中文摘要
由於科技的日新月異，機械結構或元件均朝向輕薄短小的趨勢發展，因此奈米磨潤學的產生也是現代化機械科技發展的必然結果。而薄膜潤滑往往是保證這些高科技設備和超精密機械正常工作的關鍵技術，所以更突顯了奈米級薄膜潤滑研究的重要性。
本研究採用本實驗室自行開發之光學彈液動試驗機，以鋼球與寶石玻璃模擬純滾動接觸點間之油膜特性。首先利用光學干涉法觀察在純滾動運動方式下，彈液動潤滑接觸區之油膜變化，並配合彈液動潤滑逆向解析法探討油膜接觸區之壓力分佈。最後再將油膜厚度及壓力值代入雷諾方程式中，進而推斷出潤滑油之壓力-黏度指數。
結果顯示，油膜隨滾動速度增加而變厚、受負荷效應而變薄，而在相同實驗條件下，提高鋼球曲率半徑油膜會增厚。此外，Ester潤滑油當膜厚值低於17nm時會有明顯的偏離彈液動潤滑之模式，其油膜壓力-黏度指數z值由原本的0.8195增加至最大0.9093，亦表示吸附膜在薄膜潤滑時其比例增加，而提昇潤滑油之黏度。

Abstract
With the advent of new technology, various machine structures and elements appear delicate and diminutive so that the nanotribological studies are needed in the modern mechanical technological development. Thin film lubrication will be indispensable as the basis of key-technology in high-technological devices and ultra-precision machines. Therefore, the research of thin film lubrication in the nanometer order is very important.
In this research uses a self-development optical elastohydrodynamic lubrication (EHL) tester to simulate the oil film characteristics in the contact region between steel ball and sapphire under the pure rolling condition. First, the variation of oil film thickness on the contact region is observed by using the optical interference principle. An inverse approach of EHL is employed to investigate the pressure distribution on the contact region of lubricant. Final, the oil thickness and pressure distribution are substituted into Reynolds equation to predict the pressure-viscosity index of lubricant.
Results show that the oil film thickness increases with increasing rolling speed, and curvature radius of steel ball, but decreases with increasing load. Moreover, when the oil thickness of ester lubricant is less than 17nm, the film thickness is obviously deviated that predicted by the classical EHL theory, and the pressure-viscosity index increases from 0.8195 to 0.9093. This result indicates that the ratio of the adsorbent layer to the oil film increases and causes the increase of the lubricant viscosity.

總目錄
頁次
總目錄 i
圖目錄 iv
表目錄 x
符號說明 xi
中文摘要 xii
英文摘要 xiii

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 3
1-2-1 光學干涉 3
1-2-2 影像分析處理 5
1-2-3 薄膜潤滑（TFL） 6
1-2-4 凹坑效應 9
1-3 油膜厚度之量測方法 11
1-4 研究動機與本文重點 12
1-5 論文架構 13

第二章 基本原理 14
2-1 光學干涉原理 14
2-1-1 薄膜產生的干涉 14
2-1-2 光的可見度 18
2-2 雷射原理 19
2-3 光源分析 22
2-3-1 白光觀測光源 22
2-3-2 雷射觀測光源 25

第三章 實驗設備與實驗方法 27
3-1 實驗設備 27
3-1-1 負荷與潤滑系統 29
3-1-2 速度生成系統 33
3-1-3 光源系統 33
3-1-4 光學顯微觀測系統 34
3-1-5 資料擷取、處理與分析系統 36
3-2 實驗材料 38
3-2-1 潤滑油性質 38
3-2-2 材料性質與試片規格 38
3-3 實驗條件 39
3-4 實驗步驟 40

第四章 實驗結果與討論 41
4-1 光源比較 41
4-1-1 Hertz接觸之鋼球外型輪廓 41
4-2 Hertz接觸直徑與Hertz壓力 44
4-2-1 Hertz接觸直徑 44
4-2-2 Hertz壓力 47
4-3 油膜干涉條紋圖 48
4-3-1 HN油膜干涉條紋圖 51
4-3-2 LN油膜干涉條紋圖 55
4-3-3 Ester油膜干涉條紋圖 59
4-3-4 HN、LN膜厚分佈形狀分析（Y方向） 63
4-3-5 HN、LN膜厚分佈形狀分析（X方向） 70
4-3-6 鋼球曲率與負荷效應對膜厚的影響 76
4-4 潤滑油在出入口處油膜厚度與壓力關係 78
4-5 彈液動潤滑逆向求解油膜壓力分佈和黏度 87
4-5-1 求解油膜壓力分佈 87
4-5-2 求解潤滑油的黏度 89
4-5-3 求解潤滑油壓力-黏度指數 93
4-6 油膜立體圖 102

第五章 結論與展望 104
5-1 結論 104
5-2 展望 106

參考文獻 107

圖目錄

圖1.1 二氧化矽間隔層 4
圖1.2 凹坑型態圖 9
圖1.3 溫度-黏度效應 10

圖2.1 光學干涉原理示意圖 15
圖2.2 光譜圖 20
圖2.3 頻寬圖 20
圖2.4 白光干涉條紋圖 22
圖2.5 雷射干涉條紋圖 22
圖2.6 白光比色法 23
圖2.7 雷射光量測法 26

