电接触材料摩擦学研究进展

电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用,但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题,因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发,综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题,分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究,这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.      

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代...     

热带海洋盐雾气氛自润滑耐磨防腐涂层技术研究新进展

随着“南海海洋纵深开发”和“深海深地深空”国家战略持续推进，热带海洋气氛下的磨损与腐蚀耦合损伤成为海洋装备的关键技术瓶颈.本文中通过对比我国四大海域(渤海、黄海、东海及南海)海洋多场作用因素及装备苛刻服役环境，重点指出了热带海洋(南海海域)工程装备运动传动系统/部件所面临的“摩擦-磨损-腐蚀”共性技术难题；讨论分析模拟海洋腐蚀介质与实海环境下DLC薄膜、陶瓷涂层、轻合金微弧氧化涂层、MoS₂基粘结涂层(软质)和功能一体化高分子合金(软质)等自润滑涂层的摩擦磨损行为及其损伤失效特点；从界面协同与功能匹配角度提出了热带海洋动态自润滑耐磨防腐的科学问题及研究新思路，寄望提升我国在热带海洋高技术装备关键传动部件/系统自润滑防腐方面的技术水平.     

海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望

海洋是人类赖以生存的载体,与人类未来发展休戚与共.海洋科学领域的发展常常依赖于海洋专用材料的研究和展.海洋极端环境下的摩擦磨损是制约海洋材料应用与推广的关键问题之一,主要表现在材料在海洋苛刻环境下的腐蚀行为、电化学腐蚀以及材料在载荷和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为.本文中分析了海洋环境的特点及其关键摩擦学问题,阐述了海洋环境下的材料摩擦学的研究内涵,对金属材料、高分子材料、陶瓷材料在海洋环境下的摩擦学问题进行了探讨,并结合海洋材料摩擦学现有研究进展及发展趋势,对海洋环境下的材料摩擦学相关研究前景进行了展望.     

有限元模拟TIN 膜/碳钢基材体系的摩擦磨损试验

对TiN膜/碳钢基材体系摩擦磨损过程的有限元模拟表明:磨痕边缘的多种应力集中、磨痕内外的张应力、膜/基界面切应力,都将影响体系的摩擦学行为.用销/盘试验验证了有限元模拟结果,根据对膜层中裂纹的萌生、扩展和体系的损伤、破坏情况分析,摩擦磨损过程分为磨合、稳定磨损、膜层失稳、体系失效阶段.提出了小载荷摩擦磨损下过软基材的膜/基体系失效机制,即膜层在集中应力和张应力作用下发生裂纹萌生和扩展的脆性破坏,其中,由于体系变形引起的磨痕边缘应力集中对膜层早期损伤进而导致体系磨损失效具有最重要作用.     

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征，揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律，保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰，难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估，亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此，基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台，通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验，测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明，未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率，而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现，随着法向载荷或往复滑移频率的增加，振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加，而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势，存在明显差异.因此，该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦，为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.     

核环境下的摩擦、磨损与润滑

理解核环境下材料的摩擦、磨损与润滑问题对建设商用第三代核反应堆、发展新型四代堆以及验证未来先进聚变核能系统至关重要. 服役于核岛尤其是核反应堆一回路的机械部件及材料,不仅承受运动过程中循环应力及摩擦磨损,而且还要面对高温、腐蚀和辐射等极端环境,本文中针对反应堆中核环境下结构材料摩擦磨损问题,以及核环境下润滑材料特殊需求,总结了本领域研究进展及面临的挑战,并对推进及解决核环境下材料的摩擦、磨损与润滑研究提出了展望.      

矿用钢丝在腐蚀介质环境下的微动行为研究

钢丝绳中钢丝的锈蚀、磨损或断裂是造成矿井用钢丝绳失效的主要形式。以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝在腐蚀介质环境下的微动磨损试验研究。考察钢丝在模拟矿井淋水腐蚀介质中的微动运行特性,通过磨痕测量微动磨损量,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪对钢丝的微动损伤机理进行分析。结果表明：腐蚀介质影响钢丝的微动运行区域,在干摩擦和中性腐蚀介质下运行于混合区,而在酸性和碱性腐蚀介质下运行于滑移区;腐蚀介质明显降低钢丝的摩擦系数,其中酸性介质下的摩擦系数最小,约为0.36;腐蚀与磨损的交互作用显著加速了材料的流失,酸性腐蚀介质下钢丝的磨痕深度最大;钢丝在干摩擦条件下的损伤机制以材料的塑性变形、粘附涂抹和摩擦氧化为主,而在腐蚀介质环境下的损伤机制转变为磨粒磨损和化学腐蚀。     

