先进微制造力学

元器件小型化带来了功耗低、响应快、比容量大等显著优点,但同时也带来了新的技术挑战和科学问题,需要对微纳尺度下材料的机械物理性能及制造工艺进行深入研究。论文围绕先进微纳米制造技术与微纳米力学的密切关系,首先综述了聚焦离子束、纳米压印、3D打印等微纳米材料与结构的先进制造技术,并着重阐述了先进微纳米制造技术在力学前沿课题研究中的重要作用;另一方面,从方法与原理的角度阐述了力学思想和方法对先进微纳米制造技术的指导与促进作用。最后,还对目前一些先进微纳米制造技术及相关前沿力学问题进行了展望。     

链长对离子液体超薄膜微/纳摩擦学性能的影响

采用浸渍-提拉法在单晶硅片表面成功制备了纳米厚度的具有不同烷基链长的离子液体超薄膜,系统考察了烷基链长对离子液体超薄膜微/纳摩擦学性能的影响.用Mettler热重分析仪测定了离子液体在氮气气氛条件下的热稳定性,采用多功能X射线光电子能谱分析了离子液体超薄膜表面的化学组分,并用接触角仪测定了其亲/疏水性质,薄膜的表面形貌、黏着和纳米摩擦学性质采用原子力显微镜进行了测定,采用微摩擦试验机评价了薄膜的微摩擦学性质.结果表明:离子液体的侧链烷基链长对其作为超薄膜的纳米摩擦学和黏着性质有重要的影响,随着烷基链长的增加,黏着力和纳米摩擦力大幅度降低,但对其微摩擦性能影响不大.同时根据试验结果提出了离子液体超薄膜减摩抗磨机理.     

离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜的构筑及其摩擦学性能的研究

分别采用激光织构、磁控溅射和浸渍-提拉技术在单晶硅片表面成功构筑了具有离子液体纳米薄膜的织构化类金刚石碳复合润滑薄膜,采用三维轮廓仪和SEM观察了织构化类金刚石碳表面,通过X射线光电子能谱证实了织构化类金刚石碳膜表面离子液体纳米薄膜的存在,并利用微摩擦试验机重点考察和理论分析了这种复合润滑薄膜在较大和微载荷下的摩擦学性能.研究结果表明:这种离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜在微载荷下能够有效地缩短磨合时间、降低摩擦系数,然而其在小载荷下摩擦学性能欠佳.     

微机电系统的微观摩擦学研究进展

对微机电系统的微观摩擦学研究现状进行了综述,介绍了在微机电系统中摩擦学呈现的各种新特征,以及材料、环境和不同工况条件对微机电系统运行稳定性的影响,从微观摩擦学角度探讨了微机电系统的润滑问题,介绍了表面改性和薄膜润滑等在解决微机电系统润滑问题方面的研究现状,并对相关领域的工作进展进行了总结和展望。     

润滑剂中微纳米润滑材料的研究现状

随着纳米技术的发展,微纳米润滑材料在润滑剂中已得到广泛的应用。本文对润滑剂中微纳米润滑材料进行分类,通过分析润滑剂承载能力变化,对偶件磨损表面的修复情况,评价了不同类型微纳米润滑材料的摩擦学性能,总结了微纳米润滑材料在润滑剂中的特点,并根据微纳米润滑材料自身的理化性能,提出主要的减摩、抗磨和自修复机理,即光滑或超光滑表面滚动摩擦作用机理、沉积膜机理、嵌入渗透层/摩擦化学反应膜机理。最后,提出了微纳米润滑材料应用于润滑剂中存在问题的和今后关于该研究发展的一些建议。     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.      

原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展

近年来，原子力显微镜在纳米摩擦学研究中获得了越来越广泛的应用，已经成为进行纳米摩擦学研究的重要工具之一，有力地促进了纳米摩擦学的发展．因此，对应用原子力显微镜研究纳米摩擦、纳米磨损、纳米润滑、纳米摩擦化学反应和微型机电系统的纳米表面工程等方面所取得的主要进展作了系统的综合归纳与阐述，并且提出了原子力显微镜在纳米摩擦学应用中亟待解决的几个主要问题．     

从《摩擦学学报》刊出论文的被引用情况分析我国摩擦学领域的研究热点

通过对2000～2006年和2003～2006年期间<摩擦学学报>发表的被引频次排名前15位论文的被引用情况进行统计分析,探讨了近年来我国摩擦学学科的研究热点与发展动向.指出纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦化学作用机制研究,特别是纳米颗粒添加剂在油/脂中的减摩、抗磨及极压作用机制研究是近年来我国摩擦学领域的主要研究热点之一,其它研究热点还包括纳米颗粒增强陶瓷涂层、复合涂层和聚合物复合材料,以及生物摩擦学和绿色润滑油添加剂摩擦学等.这与摩擦学新材料的高性能化和多功能化发展方向相吻合.     

