EFFECT OF INTERGRANULAR FRICTION ON THE BOTTOM FORCE CHAIN OF TWO-DIMENSIONAL PARTICLE PILES WITH POINT DEFECTS1)

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明：在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2 层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。     

A model for large electrostrictive actuation in ferroelectric single crystals

A new mode of large electrostrictive actuation, based on 90° domain switching in ferroelectric crystals subjected to combined electromechanical loading, has recently been experimentally demonstrated. In this paper, we develop a model for this phenomenon by assuming a reasonable arrangement of domain walls and formulating equations of motion for these walls. The model captures most of the features observed in the experiments, reveals the significant role of friction at the interfaces between the loading frame and the crystal surfaces, and predicts that a reduction of friction will allow larger strains at lower mechanical loads.     

天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

Traction–separation laws and stick–slip shear phenomenon of interfaces between cellulose nanocrystals

Cellulose nanocrystals (CNCs) are one of nature's most abundant structural material building blocks and possess outstanding mechanical properties including a tensile modulus comparable to Kevlar. It remains challenging to upscale these properties in CNC neat films and nanocomposites due to the difficulty of characterizing interfacial bonding between CNCs that governs stress transfer under deformation. Here we present new analyses based on atomistic simulations of shear and tensile failure of the interfaces between Iβ CNCs, providing new insight into factors governing the mechanical behavior of hierarchical nanocellulose materials. We compare the two most relevant crystal interfaces and find that hydrogen bonded surfaces have greater tensile strength compared to the surfaces governed by weaker interactions. On the contrary, shearing simulations reveal that friction between the atomic interfaces depends not only on surface energy but also the energy landscape along the shear direction. While being a weaker interface, the intersheet plane exhibits greater energy barriers to shear. The molecular roughness of this interface, characterized by a greater energy barrier, exhibits stick–slip deformation behavior as opposed to a more continuous sliding and rebonding mechanism observed for the interfaces with hydrogen bonds. Analytical models to describe the energy landscapes are developed using energy scaling relations for van der Waals surfaces in combination with a modification of the Prandtl–Tomlinson model for atomic friction. Our simulations pave the way for tailoring hierarchical CNC materials by taking a similar approach to techniques employed for describing metals, where mechanical properties can be tuned through a deeper understanding of grain boundary physics and nanoscale interfaces.     

润滑剂作用能力的分子轨道指数判据--润滑剂分子极性基团与金属表面之间的相互作用

采用分子轨道指数研究润滑剂分子与金属表面间相互作用的能力 ,通过比较键合原子净电荷以及分子间相互作用的最高占据轨道能级 (EHOMO)和最低空轨道能级 (ELUMO)的大小发现 ,醇和羟基化金属表面的氢键力大于酯与羟基化金属表面的氢键力 .根据分子轨道能量近似原则和反应性指数大小判断 ,酯和裸露的金属原子之间的作用强于醇 ,醇和酯复配的润滑剂通过发挥各自的优势而强化润滑剂分子与金属表面之间的作用 ,从而表现出协同减摩效应 .     

Pattern formation in particle systems driven by color field

The structural evolution of systems with two kinds of particles driven in opposite directions, i.e., driven by a color field, is investigated by molecular dynamics simulations. Gaussian thermostat,a common treatment to restrict the thermal velocity of the particles in the systems, has been used so as to account for the dissipation of heat and allow the system to reach a steady state. It has been found that with the increase of the strngth of driving force (F), the system undergoes an obvious structural transition from an initially random mixing state to a state characterized by separate lanes and in each lane only one kind of particles exists. The analysis shows that the reason for the formation of lane structure is not only the increase of F but also the variation of particle friction coefficient. While using Ganssian thermostat the particle friction coefficient becomes a function of F. Increasing F leads to high particle friction coefficient and inevitably results in lane formation for strong enough driving force. When lifting the effect of F on friction coefficient and choosing a constant friction coefficient,our results show that for a given F there always exists a critical value of friction coefficient higher than which the system will develop into lane structure.     

