摩擦學(xué)學(xué)報硬盤潤滑劑性能及其對磁記錄系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響研究進展張會臣雒建域21.大連海事大學(xué)材料工藝研究所，遼寧大連，26；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京100084合機理分散特性降解機理摩擦磨損特性及添加劑的作用，同時分析了潤滑劑對磁記錄硬盤動力學(xué)特性的影響，并就硬盤潤滑技術(shù)的研宄和發(fā)展方向提出了建議。

　　隨著磁記錄密度的不斷提高，對磁頭磁盤界而特性的要求越來越苛刻1目前硬盤的儲存密度己達到80，12，磁頭和磁盤間的距離，即飛行高度大約為8腿。人們正在探討實現(xiàn)1幾心的磁記錄密度，寸應(yīng)的飛行高度約為3時所面臨的問，如磁頭磁盤間的碰撞46磁頭磁盤面的潤滑和改為了保護磁記錄介質(zhì)，磁盤面需要同時滿足低摩擦低磨損和良好的抗腐蝕性等要求，為此必須在硬質(zhì)基底上覆蓋軟質(zhì)膜及具有足夠強度的保護膜。磁盤面大多采用類金剛石碳膜和各種潤滑膜組成復(fù)合面保護膜。此外，利用具有各種特殊性質(zhì)的潤滑膜還可以控制硬盤面的物理化學(xué)性質(zhì)，從而在保證硬盤系統(tǒng)具有良好摩擦學(xué)特性的同時，保證其具有良好的動力學(xué)特性。

　　物理化7性質(zhì)進行綜述，闡述潤滑脫的作機，及其對磁記錄硬盤動力學(xué)特性的影響，并就硬盤潤滑技術(shù)的研究和發(fā)展進行了展望。

　　1常用硬盤潤滑劑的分子結(jié)構(gòu)全氟聚醚是應(yīng)用最廣泛的硬盤潤滑劑，根據(jù)所用單體和聚合方法的不同，可以制備多種不同分子結(jié)構(gòu)的1潤滑劑。庚列出了兒種典吧，1潤滑劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.

　　直鏈，廠，的分子鏈柔軟粘度較低；而含有大量側(cè)鏈的1嚇的粘度較高。與此同時，幾有柔軟主鏈結(jié)構(gòu)的，廠，潤滑劑的粘溫系數(shù)和粘壓系數(shù)均很小，而具有人量側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的1卞1潤滑劑的粘；系數(shù)和粘壓系數(shù)較大。

　　除了全氟聚醚潤滑劑外1！等13報道氟化聚介物；膜亦可以用作磁盤潤滑膜，這種13膜的熱穩(wěn)定性較高，當(dāng)厚度達到3層以上時具有良好的潤滑性能。此外，采用浸涂方法可以制得不同厚度的潤滑膜；而為了保證潤滑膜的均勻性并避免磁盤液界面出現(xiàn)液體對流現(xiàn)象。不宜采叫過快的提拉違度。研，農(nóng)明就超薄潤滑膜的摩撩磨損行心而，起主導(dǎo)作用的是吸附和擴散機理，而不是粘性流動。

　　2磁記錄硬盤用潤滑劑的性質(zhì)2.1物理性質(zhì)在磁記錄硬盤使用期間，要求硬盤面覆蓋潤滑膜，因此潤滑膜的耐久性對保證硬盤的正常運行和提高仲用奪命幾有屯要意義，潤滑膜的耐久件以物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。為了避免或減小潤滑劑的蒸發(fā)消耗，應(yīng)保證潤滑劑的蒸氣壓盡可能低嚇在室溫下的蒸氣壓為107，10可以滿足上述要求。此外，當(dāng)磁盤以54001000，1.1的高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，潤滑劑向磁盤邊緣移動，磁盤基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目50275015.

　　作，櫨族崔，掩紀脎1愚妙心挪1.

　　內(nèi)部的潤滑膜厚度趨于減??；而磁盤靜止時因潤濕性增強也會出現(xiàn)遷移，潤滑劑的粘度越高遷移速度越慢。因此，潤滑劑必須在面具有良好的保持性。然而，中鍵同基底面的相作用較弱，即其在磁盤面的吸附作用較弱，因此，通常必須在潤滑劑分子中引入同基底面具有較強相互作用的官能團15.

