界面润湿性和粗糙度对橡胶滑动摩擦行为的影响

当黏弹性体接触界面介于湿和干之间时，总是捕捉到1个高于干摩擦的润湿状态，称为黏着态.该状态下最大摩擦系数称为摩擦峰.本文中利用涂覆不同材料的载玻片探究了界面润湿性(θ)和粗糙度(Ra)对摩擦峰的影响.摩擦试验发现，干燥条件下，Ra相近时，PDMS半球与θ较小的表面，摩擦更大；θ相近时，与Ra较小的表面，摩擦更大.润湿转变试验中发现，黏着态下摩擦系数最大增长百分比(Δμ%)与滞后位移增长百分比(ΔS%)之间呈较好的线性关系.摩擦系数与滞后位移的增长与接触表面间残余液滴有关.试验发现：光滑载玻片表面的Ra相近时，θ较小的表面，摩擦峰较低；θ相近时，Ra较小的表面，摩擦峰较低.该结果表明，黏着态下接触区域内微液桥的数量和形状对摩擦峰具有重要影响.     

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.     

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.     

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.     

去角质化妆品对皮肤摩擦性能的影响研究

采用UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机,模拟洗脸的摩擦条件,考察了微粒大小、数量和硬度不同的3种磨砂洗面奶介质对不同性别人体皮肤摩擦特性的影响.结果表明：由于在往复摩擦条件下磨砂洗面奶去除了皮肤表面老化角质层,皮肤的表面粗糙度下降,皮肤的电导、水合作用、黏着力及摩擦系数增加;含有2种微粒大小、数量和硬度适中的B组洗面奶介质摩擦去除老化角质较多,皮肤后续对保湿化妆品的渗透效果较好;由于不同性别皮肤表面结构的差异,磨砂洗面奶对男性皮肤表面结构的影响较女性大.     

聚乙烯醇水凝胶/钛合金摩擦磨损特性的正交试验研究

利用冷冻-解冻法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,运用正交试验法在球-盘摩擦磨损试验机上研究滑动速度、载荷和润滑状态对PVA水凝胶/钛合金摩擦副摩擦系数的影响及在不同载荷下的磨损性能.结果表明:滑动速度、载荷和润滑状态3种因素对PVA水凝胶/钛合金球摩擦副的摩擦系数影响显著程度由高到低依次为载荷＞滑动速度＞润滑状态;在干摩擦和水润滑状态下,摩擦系数变化甚微,平均摩擦系数随滑动速度的增加而下降,随着载荷增加而升高;当转速从110 r/min升至220 r/min时,平均摩擦系数从0.038降至0.031,降幅达19.4%;当载荷从5 N增至10 N时,平均摩擦系数从0.027增至0.042,增幅达51.8%;PVA水凝胶的磨损率随载荷增加而降低且载荷对磨损率影响的显著程度逐渐降低;当载荷从5 N增至10 N时,磨损率降幅高达2.6倍,当载荷从10 N增至15 N时,仅下降35%.     

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

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微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9～29 N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9 N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29 N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.     

假肢接受腔-人体皮肤界面往复摩擦能量损耗的研究

利用万能材料试验机和多功能数据采集分析系统,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔-残肢皮肤穿戴界面,研究了不同切向力作用下两种常用的假肢接受腔材料与皮肤的摩擦能量损耗.结果表明:接受腔-皮肤界面往复摩擦过程中,随着切向力的增加,皮肤发生的弹性变形增大,皮肤摩擦前后的温差增加,摩擦过程中的能量损耗增大.接受腔材料表面结构直接影响着残疾人穿戴假肢的舒适性.相较于表面粗糙度较大的国内生产接受腔材料,表面粗糙度较小的进口接受腔材料降低了皮肤的摩擦能耗,减轻了皮肤的发热和变形,降低了皮肤损伤的风险,提高了与皮肤界面的适配性.     

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析.结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响.在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50 N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区.摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小.磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化.同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失.随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大.磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损.     

面接触多体摩擦过程界面特性试验研究

基于前期自制的精密摩擦测试系统,以界面间噪声、摩擦系数等界面特性为研究对象,对Si C金相砂纸和不锈钢试件组成的摩擦副由二体摩擦状态向三体摩擦状态演变的过程进行了实时监测,考察了磨粒粒径、载荷、转速等工况条件对界面特性的影响,并探究了试验后试件表面粗糙度情况。试验结果表明:二体摩擦状态向三体摩擦状态演变过程中,界面间噪声逐渐下降后保持稳定;粒径在15μm~30μm范围内,粒径越小,稳定噪声越大,载荷、转速对稳定噪声的影响不明显,摩擦系数先迅速减小又逐渐增大后趋于稳定;粒径在15μm~30μm范围内,增大磨粒粒径、转速、载荷均会使摩擦系数的稳定状态提前、稳定摩擦系数增大;试验后的试件表面粗糙度与界面间的摩擦系数具有很强的相关性,但基于不同工况条件,这种相关性并不一致;对于变磨粒粒径试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越大;对于变载荷试验和变转速试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越小。     

法向载荷和滑动速度对GCr15钢干滑动摩擦的影响

本文研究了在干滑动摩擦情况下,GCr15钢与YG8硬质合金对磨时的摩擦系数与法向载荷及滑动速度的关系。结果表明,摩擦系数是随着法向载荷和滑动速度的增加而降低。根据磨损表面发生的变化和磨损表面温度计算,作者认为法向载荷和滑动速度的增加使闪温增高,从而导致了摩擦磨损表面的局部熔化,即形成了边界润滑,故此摩擦系数降低,而且在较高的载荷和滑动速度条件下,不同显微组织材料的摩擦系数之差减小。     

