重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势

阐述了橡塑密封系统摩擦学在"工业强基"战略以及智能制造装备(中国制造2025)的主要挑战.综述了目前橡塑密封的弹性体磨损、润滑、摩擦、界面失稳研究现状,概述了橡胶摩擦学在磨损润滑、摩擦接触研究的主要难题(包括基础理论、计算方法、仪器研制等),分析了我国与世界高端橡塑密封工业先进发达国家的差距,并就未来橡塑密封理论、技术、应用领域的重点提出了若干建议,为我国基础件研究和生产制造、工业摩擦学界提出了建议.     

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.     

在滑动的聚合物界面上原位研究摩擦学过程

对热塑性聚合物与光学透明盘滑动时的摩擦学界面过程进行了显微研究,用电视记录,像处理技术进行分析。发现了导致磨损的不同机理(例如,粘着转移,划痕的形成,微粒的产生等),这取决于聚合物类型和摩擦条件。理论估算和显微观察揭示了聚合物的转移取决于聚合物受剪切时的屈服强度与额定界面应力之比,并且能够确定在界面上的聚合物磨粒尺寸的分布。     

钛合金表面MAO/粘接PTFE涂层的真空摩擦学性能

采用真空球盘摩擦试验机,分别在低载、中载和重载工况下测试了一种MAO/粘接PTFE复合涂层的摩擦学性能.结果表明:微弧氧化层提升了基底抵抗变形的能力,确保了摩擦过程中粘接PTFE涂层与基底结合状态的稳定,并且在原位生长过程中继承了金属表面原有的机械加工形貌,形成了特殊的"波峰"与"波谷"交替并存的"波状"多孔地形."波峰"与孔壁作为与摩擦对偶接触的硬质区域起承载和耐磨损作用,"波谷"和微孔作为与摩擦对偶接触的软质区域起贮存润滑剂与提供转移膜的作用.在两者的耐磨-减摩协同作用下,MAO/粘接PTFE复合涂层在不同接触应力条件下的摩擦学寿命较传统的喷砂/粘接PTFE的摩擦学寿命有了极大提升.     

聚合物基复合材料摩擦学改性研究新进展

总结了国内外近几十年来聚合物基复合材料摩擦学改性方面的研究新进展情况.通过介绍聚合物摩擦学改性方法包括聚合物共混改性、纤维增强改性,以及纳米材料改性和多元复合改性等,讨论了其对聚合物摩擦学性能的影响,分析了其摩擦磨损机理.分析认为功能性纳米材料及多元复合填料的协同效应能更加有效地改善聚合物基复合材料的摩擦磨损性能,并且在聚合物摩擦学改性方面起着越来越重要的作用.     

聚合物／无机纳米复合材料润滑油添加剂的摩擦学功能设计

选择3种具有不同抗磨性能的纳米组分,制备了具有不同界面特性的聚合物／无机纳米复合材料;考察了纳米复合材料的减摩抗磨性能和机理,探讨了关于纳米复合材料润滑油添加剂的摩擦学功能设计准则。结果表明：对聚合物与无机纳米组分界面进行设计优化后能明显提高纳米复合材料的摩擦学性能。实现聚合物与无机纳米组分界面的优化设计后,聚合物与无机纳米组分之间具有更好的相容性,无机纳米组分在聚合物基体中分布更均匀;当聚合物基体在摩擦热和剪切作用下熔融分解后,裸露出来的具有高活性的无机纳米组分可在摩擦副接触表面形成具有良好摩擦学性能的表面膜。     

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.      

飞行时间二次离子质谱在摩擦学领域中的应用

介绍了二次离子质谱(SIMS)的结构、基本原理、分析特点,特别是飞行时间二次离子质谱在摩擦学研究领域,如对涂层及摩擦反应膜、润滑油添加剂的吸附与反应、硬磁盘/磁头摩擦界面中的应用与进展,指出了飞行时间二次离子质谱分析中存在的问题,希望为摩擦学领域学者在表面分析方面提供一些新的启示.     

中低压工况下几种典型油封的性能试验研究

为考察旋转油封在中低压工况下的性能,以TC、TCG、耐压TCV、有支撑环的TCGZ四种典型在役油封为试验对象,以YH-15航空液压油为密封介质,在轴转速600~8 000 r/min、油压0~0.2 MPa的工况范围内,试验测试了上述四种油封的摩擦扭矩和摩擦界面附近轴端平面温度.结果表明:摩擦扭矩随转速的变化规律与油封结构及油压有关;TC在中低压工况下性能欠佳,其摩擦扭矩及轴端面温度对油压的变化较为敏感;TCV的唇口短而厚,其耐压性较好,不同油压下所测性能参数较稳定;油压对TCG的摩擦扭矩及轴端面平均温度影响最大;因支撑环能承担部分油压,与TCG相比,油压对TCGZ的摩擦学性能及温度的影响明显减弱,但与TCV相比,其耐压性能仍有待提高.     

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代...     

电接触材料摩擦学研究进展

电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用，但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题，因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发，综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题，分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究，这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.      