钢-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起电行为

作为界面摩擦中普遍存在的一种物理现象,摩擦起电由于其对摩擦界面的高度灵敏性而被广泛研究. 以钢-聚四氟乙烯(PTFE)为研究对象,通过采集摩擦过程中的摩擦系数、钢球的接地电流以及PTFE的表面电势,对其摩擦界面的起电行为进行了详细研究. 三种信号的波动幅值呈正相关性,反映了摩擦-摩擦起电的内在联系. 在钢-PTFE的摩擦过程中,材料的转移诱导使得PTFE的表面电势在达到饱和值后会反向演化. 利用钢-PTFE摩擦副进入稳定摩擦阶段的时间与摩擦电势的反向演化时间的关联性设计钢-PTFE或其他金属-聚合物摩擦副的摩擦状态监测系统,对实现机械运动过程中的摩擦副运动原位监测和故障预警具有重要价值.      

圆柱形表面微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响

采用激光工艺加工圆柱形表面微孔阵列,并采用三维表面形貌仪表征形状特征和形貌,在摩擦磨损试验机(UMT-Ⅲ)上进行球盘点接触摩擦学试验,研究微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响.采用Stribeck曲线表征润滑状态的转变,并辅以接触电阻定性表征摩擦副所处的润滑状态.结果表明:微坑深度对点接触润滑摩擦性能有显著影响,随微坑深度从30μm减至0,摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势,在本文试验条件下微坑深度为10μm左右时,摩擦系数较光滑表面低,并达到最小.同时,微坑的大小和面积比对摩擦系数也有明显的影响,并同样呈现先减小后增大的趋势.因而存在优化的微坑以达到减小摩擦改进润滑的目的.     

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究

在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响.结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响.在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数.质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.     

蠕墨铸铁／40Cr配副干摩擦三维表面形貌特征研究

采用探针式三维表面形貌仪考察了销－盘式干磨擦试验条件下蠕墨铸铁度销磨损表面的三维形貌特征。结果表明：度销磨损表面主要呈现犁沟型、孤岛型及二者的混合型３种形貌特征,其中具有孤岛型磨损表面形貌特征的试样的摩擦系数较高,磨损率较低;而具有犁沟型磨损表面形貌特征的试样的摩擦系数最低,磨损率最高,分析表面形貌参数发现：犁沟型表面形貌具有最大的表面高度偏差和表面空隙率及高负值的表面高度分布参数;而孤岛型表面形貌的表面高度偏差和表面空隙率最小,表面高度分布参数为高正值。     

润滑油添加剂—硼酸酯的摩擦磨损性能及其抗磨机理之研究

作者合成了6种烷基链长不同的直链有机硼酸酯,并且利用Titaken试验机考察了它们用作润滑油添加剂的摩擦磨损性能;利用气相色谱仪(GC)对摩擦后的硼酸酯及摩擦产生的气体进行了分析;利用X-光电子能潜仪(XPS)和电子探针(EPMA)对摩擦表面进行了分析。Timken试验表明,硼酸酯有优良的减摩抗磨性能及较高的失效负荷,而且它们的分子链越长,减摩抗磨性能越好,失效负荷越高;GC分析表明,硼酸脂在摩擦过程中发生了碳链的降解并产生了小分子的气体;XPS和EPMA分析表明,硼以降解的硼酸酯的形式吸附于摩擦表面,而且硼酸脂的分子链越短,吸附于摩擦表面上降解的硼酸酯的分子也越短,但没有B_2O_3和FeB产生。     

受限颗粒体对制动系统非线性振动的影响

制动系统在工作时,往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响,这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性,一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型,引入了新的受限颗粒体摩擦模型,提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在特定参数下,当此系数为0时,制动片切向振动为周期运动;但是当此系数不为0时,制动片切向振动呈现拟周期或混沌运动,此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化,甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内,受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.      

Pattern formation in particle systems driven by color field

The structural evolution of systems with two kinds of particles driven in opposite directions, i.e., driven by a color field, is investigated by molecular dynamics simulations. Gaussian thermostat, a common treatment to restrict the thermal velocity of the particles in the systems, has been used so as to account for the dissipation of heat and allow the system to reach a steady state. It has been found that with the increase of the strength of driving force （F）, the system undergoes an obvious structural transition from an initially random mixing state to a state characterized by separate lanes and in each lane only one kind of particles exists. The analysis shows that the reason for the formation of lane structure is not only the increase of F but also the variation of particle friction coefficient. While using Gaussian thermostat the particle friction coefficient becomes a function of F. Increasing F leads to high particle friction coefficient and inevitably results in lane formation for strong enough driving force. When lifting the effect of F on friction coefficient and choosing a constant friction coefficient, our results show that for a given F there always exists a critical value of friction coefficient higher than which the system will develop into lane structure.     

磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响

通过在微动循环一定周次后清除磨屑和制备表面织构储存磨屑,研究磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响. 结果表明:与以往认识不同,清除磨屑会导致摩擦系数和系统形变量随周次的变化曲线出现突降,最大降幅分别可达63%和41%,微动循环图也相应发生改变. 循环一定周次后,磨屑的产生和排出重新达到平衡,摩擦系数与系统形变量又恢复到清除磨屑之前的水平. 当在TC4钛合金表面制备垂直于微动方向的沟槽状表面织构后,大量的磨屑被沟槽束缚在接触区域,造成接触面之间磨屑较多,进而导致摩擦系数和系统形变量比无织构时更大,最大增幅分别可达21%和47%. 收集磨屑后用扫描电子显微镜观察,发现磨屑呈松散的颗粒状,尺寸集中在0.2~1.5 μm,并且多数呈现团聚状.      

质子型离子液体水基润滑液摩擦学性能研究

配置了不同质量分数的质子型离子液体二乙醇胺月桂酸(Bis[(2-hydroxyethyl)ammonium] lauric，B_OEAL)水溶液，使用MRS-10A摩擦试验仪、NGY-6型纳米膜厚测量仪、接触角测量仪，对B_OEAL水溶液的减摩抗磨性能、极压性能、成膜性能和润湿性等进行试验研究，并用3D共聚焦表面形貌仪和XPS对摩擦磨损机制进行了分析. 结果表明: 质量分数为5%的B_OEAL水溶液最大无卡咬负荷在834~883 N之间，相比纯水(98 N)有较大的提高，即B_OEAL可作为水基润滑液的极压添加剂. B_OEAL的加入显著提高了纯水的成膜能力以及在钢-钢摩擦副表面的润湿性能. 分析原因是B_OEAL中的极性基团可以在金属表面形成致密的化学吸附膜或物理吸附膜，从而使得金属摩擦副的摩擦系数降低，抗磨效果提高，同时由于B_OEAL分子极性较强，低质量分数的B_OEAL水溶液在不锈钢表面就表现出良好的摩擦学性能.      

30CrMnSiNi2A钢干滑动摩擦磨损特性研究

利用销盘高速干滑动摩擦磨损试验机,对30Cr Mn Si Ni2A低合金超高强度钢的摩擦磨损性能进行了研究,应用JSM-6390A型扫描电子显微镜和X-衍射方法对摩擦磨损表面进行观察,表征其摩擦表面的微观形貌、摩擦磨损产生的磨屑以及由于摩擦产热而引起的氧化物,进而推断出磨损机制.结果表明:摩擦系数随速度和载荷的增大而减少,其速度是影响摩擦系数的主要因素;在摩擦初期当摩擦系数快速下降时,摩擦表面温度急剧增加,当达到一定数值后二者都形成一个动态的平衡;随着速度和载荷增大,磨损机理主要由氧化磨损转变为剥落、塑性变形、犁沟以及黏着磨损,且磨损表层的氧化物由Fe O转变为Fe_3O_4和Fe_2O_3,当出现Fe_2O_3氧化物时,磨损率急剧升高.     

表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响

设计了一种微凹坑表面织构,通过数控精密机械加工的方法制备于缸套切片表面,利用往复式摩擦磨损试验机研究了微凹坑织构在不同工况下的摩擦性能和对内燃机缸套-活塞环摩擦副摩擦性能的影响.试验数据表明:与无织构化表面相比,微凹坑织构的平均摩擦系数均有不同程度的变化,最大降幅达41.83%,最大增幅达33.68%.当微凹坑织构工作在合适的工况条件时,其摩擦性能比无织构化表面有明显的改善.对于某种具有固定几何参数的表面织构,存在一个合适工况条件使其能够最有效地改善摩擦学性能,该工况可为进一步研究提供依据并便于实际应用.此外,转速是影响表面织构改善表面润滑性能的主要因素,试样在不同转速下具有不同的接触电阻阻值变化规律和不同的摩擦系数变化趋势.而在不同转速下,载荷的变化对表面摩擦性能的影响规律也具有明显的差异性.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.