性别和解剖部位对人体皮肤摩擦性能的影响

为了研究性别和解剖部位对人体皮肤的摩擦特性的影响,采用1种便携式皮肤摩擦测试仪测量了6个不同解剖部位的皮肤摩擦系数.结果表明:前额、前臂伸侧、前臂屈侧和手背的皮肤摩擦系数个体差异较小,而脸颊和手掌的皮肤摩擦系数个体差异较大.女性脸颊、手掌的皮肤摩擦系数大于男性(P0.05);女性前臂伸侧、前臂屈侧的皮肤摩擦系数小于男性(P0.05);前额、手背的皮肤摩擦系数不存在性别差异(P0.05).不同解剖部位之间的皮肤摩擦系数有显著差异(P0.05),无论男、女性,解剖部位按照摩擦系数大小排序一致为:脸颊手掌前额手背手臂屈侧手臂伸侧.试验提供了1种从摩擦学角度了解皮肤品质的方法.     

机织物与皮肤间摩擦特性的测试方法

为了便于研究织物与人体皮肤间的摩擦性能,作者模拟织物与皮肤的摩擦行为,在现有负荷-伸长测试仪的基础上,研制改造出一台用于测量织物与皮肤间摩擦特性的测试仪.实验发现,在同一组摩擦试验中,首次摩擦试验的曲线明显低于其后的摩擦曲线,而且动摩擦力的波动性较后者大.为保证该仪器的测量数据客观有效,进行了重现性和可比性对比试验,结果表明该仪器在相同测试条件下测得的摩擦信号重现性较好,不同织物和皮肤间的摩擦试验结果具有可比性.同时为了归纳出相对稳定的试验条件(如张力?摩擦速度?试样宽度),选择4种规格不同的机织物与皮肤进行对比试验, 根据摩擦信号的稳定性和实际测试条件, 推荐了常规机织物的基本测试参数, 其中张力为2N , 摩擦速度为5 0 0m m/ m i n , 试样宽度为1 0c m .     

不同性别人体皮肤摩擦不舒适度感知功能的研究

利用人体生理和心理反应反馈信号研究了不同性别人体前臂掌侧皮肤在不同法向加载摩擦条件下的不舒适度感知能力.试验在UMT-II多功能摩擦磨损试验机上进行,相应的生理反应信号:皮肤温度、电容以及脑电波利用NeXus-10生理反馈仪进行同步采集及定量分析;皮肤感知的心理信号借助于摩擦过程中受试者对疼痛、牵扯和灼热的感觉程度进行量化记分.结果表明:皮肤的摩擦系数在性别之间无显著性差异;女性皮肤的温度及电容普遍高于男性,但温度及电容在摩擦开始及结束时的差值在性别之间无显著性差异;女性脑电波幅值及高幅值波峰数大于男性;相应的女性在摩擦过程中不舒适的心理反应强于男性;所有受试者在摩擦过程中的不舒适感均随时间的延长及载荷的增大而增强.     

新型皮肤摩擦特性测量装置的实验研究

研制出新型皮肤摩擦特性测量装置并用于测量人及动物体内、外皮肤的摩擦特性,在不同试验参数下测定了皮肤与假肢接受腔材料之间的摩擦系数.结果表明:该装置法向加载精度高达99.59%;在相同试验条件下测得猪体外皮肤摩擦系数的重复性较好;在人体上、下肢不同部位,只有手掌部位皮肤与其它部位的摩擦系数有显著性差异(P＜0.005);在控制法向载荷和往复移动频率2种模式下得到兔体内皮肤摩擦系数的试验结果具有可比性,摩擦系数随着法向载荷的增加而降低,随着往复移动频率的增加而增大;用该装置摩擦前后其皮肤组织结构有明显变化.     

织物表面摩擦特性测试装置及试验研究

为了评价织物表面的摩擦特性,表征织物和皮肤接触过程中摩擦力的动态变化信息,研制了一种能测试织物表面动态摩擦特性的机械测试装置,该装置集成了机械装置、传感器及控制系统,能一次性测试织物的静、动摩擦系数.基于测试过程中采集的原始数据,定义了摩擦功、静摩擦系数及动摩擦系数3个指标来评价织物表面的摩擦特性.试验采用12种典型的织物样本,对织物的表面摩擦特性进行了客观测试及主观评价,并在日本Kawabata KES-FB4系统上进行了对比试验.结果表明:针对12种典型的织物样本,3个评价指标均存在着显著的差异,牛仔布具有最大的静摩擦系数,经编网眼针织布具有最小的静摩擦系数,与常理相符.客观测试得到的动态指标摩擦功和主观评价的结果具有一致性.本测试装置得到的动态摩擦系数和KES-FB4测试得到的平均摩擦系数也具有一致性.该测试装置可以为相关领域的研究提供一种新的测试手段.     

