磨粒积聚与磨损表面之间的分形维数关联性研究

在环端面接触磨损试验机上，采用45^#钢—铜配副进行磨损试验，收集不同磨损阶段的磨屑，用光学显微镜进行统计，分析磨粒积聚与磨损表面之间的分形维数关联性．结果表明，磨粒积聚数与其粒径之间存在显著的分段分形特征，第二分形维数同试验时间具有反抛物线函数关系．对磨损表面轮廓的分形测量表明，磨损表面的分形维数变化也具有相似的反抛物线函数关系．此外，磨损表面分形维数同磨粒积聚分形维数具有很好的相关性，但二者之间在磨合前后的对应关系稍有差别；磨粒积聚第二分形维数同磨损率变化成反比．     

基于基底长度的粗糙表面分形接触模型的构建与分析

为建立更为精确的粗糙表面接触模型,根据微凸体变形特征、分形理论以及摩擦的作用,从微观角度基于基底长度建立了粗糙表面分形接触模型.通过与其他粗糙表面接触模型和实验数据的比较,验证了本文模型的正确与合理,并由数值仿真分析了分形维数、接触载荷与真实接触面积之间的相互关系.分析结果表明:特征尺度一定时,要维持一定的真实接触面积,分形维数越大,所需要的力也越大;分形维数与特征尺度一定时,随着载荷的增加,接触面积也在增加;特征尺度与接触力一定时,随着分形维数的增大,真实接触面积在减小.该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损与润滑提供了理论依据.     

关联表面分形特性的润滑模型

在分配有面粗糙度与材料表面分形特性关系的基础上，将分形特性引入润滑方程，提出了关联表面分形特性的润滑模型，并分析了润滑模型中压力流量因子和剪切流量因子与表面分形维数之间关系。计算结果表明：在相同分形维数（D）下，随着微突体纵横比v的增大，压力流量因子和剪切流量因子相应增大，且其随分形维数D的变化同随油膜粗糙度比H的变化相比呈现出更强的不规则特性，出现局部最大和最小值，并且分辨率较高。     

表面轮廓分形维数计算方法的研究

阐述了表面轮廓分形和分形曲线的基本概念，对目前常用于表面轮廓分形维数的４种计算方法的基本思路作了评介，指出这些方法的计算结果都存在一定的偏差，对选择不同计算尺度得到的分形维数表现出较大的不稳定性，致使分形维数难以准确地反映表面轮廓的真实复杂特征．根据表面轮廓的均方差与区间尺度成比例的性质，提出了表面轮廓分形维数计算的协方差加权法．通过与Ｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ－Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ分形函数曲线的分形维数计算的比较，协方差加权法所得表面轮廓分形维数的稳定性良好，计算结果的准确性也明显提高，可以简化表面形貌的识别过程，为摩擦学研究中更准确地描述粗糙表面的复杂特征提供了一种简便适用的新方法．     

考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型

基于三维分形理论，建立了考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型，并且考虑了微凸体的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形. 通过该模型，分析了摩擦系数、分形维数、分形粗糙度和接触载荷对热接触热导的影响. 研究结果表明:接触热导随着摩擦系数和分形粗糙度的增大而减小，随着分形维数和接触载荷的增大而增大. 该研究为开展接合面的热传递提供了一定的理论基础.      

分形表面接触变形对部分膜润滑的影响

在M-B分形接触模型的基础上,利用引入接触因子的平均流动模型,分别计算在考虑和不考虑分形表面接触峰变形情况下的流量因子和接触因子,研究分形表面接触变形对润滑状态的影响.结果表明:接触变形使得各因子减小,其中对剪切流量因子的影响最大,对压力流量因子和接触因子的影响相对较小,尺度系数越大,接触变形对剪切流量因子最大值的影响越大,剪切流量因子变化越缓慢,弹塑性变形的转化范围越宽;对于一定的名义膜厚,随着分形维数增加,接触弹塑性的转变会使变形对各因子的影响先增后减;对于相同的尺度系数,接触变形对流量因子的影响在相同的分形维数范围内达到最大值.     

磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.     

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

粗糙表面接触的层级模型

真实的材料加工表面的粗糙度往往跨越了多个尺度。本研究建立了一种新的粗糙表面层级接触模型。对于较大尺度部分，截断过滤短波长的粗糙度，然后运用连续介质力学的方法计算出相应的近似接触面积和局部压力的分布；对于较小尺度部分，本研究基于分形理论，利用二维Cantor集来描述层叠的短波长微凸峰，然后对在较大尺度得到的近似接触面积进行细化修正，计算出了最终的接触面积。为了验证所建立的模型，将得到的整体接触响应与有限元法计算结果进行了比较。结果表明，该模型能够充分预测粗糙表面的弹性接触响应，而且大大降低了多尺度粗糙表面接触力学建模的计算规模。这对进一步研究跨尺度粗糙表面之间的接触和摩擦具有重要意义。     

CMP加工后芯片三维形貌表征参数体系

针对当前化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)后的芯片表面形貌的表征常常只停留在研究二维轮廓特征，无法完整地表达整个三维表面形貌信息，仅使用单一的评定指标来表征其表面的不平整程度等问题，建立了1个科学、全面的芯片表面形貌评定参数体系应用于工程表面粗糙度评定中，通过分析芯片表面形貌的幅值分布特征，结合芯片表面的统计特性，基于ISO 25178-2标准表征参数建立适用于芯片表面三维评定的表征参数体系. 仿真结果表明:CMP加工后芯片表面形貌的幅值近似服从高斯分布；分形维数D可以准确表征芯片表面形貌，反映其复杂程度；通过幅度参数、空间参数、混合参数和分形参数建立的芯片表面形貌评定体系能够从多方面表征芯片三维表面形貌特征，对芯片表面形貌参数评定具有一定的可行性.      