　　當(dāng)磁頭與磁盤面接觸時，潤滑劑因摩擦而被擠出；而附近的潤滑劑分子可以遷移至發(fā)生磨損破壞的部位并對其進1內(nèi)修復(fù)。潤滑劑分子的遷移速度同分子量和分子鏈末端官能團密切相關(guān)；而增大濕度亦有利于加速分子的遷移。由此可知。硬盤潤泔劑的自修復(fù)和自保持相互矛盾；在實際應(yīng)用中有必要進行適當(dāng)2.2化學(xué)性質(zhì)潤滑劑在儲存和使用過程中可因發(fā)生化學(xué)分解而損失。同物理過程不同，這種化學(xué)分解過程不可逆，并對潤滑劑的耐久件產(chǎn)生增要影響。押，潤泔劑具有較好的熱穩(wěn)定性。燉熱分解溫度約為350 1這取決于燉分1結(jié)構(gòu)。迎常。潤滑劑分子中氧含姑越大。則其熱分解溫度越低。此外。某些固體面對，潤泔劑的分解具，催化作用。例如。金屬氧化物。2，和1成氟化物以加速，14干。的分解。鑒于計算機磁頭材料大多為12閃此。減緩其同嚇，潤滑劑之間的化學(xué)反應(yīng)是硬盤研究的迅要方向之171.

　　根據(jù)對潤滑劑物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的要求，可以設(shè)計具有+同分子結(jié)構(gòu)的潤沿膜。以滿足定的環(huán)境條件材料要求和接觸條件161.

　　當(dāng)，末端經(jīng)基中的個氫原子轉(zhuǎn)移到溉射碳膜微粒的鍵中時。41.分子的另部分作為烷奴為了提高磁盤的耐蝕性能和耐磨性能，人們不斷坫，碳膜相聯(lián)從而形成0七扣，4巧研制出人咕新型保擴材料，其中最具代性的保護KyH，HCF24KK2CH2HcarbmWJ.層材料包括濺射1晶碳膜斤氫碳膜含氮碳膜和離而含氫碳而存在大量含氧基團。岜括0子翁，徵倪1峽，娜哪，13潤滑劑的潤滑機理3.1潤滑劑分子與基底的鍵合000羧基0羥基及不成對電子空鍵。

　　0鍵易1極性，卿和非極性1下。衍生物分子發(fā)生物理吸附，特別是羧甚和樣基碳膜面的潤滑劑分廣具燈較強的親合化極性嚇分子2，中的。，鍵和輕基同碳膜面的官能團和空鍵產(chǎn)生鍵介作用2所小1.隨著吸附于磁盤著碳膜中氫含量的增加，潤滑劑的鍵合位置如羧基和空鍵的數(shù)量相應(yīng)減少，潤滑劑的流動性增加191.

　　含氮碳膜與含氫碳膜相似隨卷氮作量增加空鍵數(shù)量減少；但氮原子半徑比氧原子大，故氮原子有利于增強碳膜面極性，從而提高潤滑劑的吸附能力。

　　此外，利用紫外光輻射也可以增強潤滑劑同碳膜或基底之間的鍵合作用21.在輻照過程中，紫外光同基底相化作用產(chǎn)生光屯子。光屯子進而引發(fā)形成游離電游離電子吸附，潤滑膜及面汴引發(fā)生成負離子和化1叢。自由基不斷擴展從而使17鍵合到基底面。

　　3.2潤滑劑的分散特性1士1；！4151考祭潤滑膜的分散特ft，AMlflPmZl5mlKZDOL的厚度輪廓和流動性明顯不同，其中215的擴散主要源于頭尾快速運動，厚度逐漸減小，流動性比工10的更大。240現(xiàn)出惻翼特征。通過形成個明顯的單分子校泊層時與初始膜分離。具有鋒劑擴散加速。此外，隨著固體面溝槽深度的增加，潤滑劑沿溝槽的擴散加速。2等發(fā)現(xiàn)。在快速流動。430潤滑劑在完全損耗的碳膜面或部分除去潤滑劑的面流動的速度潤滑膜厚度成反比。

　　3.3添加劑的作用機理及其影響因素是研究和應(yīng)用最多的磁記泌硬盤潤滑劑其典型的分子結(jié)構(gòu)如下1等叫研究發(fā)現(xiàn)磁盤面乙?guī)子只旌蠞櫥ぴ谑褂眠^程中緩慢變薄，明離心力和氣體剪切力緩慢驅(qū)動潤滑劑向旋轉(zhuǎn)磁盤的外部邊緣遷移而201潤滑膜在使用過程中厚度基本保持不變，磁盤潤滑劑的流動也從而打利提高磁頭磁盤界面的耐久性。

　　分13001的流動性增強可鈍化磁頭。阻止仆下的催化分解。此外。1添加劑在磁頭磁盤界面可以減緩7七兒的降解。從而提高磁頭磁盤界面的耐久性，采用浸涂方法在磁頭面制備的，1薄脫不僅可以抑制1同人12，3之間的反應(yīng)。

　　述可以改磁頭磁砬界血的潤泔特州341.

