶混合物的温度范围可以拓宽，甚至超过100℃，低温也扩展到30℃左右。液晶润滑添加剂的研究卢颂峰等将苯甲酸衍生物（向列型液晶）作为普通润滑剂的添加剂，系统研究了液晶添加剂的润滑作用，发现其有减摩擦、抗磨损、防爬行作用（Falex机上实验）(SealingandLubrication(1):25-28)Bermudez等将14种向列或近晶型液晶（主要为偶氮苯类化合物）用作基础油的添加剂。研究了2种不同基础油和添加1％这些液晶后的摩擦稀疏降低的情况，如下图：(BermudezMD,MartinezNG,Carrion-VilchesFJ.Wear.212:188-194)偶氮苯类添加剂对基础油润滑性能影响液晶添加剂对润滑性能的改善情况00.0050.010.0150.020.0250.030.035123456789101112131415摩擦系数系列1系列2系列1、2为不同类型的基础油，序号1-14为添加14种不同液晶后的摩擦系数；序号15代表基础油未添加液晶时的情况液晶润滑添加剂的研究液晶润滑添加剂的研究液晶添加剂的减摩原理液晶分子倾向于与固体表面发生作用，在一些情况下是一种强相互作用液晶分子在静态时不吸附，而在动态时吸附液晶分子呈“宾主”效应，使润滑剂分子沿液晶分子的长轴排列，导致固体表面形成润滑剂的中介态，摩擦力减小液晶分子会沿着摩擦表面积小的沟槽纵向取向，从而改善润滑剂的润滑性能。如同生物关节的骨滑液中胆甾醇液晶分子以长轴沿软骨表面的沟槽排列一样