Temperature measurement of a curved surface using thermographic phosphors

An optical technique for surface temperature measurement based on the fluorescent emission of rare earth ion-doped phosphors was demonstrated in an experiment with a heated cylinder in crossflow. In this experiment, a uniform heat flux was imposed by applying a constant voltage across the thin stainless steel cylinder surface to produce surface temperatures between 24°C and 55°C. The fluorescent emission of a thermographic phosphor, lanthanum oxysulfide doped with europium (La₂0₂S:Eu³⁺) deposited on the surface, was recorded to determine the temperature distribution at the curved surface. When excited by ultraviolet radiation, the phosphor emits a spectrum containing certain emission lines, the intensities of which vary with temperature. For a single temperature-sensitive line, ratios of the intensity at a reference temperature to the intensity at different temperatures were correlated as a function of surface temperature. The use of intensity ratio correlations avoids complications due to geometric (viewing angle) effects. Digitized images of the cylinder permitted calculation of surface temperatures and local Nusselt numbers. Differences between surface temperatures measured by calibrated thermocouples and temperatures determined from the phosphor technique were at most 1.2°C.     

Surface deformation-dependent mechanical properties of bending nanowires: an ab initio core-shell model

An ab initio core-shell model is proposed to evaluate the surface effect in bending nanowires, in which the elastic modulus depends on the surface relaxation and deformation induced by external loading. By using first-principles calculations based on the density functional theory(DFT), the surface and bulk properties are calculated for Ag, Pb, and Si nanowires. The obtained theoretical predictions of the effective Young’s modulus of nanowires agree well with the experimental data, which shows th...     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用

对近年来国内外在采用表面改性技术改善材料的抗微动损伤性能方面的研究和进展作了简要的综述。分析了各种表面改性层在微动摩擦学中的应用和作用机制。指出采用多种表面改性手段，如表面机械强化，表面化学处理及表面涂覆等可不同程度地提高材料的抗微动损伤性能，延长零件的服役寿命。     

贮腔类三维自由液面动力学问题数值研究

讨论了贮腔类三维自由液面动力学问题的数值研究,将任意的拉格朗日-欧拉运动学描述关系引入到系统的控制方程中,采用任意的拉格朗日-欧拉描述跟踪自由液面,推导了自由面上结点的法向矢量计算公式。采用Galerkin余量法推导了Navier-Stokes方程的空间离散有限元方程,采用三维自由液面上微分几何理论推导了表面张力计算公式。数值研究中考虑了接触角效应,最后进行了三维数值算例分析。     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

表面工程摩擦学研究进展

综述了第二代表面工程技术和表面工程摩擦学的研究进展 ,展望了 2 1世纪表面工程摩擦学研究的发展动向 .     

The effect of surface condition and rotation on film / transition boiling from a sphere

The effects of liquid subcooling and surface condition on transition boiling heat transfer from a rotating surface were investigated in a series of experiments in which Freon 113 was boiled on a spinning sphere. In addition to the usual thermal measurements, the boiling behavior in the transition regime was studied by visual means. It was found that the shape of the system's boiling curve was very dependent on the parameters in question. Hydrodynamic instabilities created in the film boiling regime by the rotation of the sphere were carried on to the transition and nucleate boiling regimes of the boiling curve. Boiling curves exhibiting more than one peak flux were obtained.     

粘着行为中预压紧力和分离速度及相对湿度对分离力影响的实验研究

在改变粘着试验中接触副预压紧力、接触副分离速度以及环境相对湿度的条件下，利用表面力仪实时测量了新鲜解理云母接触副分离过程的分离力，并观察了接触后解理云母接触区的状态．结果表明：在保持弹性接触时，预压紧力对分离力影响不大，接触材料的表面能决定分离力的强度；当预压紧力超过临界值时，接触表面发生塑性变形，在一定范围内分离力随预压紧力的增加而增大；在干接触时分离速度与分离力无直接联系，但在存在大粘度中间层液体时，分离速度的增加可使分离力显著增大；分离力随相对湿度的增加而增大．     

表面织构对刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影响

为了研究刀具表面织构对切削性能的影响,通过控制前刀面上微凹坑的直径、深度和面积占有率等参数制备了两组表面高度算术平均值Sa相同的织构刀具.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对织构表面进行测量,采用ISO25178参数对测量表面进行表征;通过SL200KS接触角测量仪测量织构刀具前刀面湿润性的变化;随后在CA6140车床上进行45钢切削试验,研究不同织构对切削力、前刀面摩擦特性、工件表面粗糙度和切屑形变的影响.结果表明:合理的表面织构能够改善刀具的切削性能;切削液在前刀面铺展较快的织构刀具获得了较好的切削性能;凹坑直径、深度和面积占有率的协同作用对改善刀具切削性能至关重要,为了协调这三个织构参数,进一步研究三维表征参数Sku、Ssk、Sv、Vvv、Vvc、Sdv、Sda、Spd与刀具切削性能的关联性,为刀具表面设计提供了基础.