　　雙羥基官能團可增加的流動層，進而改善磁盤3.4潤滑劑厚度變化的影響因素為了使磁頭磁盤界面保持最佳摩擦學(xué)性能，必須保證磁盤面潤滑劑厚度均勻。飛行磁頭下的潤滑劑分布模式通常稱為雪坡河，8180的形成記潤滑劑發(fā)生損耗的先兆。13研究河1七利的邊界。出現(xiàn)不連續(xù)的臺階式擴散輪廊。13等，凇用134，方法對多分子液休擴散進行廣模擬研宄，發(fā)現(xiàn)無極性末端官能團的潤滑劑分子僅在分間相化作用較強時，能得到擴散輪廊的分層紀構(gòu)。對于極性分子。在面引入分子間末端末端+化作用和末端宮能吼可得到，比擴散輪廊相似面具有特定的溝槽的分散特性，發(fā)現(xiàn)溝槽的影響對喂的幅也動力學(xué)特性和密度具有，要影響。

　　1等，研究發(fā)現(xiàn)。潤滑劑膜在軌道著陸方向呈現(xiàn)周期性變化，厚度變化的波長隨磁盤線速度的增加而線性增加，而1潤滑劑類型和鍵合比關(guān)系不大，變化幅度則隨時間延長而緩慢增大?？傮w而言，磁盤面潤滑劑厚度的變化主要源廠滑塊和磁盤之間的動力作用和滑塊本身的運動滑塊的幾何形狀對潤滑劑的損耗產(chǎn)生影響的，采用光學(xué)面分析儀等于衣面力增加。在溝梢內(nèi)。特，圮邊綠域。潤滑研究菡，遼侈同體鈿承之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)潤滑劑厚度調(diào)制頻率與滑塊的振動模式相致潤滑劑的遷移同氣體軸承的壓力相關(guān)潤滑劑厚度變化同面紋理相關(guān)3.5潤滑劑的降解機理在磁盤運行過程中損失的潤滑劑部分轉(zhuǎn)移到磁頭組件或周圍介質(zhì)；隨著潤滑膜逐漸變薄，潤滑劑損失主要現(xiàn)為潤滑劑分子斷裂而不是分子的解吸2.

　　在含氫碳膜與碳膜滑塊界面七0因摩擦而。成0及0等分解產(chǎn)物133.1滑塊及面無碳膜叱貝比的催化降解機理更復(fù)街主要包括以下步驟1 2七。比的初始摩擦降解，合氫碳膜形成氣體產(chǎn)物如0和1；初始降解產(chǎn)物同2反應(yīng)牛。成扮和，2；迫0和同，3反應(yīng)生成酸在13衣他起催化作用，使70迅速降解。21！等4也發(fā)，沉積，膜的泔塊和長沉積，脫的沿塊的潤沿劑失效機銓有所不同。

　　綜合現(xiàn)有的試驗現(xiàn)象，可以將潤滑劑的降解歸納如下1熱分解和催化分解雖然潤滑劑的熱分解溫度超過350，但在極端操作條件下，滑塊在也行過程中的微突體接觸區(qū)局部高溫完全可能導(dǎo)致潤滑劑的氧化和化學(xué)斷裂；而金屬氧化物等作為催化劑以降低，1潤滑劑的降解溫度。

　?、苣Σ岭姺纸獬郎厣突瑒用娴拇呋饔弥猓Σ涟l(fā)射電子對接觸區(qū)的摩擦化學(xué)反應(yīng)亦具有重要影響。

　　機械裂解潤滑劑的厚度通常為2肺，磁頭與磁盤間的滑動速度為28，剪切率則高達5，2因此起療過程中的剪切和飛行過程中的接觸均能導(dǎo)致潤滑劑分十發(fā)生機械裂解，分解為揮發(fā)性產(chǎn)物3.6潤滑劑的摩擦磨損特性181等41采用銷肩盤磨損磨損試驗機研宄了吸附潤滑劑和流動潤滑劑對磨損特性的影響，發(fā)現(xiàn)磁說，面的潤滑齊1轉(zhuǎn)移到鍆山片效地，輕磨損。