人体手部皮肤的摩擦特性实验研究

采用微观摩擦磨损试验机对20名男女志愿者双手不同部位的摩擦系数进行测试.结果表明:男性手背皮肤的摩擦系数比女性偏低(女性为0.48～0.49,男性为0.38～0.39);男、女手掌的摩擦系数相差不大(女性为0.60～0.67,男性为0.62～0.70);男、女指纹的摩擦系数比较接近(女性为0.78～0.65,男性为0.77～0.68);男、女指甲的摩擦系数分别为女性0.25～0.21,男性0.23～0.21.在人体手部的手背、手掌、指纹和指甲4个部位中,摩擦系数的高低依次为指纹＞手掌＞手背＞指甲.     

PDMS材料特性和滑动速度对黏着态下摩擦峰的影响

黏弹性体接触界面由湿变干过程中,出现的摩擦系数高于干摩擦系数的状态,称为黏着态.最大摩擦系数为摩擦峰,摩擦峰相对于干摩擦系数的增长称为摩擦峰相对增长百分比(μ%).本文中利用原位观测摩擦试验台研究了氮化硅小球与PDMS (Polydimethylsiloxane)接触界面在润湿转变过程中摩擦学行为,并分析了弹性模量及滑动速度对μ%的影响.结果表明：对于较软的PDMS,摩擦峰的削减甚至消失伴随有接触界面分离波的出现,黏弹性体的材料特性将影响甚至决定摩擦峰的出现;当PDMS较硬时,接触界面间残余水膜对黏着态摩擦峰的影响起主导作用.μ%与弹性模量的1.45次方成正比.随着滑动速度的增加,μ%逐渐降低.研究结果对于利用弹性模量以及滑动速度实现对黏弹性体摩擦峰的调控提供了理论指导.     

肠道内表面形貌对其摩擦性能影响的研究

为了调查肠道内表面形貌对其摩擦性能的影响,本文以家兔小肠为研究对象,表征了其内表面形貌,测试了肠黏液的润滑性;在排除肠道正压力条件下,测试环向应变、载荷、滑动速度与摩擦系数的变化关系.实验结果表明:小肠内表面存在着皱襞、绒毛、微绒毛;肠黏液可将摩擦系数降低到10-2数量级;环向应变10%是摩擦系数变化的临界值,小于10%摩擦系数不受载荷和滑动速度的影响,大于10%摩擦系数随载荷和滑动速度增大而增大.通过分析环向应变、内表面形貌、肠黏液、载荷、滑动速度与摩擦系数之间的关系,得出摩擦系数变化的机理:当环向应变小于10%,润滑形式为液体润滑;当径向应变大于10%,皱襞被拉伸褶皱消失,润滑形式转化为混合润滑.小肠摩擦性能的研究对胶囊内窥镜、肠道机器人外观设计提供了实验数据,对推进微创、无创诊疗有着重大意义.     

PAMPS-PAAM互穿网络凝胶的摩擦性能研究

选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)凝胶和丙烯酰胺(AAM)溶液制备PAMPS-PAAM互穿网络凝胶,在自制销-盘式摩擦试验机上进行PAMPS-PAAM互穿网络凝胶的摩擦性能试验,研究接触压力、滑行速率和润滑条件对该凝胶的摩擦性能的影响.结果表明:PAMPS-PAAM凝胶受压变形时的性质与天然软骨相似.在较高的压力下(0.7 MPa),凝胶的软骨泵机理发生作用,有助于润滑膜的形成;滑行速率的提高和润滑剂黏度的增加也有利于润滑状态的改善,降低摩擦系数.PAMPS-PAAM凝胶有良好的自恢复功能.     

汗液对皮肤摩擦特性的影响研究

采用人工汗液模拟人体汗液,在连续和间歇式往复摩擦运动模式下研究汗液对正常人体皮肤、穿戴假肢皮肤以及残肢疤痕皮肤摩擦性能的影响,并模拟假肢穿戴环境研究汗液对皮肤摩擦舒适度的影响. 结果表明:在法向载荷为0.2 N和0.7 N的连续和间歇式往复摩擦运动模式下,汗液均通过改变皮肤表面的物理化学性能而对皮肤的摩擦行为产生影响;在汗液逐渐干燥的过程中,皮肤的摩擦行为从粘着向相对滑移状态转变,摩擦系数变化经历从小到大再减小、最后达到稳定的过程;在法向载荷为8.0 N、模拟假肢穿戴环境的连续式往复摩擦运动模式下,汗液环境中的正常小腿皮肤、穿戴假肢皮肤和残肢疤痕皮肤的摩擦系数均大于干燥环境.根据皮肤在摩擦过程中的疼痛感、牵扯感和灼热感等同时提出皮肤摩擦舒适度概念,与干燥的假肢穿戴环境相比,汗液均加强了不同皮肤的摩擦不舒适感.     

