中文摘要：

针对"球形纳米粒子气膜的润滑原理"这一科学问题，围绕球形纳米粒子对气膜承载能力的增强效应、球形纳米粒子滚滑运动支撑下的接触表面润滑机制和纳米粒子尺寸效应对气膜润滑特性的影响等三项内容开展实验与理论研究。选用二氧化硅球形纳米粒子，通过改变粒子直径、浓度和气体压力、流量，研究各参数对气体主导润滑条件下纳米粒子气膜承载能力的影响机理；采用扫描电镜和表面形貌测试仪对磨损表面进行表征与分析，结合有限元多体接触力学分析，研究粒子润滑主导下球形纳米粒子气膜润滑原理；通过分析纳米粒子在界面的团聚状态和吸附量，研究气体粒子耦合作用下纳米粒子气膜润滑原理。研究成果将阐明气体润滑主导条件下球形纳米粒子对气膜的增强效应；澄清接触状态下球形纳米粒子的运动状态及润滑机理；提出球形纳米粒子气膜在新型轴承设计中的应用方法。该研究对拓展纳米摩擦学领域，探究球形纳米粒子气膜润滑理论及其在各种极端工况环境的应用具有重要意义。

结论摘要：

“球形纳米粒子气膜的润滑原理研究”围绕球形纳米粒子对气膜承载能力的增强效应、球形纳米粒子滚滑运动支撑下的接触表面润滑机制和纳米粒子尺寸效应引起的吸附和团聚对气膜润滑特性的影响等三项内容开展实验与理论研究。针对气体润滑主导条件下纳米粒子对气膜的增强效应研究，利用自行设计的球形纳米粒子气膜静压润滑实验系统，对气膜压力和膜厚变化的进行实时检测，实现了厚度在20-60 μm 范围内气膜的压力和承载能力测试。加入微量纳米粒子（0.01%）即可使得承载能力升高。随着纳米粒子体积分数升高，气膜承载能力逐渐升高，但是升高幅度逐渐变小。纳米粒子体积分数为0.04%时，承载能力的增加幅度最大（约为20%）。随着纳米粒子体积分数升高，气膜内压力升高，与承载能力变化趋势相同。研究发现，气膜承载能力的改变是由于流体粘度和流量的变化而产生的。提出纳米粒子气膜的设计判据——压力系数。针对接触状态下球形纳米粒子的润滑特性及机理研究，利用自行设计的球形纳米粒子气膜接触碰摩实验装置研究发现纳米粒子在接触的过渡阶段可以延长响应迟滞时间，在接触阶段可以降低摩擦系数和表面粗糙度，从而降低接触损伤，保护轴承工作表面。得到纳米粒子气膜降低碰摩摩擦系数的最佳浓度约为60 g/m3。200次连续碰磨实验发现两表面间摩擦系数维持在较低水平，同时表面粗糙度变化不大。纳米粒子气膜在轴承工作表面形成了一层易剪切的不连续保护膜，最大限度的避免金属与金属面间的直接接触，从而降低了摩擦系数，保护了工作表面。针对球形纳米粒子吸附和团聚对其摩擦特性的影响机理，当纳米粒子气膜浓度增加，其粘度较大，气路中纳米粒子气膜耗尽需要的时间更长，从而响应迟滞时间更长。低于最佳浓度时，接触表面保护膜随浓度增加而增加，因此摩擦系数逐渐降低；大于最佳浓度后，保护膜易破裂，剥落的纳米粒子团作为第三体即磨粒在两表面运动，增大了滑动阻力，从而导致摩擦系数上升。本项目研究成果阐明了纳米粒子气膜承载能力的增强效应；澄清了纳米粒子对轴承表面的保护作用机理；提出纳米粒子气膜在新型轴承设计中的应用方法。该研究对拓展纳米粒子气膜的应用，探究纳米粒子气膜润滑理论具有重要的科学和工程意义。在本项目资助下，已正式发表SCI收录论文12篇，期刊论文2篇；已授权发明专利2项；在国际大会上已发表论文5篇。培养博士毕业生2名，硕士毕业生4名。