圖3.1 光學彈液動潤滑試驗機 27
圖3.2 光學彈液動潤滑試驗機示意圖 28
圖3.3 負荷與潤滑系統 29
圖3.4 負荷計校正圖 31
圖3.5 壓力與負荷校正圖 32
圖3.6 He-Ne雷射光源系統 34
圖3.7 光學顯微觀測系統 34
圖3.8 解析度校正圖 35
圖3.9 油膜分析流程示意圖 37

圖4.1 Hertz接觸之鋼球外型輪廓 43
圖4.2 Hertz接觸直徑 46
圖4.3 Hertz壓力 47
圖4.4 X-Y座標軸 48
圖4.5（a） HN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷68N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 51
圖4.5（b） HN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷136N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 52
圖4.5（c） HN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷204N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 53
圖4.5（d） HN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷272N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 54
圖4.6（a） LN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷68N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 55
圖4.6（b） LN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷136N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 56
圖4.6（c） LN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷204N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 57
圖4.6（d） LN潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷272N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 58
圖4.7（a） Ester潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷68N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 59
圖4.7（b） Ester潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷136N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 60
圖4.7（c） Ester潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷204N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 61
圖4.7（d） Ester潤滑油、鋼球直徑30mm、負荷272N，分別以不同滾動速度u0.1、u0.2、u0.3、u0.4m/s，所產生之油膜干涉條紋圖 62
圖4.8（a） HN、LN潤滑油，接觸中心區Y截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=68N，鋼球直徑30mm） 65
圖4.8（b） HN、LN潤滑油，接觸中心區Y截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=136N，鋼球直徑30mm） 66
圖4.8（c） HN、LN潤滑油，接觸中心區Y截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=204N，鋼球直徑30mm） 67
圖4.8（d） HN、LN潤滑油，接觸中心區Y截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=272N，鋼球直徑30mm） 68
圖4.9 Ester潤滑油，接觸中心區Y截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=42N，鋼球直徑30mm） 69
圖4.10（a） HN、LN潤滑油，接觸中心區X截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=68N；鋼球直徑30mm） 72
圖4.10（b） HN、LN潤滑油，接觸中心區X截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=136N；鋼球直徑30mm） 73
圖4.10（c） HN、LN潤滑油，接觸中心區X截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=204N；鋼球直徑30mm） 74
圖4.10（d） HN、LN潤滑油，接觸中心區X截面上膜厚分佈比較，滾動速度0.1、0.2、0.3、0.4m/s（負荷F=272N；鋼球直徑30mm） 75
圖4.11 流體楔形效應比較 76
圖4.12 鋼球曲率效應與負荷效應對膜厚的比較 77
圖4.13 HN潤滑油油膜干涉圖 78
圖4.14 分割格子圖 79
圖4.15（a） HN潤滑油膜厚與壓力分佈之關係（負荷F=136N；滾動速度u=0.1m/s） 81
圖4.15（b） HN潤滑油膜厚與壓力分佈之關係（負荷F=136N；滾動速度u=0.2m/s） 82
圖4.15（c） HN潤滑油膜厚與壓力分佈之關係（負荷F=136N；滾動速度u=0.3m/s） 83
圖4.15（d） HN潤滑油膜厚與壓力分佈之關係（負荷F=136N；滾動速度u=0.4m/s） 84
圖4.16（a） HN潤滑油3D油膜壓力圖（鋼球直徑30mm；負荷F=136N；滾動速度u=0.1m/s） 85
圖4.16（b） HN潤滑油3D油膜壓力圖（鋼球直徑30mm；負荷F=136N；滾動速度u=0.2m/s） 85
圖4.16（c） HN潤滑油3D油膜壓力圖（鋼球直徑30mm；負荷F=136N；滾動速度u=0.3m/s） 86
圖4.16（d） HN潤滑油3D油膜壓力圖（鋼球直徑30mm；負荷F=136N；滾動速度u=0.4m/s） 86
圖4.17 鋼球接觸示意圖 88
圖4.18 Ester潤滑油，負荷68N情況下速度與膜厚關係圖 94
圖4.19 Ester潤滑油，負荷42N情況下速度與膜厚關係圖 95
圖4.20 點接觸彈液動潤滑逆解法模型 96
圖4.21 Ester oil 潤滑油，負荷42N、滾動速度0.006m/s油膜輪廓圖 96
圖4.22 Ester oil 潤滑油，負荷42N、滾動速度0.006m/s之3D立體壓力分佈圖 97
圖4.23 滾動速度與壓力-黏度指數關係圖 98
圖4.24 薄膜潤滑逆解法模型 99
圖4.25 Ester潤滑油真實值與TFL時之壓力-黏度指數比較 100
圖4.26 LN、HN、Ester潤滑油之壓力-黏度關係圖 101
圖4.27 2D油膜平面圖 102
圖4.28 3D油膜立體圖 102
圖4.29 3D油膜立體放大圖 103

表目錄

表1-1 各操作條件與凹坑行為之關係 11
表2.1 干涉條紋顏色與油膜厚度對照表 24
表3.1 壓力與負荷對照表 31
表3.2 潤滑油之性質 38
表3.3 光學玻璃與鋼球之規格和性質 39
表3.4 實驗條件 39
表4.1 逆解與真實值之壓力-黏度指數z 97

參 考 文 獻

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