氧化锆陶瓷/碳纤增强聚醚醚酮在水润滑下的摩擦磨损特性研究

在材料端面摩擦试验机上对氧化锆陶瓷与碳纤增强聚醚醚酮(CFRPEEK)配副在水润滑条件下的摩擦磨损特性进行了试验研究,探讨了滑动速度和接触压力对材料摩擦磨损的影响规律.发现氧化锆陶瓷与CFRPEEK配副在水润滑条件下的摩擦系数随速度增加而减小,在速度较低时,存在明显的磨合过程;速度较高时,摩擦系数较小且随滑动过程变化很小,CFRPEEK的磨损率随速度变化不大.压力为0.4和0.5 MPa时,CFRPEEK的摩擦系数和磨损率均较小,但当压力达到0.8 MPa时,摩擦系数显著增加且剧烈振荡,并发生严重磨损.CFRPEEK的磨损机理主要是黏着磨损,氧化锆陶瓷磨损的主要机理是应力引起的点蚀.     

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

人体生物摩擦学的研究现状与展望

介绍了人体生物摩擦学的概念,分析了头发、眼睛、皮肤、牙齿和关节等系统的生物摩擦学研究现状,就血液、人工心脏泵、人工心脏瓣膜和食品味觉的生物摩擦学研究方向进行了展望.指出当前人体生物摩擦学研究的关键科学问题主要包括人体摩擦副的特殊摩擦学行为及机理、模拟人体生物环境条件的人工器官摩擦磨损试验方法研究、人工材料在体内的生物摩擦学行为反应预测及磨粒在体内的生物反应和临床病症的评定.     

A modified torsional kolsky bar for investigating dynamic friction

This paper introduces an experiment to investigate dry sliding resistance of frictional interfaces at normal pressures up to 100 MPa, slip speeds up to 10 m/s and slip distances of approximately 10 mm. This new apparatus involves a novel modification of the conventional torsional Kolsky bar apparatus, employed extensively in the past for investigating high strain rate behavior of engineering materials. The new experimental configuration represents a significant improvement over conventional tribology experiments because it uses elastic torsional waves with a superimposed static compressive force to control the interfacial traction. Moreover, the apparatus allows critical frictional parameters such as the interfacial sliding resistance, slip speeds and slip without the use of transducers at the frictional interface. The usefulness of the device is demonstrated by presenting results of high-speed friction on 6061-T6 Al/1018 steel and Carpenter Hampden tool steel/7075-T6 Al tribo pairs.     

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控，调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题. 本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜，采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用. 结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响，氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用. 通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能. 本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.      

A new computational algorithm for contact friction modeling of large plastic deformation in powder compaction processes

In this paper, the large deformation frictional contact of powder forming process is modeled based on a new computational algorithm by imposing the contact constraints and modifying the contact properties of frictional slip. A simple and efficient numerical algorithm is presented for imposing the contact constraints and frictional contact properties based on the node-to-surface contact technique to simulate the large deformation contact problem in the compaction process of powder. The Coulomb friction law is used to simulate the friction between the rigid punch and the workpiece by the use of penalty approach. A double-surface cap plasticity model is employed together with the nonlinear contact friction algorithm within the framework of large FE deformation in order to predict the non-uniform relative density distribution during large deformation of powder die-pressing. Finally, the numerical schemes are examined for accuracy and efficiency in modeling of a set of powder components.     

The frictional sliding response of elasto-plastic materials in contact with a conical indenter

Over the past decade, many computational studies have explored the mechanics of normal indentation. Quantitative relationships have been well established between the load–displacement hysteresis response and material properties. By contrast, very few studies have investigated broad quantitative aspects of the effects of material properties, especially plastic deformation characteristics, on the frictional sliding response of metals and alloys. The response to instrumented, depth-sensing frictional sliding, hereafter referred to as a scratch test, could potentially be used for material characterization. In addition, it could reproduce a basic tribological event, such as asperity contact and deformation, at different length scales for the multi-scale modeling of wear processes. For these reasons, a comprehensive study was undertaken to investigate the effect of elasto-plastic properties, such as flow strength and strain hardening, on the response to steady-state frictional sliding. Dimensional analysis was used to define scaling variables and universal functions. The dependence of these functions on material properties was assessed through a detailed parametric study using the finite element method. The strain hardening exponent was found to have a greater influence on the scratch hardness and the pile-up height during frictional sliding than observed in frictionless normal indentation. When normalized by the penetration depth, the pile-up height can be up to three times larger in frictional sliding than in normal indentation. Furthermore, in contrast to normal indentation, sink-in is not observed during frictional sliding over the wide range of material properties examined. Finally, friction between indenter and indented material was introduced in the finite element model, and quantitative relationships were also established for the limited effects of plastic strain hardening and yield strength on the overall friction coefficient. Aspects of the predictions of computational simulations were compared with experiments on carefully selected metallic systems in which the plastic properties were systematically controlled. The level of accuracy of the predicted frictional response is also assessed by recourse to the finite element method and by comparison with experiment.