904L不锈钢在不同气氛下微动磨损性能研究

在可控气氛微动磨损试验设备上，开展了904L不锈钢在不同温度和环境介质(常温大气、常温二氧化碳、350℃大气、350℃二氧化碳)下的微动磨损试验.分析了其摩擦学界面损伤机制和摩擦化学行为.结果表明，常温条件下微动运行于完全滑移区，磨损机制主要是分层剥落和氧化磨损；350℃条件下微动运行于混合区，大气环境下的磨损机制主要是黏着磨损和氧化磨损，二氧化碳环境下的磨损机制主要是黏着磨损.常温时二氧化碳较大气环境的磨损量减小，温度升高至350℃时磨损量显著减小.     

竹纤维增强制动摩阻材料摩擦学性能研究

采用竹纤维为增强相制备新型无石棉树脂基复合摩擦材料.通过热失重分析、定速摩擦试验及磨损表面形貌观察等手段探讨竹纤维的含量对材料在不同温度下摩擦学性能的影响.试验结果表明:在树脂基摩阻材料中加入适量竹纤维能改善材料摩擦磨损性能,并具有一定的减震降噪的效果,但在超过其热解温度时会造成竹纤维的碳化、挥发,对基体增强失效;竹纤维质量百分数为13%时试样能获得较稳定的摩擦系数及较低的磨损率;竹纤维含量过多会造成摩阻材料制备工艺性变差,且高温下大量竹纤维碳化剥落会破坏摩擦表面膜的连续性,使摩阻性能显著下降.     

材料高温力学性能理论表征方法研究进展

随着科学技术的迅猛发展,材料在高温领域的应用越来越广泛。然而高温下材料的力学性能和常温相比有很大差异,材料的高温力学性能研究和表征已成为当前的研究热点。论文文对材料在高温下力学行为理论表征方法研究的最新进展进行了总结和回顾。着重介绍了近年来高温陶瓷材料的断裂强度、金属材料的屈服强度、弹性模量与本构关系的温度相关性理论表征方法的研究进展。最后,总结已有研究工作的特点和不足之处,对材料高温力学性能理论表征方法的后续研究进行了展望,就进一步研究提供建议。     

含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.      

The effect of anisotropic damage evolution on the behavior of ductile and brittle matrix composites

Anisotropic damage evolution laws for ductile and brittle materials have been coupled to a micromechanical model for the prediction of the behavior of composite materials. As a result, it is possible to investigate the effect of anisotropic progressive damage on the macroscopic (global) response and the local spatial field distributions of ductile and brittle matrix composites. Two types of thermoinelastic micromechanics analyses have been employed. In the first one, a one-way thermomechanical coupling in the constituents is considered according to which the thermal field affects the mechanical deformations. In the second one, a full thermomechanical coupling exists such that there is a mutual interaction between the mechanical and thermal fields via the energy equations of the constituents. Results are presented that illustrate the effect of anisotropic progressive damage in the ductile and brittle matrix phases on the composite’s behavior by comparisons with the corresponding isotropic damage law and/or by tracking the components of the damage tensor.     

Mechanical Testing of Polymers in Pressurized Hydrogen: Tension,Creep and Ductile Fracture

The paper aims at characterizing some key features of the mechanical behavior of two semi-crystalline polymers in weakly pressurized hydrogen. The opportunity to use hydrogen as an alternative energy strengthens the need for reliable data on possible coupling effects between gas diffusion and mechanical properties, especially for safe design purpose. However, such effects have not been really quantified in polymers. In the present study, a hydraulic testing machine has been fitted with a pressure hydrogen chamber, and three major aspects of the mechanical behavior have been investigated in polyethylene and polyamide 11: monotonic tension, long-term creep (based on a time-temperature superposition principle) and ductile fracture (evaluated from an essential work of fracture method). Suitable protocols have been defined to take into account specificity like temperature and pressure history dependence and gas saturation kinetics of the sample.     