Dynamics problems of micro/nano channel resonators for detection and characterization

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

空间摩擦学的机遇和挑战

分析了我国空间计划对润滑材料与技术的需求,回顾了我国在空间摩擦学方面的研究进展;指出考察空间环境与条件下运动部件的摩擦学行为以及系统开展空间摩擦学研究,将为研制和发展空间润滑材料与润滑技术提供理论基础和技术保障;并针对我国航天发展规划,提出了空间摩擦学相关领域的研究和发展方向.     

外加电场对边界润滑条件下钢—钢摩擦副摩擦磨损性能的影响

利用球－盘式摩擦磨损试验机,考察了钢－钢（ＳＵＪ２／Ｓ４５Ｃ）摩擦副在不同润滑剂润滑下的摩擦磨损性能及外加电场对摩擦磨损性能的影响。结果表明：施加电压,特别是改变电压极性可使摩擦副的摩擦磨损性能发生很大变化,而电场及其极性对摩擦磨损性能的影响效果取决于润滑剂及边界润滑膜的性质。     

几种铝锡硅铜合金的摩擦磨损特性

采用环－块摩擦磨损试验机，考察了含Ｓｉ质量分数为１％～５％的Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金及传统的Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的摩擦磨损性能．结果表明：几种Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金的磨损率低于Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的磨损率，并且随Ｓｉ含量的增加而降低．干摩擦时，摩擦因数随Ｓｉ含量的增加无明显变化；油润滑时摩擦因数则随Ｓｉ含量的增加而略微减小．两类合金的摩擦因数均随滑动速度的增加而减小，随摩擦时间的增加先增加后减小并趋于稳定．磨损表面的ＳＥＭ分析表明：Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金在干摩擦下的磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损，而Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金则包括粘着、疲劳及磨粒磨损等多种形式．在油润滑下，两者的磨损机理则分别为犁削作用和疲劳磨损及分层磨损．     

冷却润滑对纯铁车削刀具磨损的影响机理

合适的冷却润滑方式是改善切削摩擦,降低切削温度和切削力,提高刀具寿命的关键技术.采用干切、水冷、微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)以及菜籽油润滑等四种方式进行了不同工艺参数下纯铁材料的车削试验,研究了冷却润滑方式对纯铁车削刀具磨损的影响机理.结果表明:纯铁车削时刀具磨损形态以主、副切削刃处的沟槽磨损和后刀面磨损为主,前刀面上黏结有工件材料并形成积屑瘤;MQL条件下的刀具寿命最长,而水冷时最小;扩散磨损、氧化磨损和黏结磨损是纯铁车削刀具的主要磨损机理;四种冷却润滑方式下切削力、前刀面与切屑间平均摩擦系数和表面显微硬度的显著差异是造成刀具寿命明显不同的根本原因.     

羟基硅酸盐润滑油添加剂对45#钢/球墨铸铁摩擦副摩擦磨损性能的影响

采用MM-200型摩塔磨损试验机考察了45^#钢／球墨铸铁摩擦副在650SN基础油和含羟基硅酸盐矿物复合微粉的650SN基础油(KF-1)润滑下的摩擦磨损性能，结果表明：在650SN基础油润滑下的摩擦系数和磨损率随试验时间增加变化较小；而在KF-1润滑下，试验初期的摩擦系数和磨损率比基础油润滑下的稍大，随着试验时间的延长，相应的摩擦系数和磨损率同基础油润滑下的相比明显降低．磨损表面显微硬度测试结果表明，在KF-1润滑下45^#钢磨损表面形成了多孔摩擦改性层，硬度明显提高，因而摩擦磨损性能显著改善．     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化. 通过数值模拟结果可知:在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态. 为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.      

润滑介质对单晶硅相变与脆塑行为的影响

研究了分别在十五烷、无水乙醇和蒸馏水润滑下单晶硅的摩擦磨损行为及其相变和脆塑行为.结果表明:在十五烷润滑下单晶硅的摩擦系数和磨损体积损失最低,而在蒸馏水润滑下的摩擦系数和磨损体积损失最大;单晶硅在非极性溶剂十五烷润滑下发生明显的Si-I→a-Si相变,磨损表面光滑并呈现明显的金属塑性特征;单晶硅在无水乙醇润滑下发生轻度Si-I→a-Si相变,磨损表面特征为微弱的塑性变形和微断裂共存;在蒸馏水润滑下,单晶硅发生轻度的Si-I→Si-III相变,磨损表面变得粗糙并伴有大量微断裂;润滑介质的极性是影响单晶硅磨损表面相变和脆塑行为的主要因素之一.     

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.      

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。