　　發(fā)現(xiàn)，超涔單分廣層潤消劑的摩擦磨損性能強烈依賴廠潤滑劑分子的鍵合比，其中鍵合比高約80的潤滑劑的耐磨性是鍵合比低約20的潤滑劑的2仿；超薄潤滑劑的磨損取決于微突體在界面的接觸狀況和潤滑劑在硬盤面的流動。

　　4潤滑劑對磁記錄系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響錄層出現(xiàn)災(zāi)難性失效，因此準(zhǔn)接觸磁記錄和接觸磁記錄均要求格，制磁肚振動前磁記錄的存姑方式仨要包括接觸起停也心叫縮寫為5和加載卸載碟1山1；1縮寫為2種方式義53存儲方式不可避免地存在靜摩擦問，因此通常需要對磁盤面進行紋理加工技術(shù)廣泛用于便攜式驅(qū)動，以獲得更好的減振效果和低功率消耗。同時沉技術(shù)無須對面進行紋理加工。

　　因此，般認為口技術(shù)將替代33技術(shù)。

　　等4利用數(shù)位模擬分祈兩粗糙面間接觸界面微觀1效應(yīng)對靜摩擦力的影響，發(fā)現(xiàn)微觀效應(yīng)對靜摩檫的影響同面粗糙度潤滑膜厚度和潤滑劑流動性兩衣面的彈性模量和硬度載荷和大尺度波紋度等因素相關(guān)。此外，6 4448研究發(fā)現(xiàn)，潤滑膜的靜摩擦力隨停留時間的延長而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定；而潤滑膜厚度和粘度以及環(huán)垃濕役；亦對靜嘩擦力幾明顯影響。對及面進行紋理加工和減小潤滑劑厚度可以有效地降低靜聒而潤泔設(shè)的麗力越火祜摩擦力也越九但擇隨著飛行高度的不斷減小，潤滑膜對磁頭滑塊動力學(xué)特性的影響越來越大，如等在針對粗糙衣面接觸模型的研允中發(fā)現(xiàn)，纟1.16效應(yīng)可以導(dǎo)致接觸和起飛間的飛行高度出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。說，1等51發(fā)現(xiàn)，潤滑劑在磁盤面的+均勻分布使起飛速度發(fā)生變化。58瓜1等52研宄也發(fā)現(xiàn)，在飛行高度小于7，1磁盤線速度為20，18的準(zhǔn)接觸條件下，潤滑膜厚度對磁頭滑塊振動具有重要影響，1帕球塊與潤滑劑之1的相互作引發(fā)磁又滑塊擾動。

　　1著8等53指出，對硬盤的滑塊氣體軸承而言，其血力至要。你1等54發(fā)現(xiàn)，范德華力對飛行高度具有重要的影響，當(dāng)飛行高度低于5時，范德華力對正壓滑塊和負壓滑塊的傾斜角均具有顯著影響；而當(dāng)飛行高度低于5，1時，分子間斥力的影響不容忽視。

　　5結(jié)束語目前全氟聚醚是應(yīng)用最為廣泛的硬盤潤滑劑。通過改變分子結(jié)構(gòu)可以賦予潤滑劑不同的粘度蒸氣壓潤濕性和面張力等物理性質(zhì)以及吸附性熱穩(wěn)定性等化學(xué)性質(zhì)。在潤滑劑中加入添加劑可以顯著改善潤滑膜的性能。隨著磁記錄密度的提高飛行高度振動，導(dǎo)致磁盤面洞滑劑碳膜保護層和磁記作用將越來越從著。對潤滑脫的設(shè)計要求將更加嚴格。

　　從硬盤潤滑劑的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看，以下幾個方面值得重點關(guān)注1利用潤滑劑分子和面設(shè)計研制出超薄而具有定自保持性和流動性的硬盤潤滑騰④具有非線性動力學(xué)特征的接觸式磁頭磁盤界面潤滑膜與滑塊之間作用力的準(zhǔn)確測定及其對磁盤存儲和運行性能的影響；硬盤潤滑膜性質(zhì)I16森誠之。磁潤滑劑，現(xiàn)在將來。

　　i3i矢保永。高度情報化社會查擔(dān)〃每術(shù)。

　　10張會臣。單自由度沖擊擾動下磁頭磁盤系統(tǒng)接觸回復(fù)特性的實驗研究。摩擦學(xué)學(xué)報，2002，22重要通知本刊編輯部己攖至新址。