锡青铜基自润滑材料的摩擦学特性研究

采用粉末冶金自由烧结工艺制备出锡青铜基自润滑复合材料,对该类复合材料的力学性能与摩擦磨损特性进行了研究,从固体润滑剂角度就其室温与450℃自润滑机理进行了分析与探讨。研究结果表明,该类材料在室温至450℃温度范围内具有良好的机械性能与磨擦磨损特性。XRD分析结果显示：在室温下磨损表面形成的含石墨、Pb和SnO2的复合膜是其具有润滑性能的主要原因;在高温下则由石墨、Pb2O3和CuO组成的复合膜起主要润滑作用。     

双网络水凝胶损伤本构模型研究进展

新型高分子生物材料——双网络水凝胶不仅保持了传统水凝胶优良的物理性质,而且具有超高的刚度、强度和韧性等优异的力学性能,具有广阔的应用前景．它们在大变形下表现出应力软化、颈缩、应变硬化、损伤各向异性和损伤交叉效应等复杂的非线性力学行为．研究双网络水凝胶的损伤力学十分必要．本文聚焦共价交联型双网络水凝胶,描述了它们在实验中观察到的力学行为以及相应的微观损伤机理,介绍了现有的损伤本构模型,并概括了这些模型的优点与不足,最后对双网络水凝胶的损伤力学研究进行了简明扼要的展望．     

Competing mechanisms in the wear resistance behavior of biomineralized rod-like microstructures

The remarkable mechanical properties observed in biological composite materials relative to those of their individual constituents distinguish them from common engineering materials. Some naturally occurring high-performance ceramics, like the external veneer of the Chiton (Cryptochiton stelleri) tooth, have been shown to have superior hardness and impressive abrasion resistance properties. The mechanical performance of the chiton tooth has been attributed to a hierarchical arrangement of nanostructured magnetite rods surrounded with organic material. While nanoindentation tests provide useful information about the overall performance of this biological composite, understanding the key microstructural features and energy dissipation mechanisms at small scales remains a challenging task. We present a combined experimental/numerical approach to elucidate the role of material deformation in the rods, debonding at the rod interfaces and the influence of energy dissipation mechanisms on the ability of the microstructure to distribute damage under extreme loading conditions. We employ a 3D finite element-based micromechanical model to simulate the nanoindentation tests performed in geological magnetite and cross-sections of the chiton tooth. This proposed model is capable of capturing the inelastic deformation of the rods and the failure of their interfaces, while damage, fracture and fragmentation of the mineralized rods is assessed using a probabilistic function. Our results show that these natural materials achieve their abrasion resistant properties by controlling the interface strength between rods, alleviating the tensile stress on the rods near the indentation tip and therefore decreasing the probability of catastrophic failure without significantly sacrificing resistance to penetration. The understanding of these competing energy dissipating mechanisms provides a path to the prediction of new combination of materials. In turns, these results suggest certain guidelines for abrasion resistance rod-like microstructures in composites with high volume fraction of brittle minerals or ceramics with tailored performance for specific applications.     

天然生物材料及其摩擦学

评述了几种天然生物材料的特性及其摩擦学研究现状,分析了天然生物复合材料、角蛋白材料、土壤动物体表、植物叶的结构和表面形态及性能,介绍了天然生物材料的摩擦与磨损性能及生物防粘减阻和生物润滑技术,并探索性地提出了摩擦学仿生概念。     

复层孔隙分布铁基粉末冶金材料的力学和摩擦学性能

采用粉末冶金工艺制备基体致密、表层多孔含油的复层铁基含油材料,利用SEM、EDX和XRD分析材料微观组织形貌、组元和物相组成及断口形貌,并基于HDM-20端面摩擦磨损试验机评价其摩擦磨损性能. 结果表明:在铁基粉末冶金材料中添加适量TiH₂可有效提高材料的孔隙率,同时在孔隙附近内生TiC硬质相,有效弥补孔隙对力学性能削弱;添加TiH₂后,材料的硬度提高,压溃强度有所降低,材料的断裂机理逐渐由韧性断裂转变为脆性断裂;随着TiH₂含量增加,材料的摩擦学性能呈现先变好后恶化趋势,含质量分数3%TiH₂材料的综合力学和摩擦学性能较好,能实现较高强度与良好自润滑特性的统一. 研究工作为研制高性能铁基含油轴承材料提供新的思路.      

γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注. 本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C: H润滑薄膜,并对其进行伽马 (γ) 辐照处理. 考察γ辐照康普顿效应对a-C: H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:经γ辐照后a-C: H薄膜存在由sp2杂化C原子结构向sp3杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低. 伽马辐照使得a-C: H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势. 此外,γ辐照也使得a-C: H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加. 综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C: H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.