碳纤维增强铅基合金复合材料的摩擦磨损性能研究

作者在给定的试验条件下对几种碳纤维增强的Pb基合金复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,发现它们在干摩擦时的摩擦系数和磨损率都比Pb基巴氏合金的低,但在20~#机械油润滑下,复合材料的摩擦系数却明显地比Pb基巴氏合金的高,耐磨性也较差。此外,作者还通过扫描电镜对磨损表面的观察解释了试验结果。     

Tire-ice model development for the simulation of rubber compounds effect on tire performance

The material properties of the rubber compounds, which are highly dependent on temperature, have a vital role in the tire behavior. A comprehensive study on the effect of the rubber properties on tire performance, for different temperatures, as well as different road conditions is required to adequately predict the performance of tires on ice.In this study, a theoretical model has been developed for the tire-ice interaction. The temperature changes obtained from the model are used to calculate the height of the water film created by the heat generated due to the friction force. Next, the viscous friction coefficient at the contact patch is obtained. By using the thermal balance equation at the contact patch, the dry friction is obtained. Knowing the friction coefficients for the dry and wet regions, the equivalent friction coefficient is calculated. The model has been validated using experimental results for three similar tires with different rubber compounds properties. The model developed can be used to predict the temperature changes at the contact patch, the tire friction force, the areas of wet and dry regions, the height of the water film for different ice temperatures, different normal load, etc.     

层片式复合材料摩擦性能与表面形态的研究

粉末冶金材料摩擦面上多组分的混合以及第三体的存在,不利于澄清材料中不同组分对摩擦性能的贡献程度.本文采用机械组合方法制备了铜-钢-铝层片式摩擦材料,通过定速摩擦试验机,在干、湿两种条件下,观察了3种组分的摩擦表面微结构随摩擦速度的变化过程,测试了不同条件下的摩擦性能.结果表明:铜良好的塑性和焊合性,易形成与基体黏附性良好的第三体,使表面的粗糙程度增加;钢较高的强度及其氧化物的脆性,形成的第三体流动性好且与基体的结合强度有限,容易发生开裂和脱落;铝形成的富氧化铝的第三体,其颗粒间较差的黏合程度易在表面弥散分布,使表面平整度好.在摩擦速度低于900 r/min条件下,水分的润滑作用使湿摩擦条件下的摩擦系数低于干摩擦;摩擦速度高于900 r/min时,水分的冷却和清理微细第三体颗粒的作用,降低了材料的软化程度和第三体的流动性,使湿摩擦系数大于干摩擦系数.     

牙科用抗菌性义齿基托材料的摩擦磨损性能研究

在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上,采用往复运动形式考察了牙科用抗菌性义齿基托材料的摩擦磨损性能,探讨在干摩擦和人工唾液润滑状态下抗菌性义齿基托材料的摩擦磨损性能.结果表明:在干摩擦条件下,随着抗菌剂含量的增加,义齿基托的摩擦系数逐渐升高,磨损深度逐渐减小,其磨损机制由粘着磨损和疲劳磨损共存转变为以疲劳磨损为主;在人工唾液环境中,抗菌剂含量对于义齿基托摩擦系数的影响并不明显,磨损深度随抗菌剂含量的增加明显减小,这可能与聚合物表面吸附水并形成保护膜有关,其磨损机制与干摩擦情况下基本一致.综合考虑不同比例抗菌剂对其摩擦磨损性能的影响,结合以前的抗菌性试验,抗菌剂的最佳添加量为2%.     

聚氨酯丝与PET丝摩擦磨损性能的试验研究

在自制多功能粘着摩擦磨损性能试验台上进行仿壁虎刚毛用聚氨酯和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)2种丝材的摩擦性能对比试验,在不同正压力下悬臂梁带动上试样丝以45°夹角相对下试样丝滑动,安装在悬臂梁上的二维传感器同时将正压力和摩擦力电信号输送计算机进行处理,计算得到摩擦系数平均值.结果表明:当法向压力处于0.5～2.0 mN范围内时,聚氨酯丝的平均摩擦系数为4.22;当法向压力在0.2～1.0 mN范围内时,PET丝的平均摩擦系数为0.29,前者为后者的14倍.高表面能引起的粘着为聚氨酯摩擦系数较高的主要原因.试验结果为仿壁虎机器人脚掌刚毛材料的选择与制备提供了依据.     

可熔融加工PTFE对FEP在干/湿环境中摩擦磨损性能的影响

为建立含氟聚合物的使用性能与干湿工作环境的关系,采用热压成型的方式制备聚四氟乙烯(PTFE)试样,并通过挤出注塑成型方法制得可熔融加工PTFE (M-PTFE)/聚全氟乙丙烯(FEP)共混物. 研究PTFE和FEP的相关性能,特别是M-PTFE/FEP共混物的力学性能以及在干、湿状态下的摩擦磨损性能. 结果表明:在研究的配比范围内,共混材料的拉伸强度随着M-PTFE含量的增加而增大. 干摩擦条件下,M-PTFE的质量分数≤20%时,增加M-PTFE含量可降低试样的摩擦系数与体积磨损率,但M-PTFE的质量分数达到30%时两个参数均会增大. 湿摩擦条件下,试样的摩擦系数和体积磨损率与M-PTFE的添加量之间无规律性,但都低于干摩擦条件的值. 对磨面形貌的SEM照片分析表明:在干摩擦条件下,增加M-PTFE添加量会促进转移膜的形成和完善,但湿摩擦会抑制转移膜的形成.