绿色摩擦学的科学与技术内涵及展望

在简述绿色摩擦学产生背景的基础上,系统地论述了绿色摩擦学的科学与技术内涵.着重阐明了绿色摩擦学的定义、目标和主要任务以及狭义和广义的绿色摩擦学所包含的领域;结合绿色摩擦学的最新进展,全面地介绍了绿色摩擦学的技术内涵（研究范围或领域）.最后,指出了绿色摩擦学今后的主要发展方向.     

碳纳米管复合橡胶磨损颗粒物影响因素的试验研究

碳纳米管复合橡胶轮胎是一种应用前景非常广阔的新型高性能轮胎，然而碳纳米管复合橡胶轮胎磨损颗粒物(TWPs)安全性隐患为这类轮胎的广泛应用带来了极大的不确定性. 采用自行设计的摩擦磨损试验机，研究了碳管含量、负载、滚动速度和滑移率对碳纳米管复合橡胶磨损颗粒物性态的影响，分析了这些因素与磨损颗粒物性态及橡胶磨损机理的关系. 结果表明:碳纳米管能够显著增强橡胶耐磨性能并降低胎面温度，增加碳纳米管含量可以有效抑制磨损颗粒物特别是微小颗粒物(≤3 μm)数量. 碳纳米管可以使复合橡胶硬度增加，使微小磨损颗粒物的增长速率高于未添加CNTs的橡胶. 力-化学效应导致的胎面热氧化发黏现象会使磨屑更易团聚粘附在胎面，从而减少微小磨损颗粒物排放. 负载变化主要影响胎面磨损形态，速度和滑移率变化主要影响胎面附着的颗粒物数量和状态. 研究结果可以为防控碳纳米管复合橡胶因磨损而导致的次生危害提供科学参考.      

绿色船舶的摩擦学研究现状与进展

绿色船舶是船舶领域1个重要的发展方向,摩擦学理论及其技术在以新能源应用为特征的绿色船舶发展过程中将起到重要作用。导致绿色船舶在运行过程中功率损失和能耗增加的原因主要涉及到内摩擦和外摩擦两方面的问题,前者主要包括船舶主机、辅机与轴系等机械装置内各摩擦副之间产生的摩擦,而后者主要存在于与空气和水接触部分,包括甲板上层建筑、船体壳板、螺旋桨、舵与艉轴外支架等。本文在解析绿色船舶与摩擦学之间关联的基础上,以系统的观点从三方面就相关摩擦学问题进行了详细论述,重点论述了风能和太阳能在船舶上应用的摩擦学问题、船舶减阻的摩擦学研究以及船舶能效提升涉及的摩擦学问题。最后,结合绿色船舶摩擦学的现有研究进展及发展趋势,对摩擦学相关研究工作在船舶行业的应用前景进行了展望.     

超声波电机用摩擦材料的研究进展

归纳并探讨超声波电机摩擦材料的基本要求与国内外研究进展.基于行波型超声波电机驱动特点及运行规律,从摩擦学、接触力学和材料学3个方面对超声波电机用摩擦材料的特殊要求进行探讨,初步得出超声波电机摩擦材料应具有优良的摩擦学、一定的接触变形和一定的结构特性3个方面的特殊要求.最后,针对超声波电机摩擦材料研究中存在的问题,提出一些超声波电机摩擦材料值得重视的研究方向,即建立更为完善的接触模型、研制针对多种环境下使用的多种系列摩擦材料、开发考察摩擦材料性能的专门试验设备与测试技术方法和寿命预测技术方法等.     

Stress response of a rubber block with frictional contact under axial loading

Rubber blocks (or springs) are structural components widely used in many applications. Design characteristics of a rubber block under axial loading are an apparent modulus (or compression modulus) and normal and shear stresses on contact surfaces. These are affected by a contact condition of the rubber block in contact with two rigid plates and the shape of the block. The problem of a rubber block bonded to two rigid plates has been solved using various approaches. In contrast, for a rubber block whose one surface is bonded to a rigid plate and the other surface in contact with a frictional surface, there is little work in spite of practical applications. For this contact condition, approximate solutions for rectangular blocks in plane strain and for axi-symmetric discs are derived under the assumption of Coulomb frictional contact. The problem is treated as an extension of the problem of an incompressible rubber block bonded to two rigid plates with one of the plates having a frictional interaction with the rubber block. In the linear range of deformation, finite element analysis and experimental results for rubber blocks with shape factors ranging from 1 to 6 are compared for the validation of analytic results. It is found that friction coefficients play important roles in the design characteristics of the rubber block.     

摩擦学的进展与展望

对摩擦学近１０多年来在润滑与润滑剂和摩擦与磨损两个方面的进展作了综合介绍与评述，指出最引人注目的是采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜和超薄膜干涉仪等先进仪器设备对边界润滑和边界膜进行原位研究，以及纳米摩擦学、陶瓷摩擦学、空间摩擦学、核反应系统摩擦学、微观摩擦学和表面工程等的发展与各种新型摩擦学材料的开发。同时，还对本世纪末和下世纪初摩擦学的发展前景作了展望，认为在摩擦学设计、新的摩擦学系统、特殊的摩     

Computational modeling of surface phenomena in soft-wet materials

We consider the problem of extracting tribological information from experimental observations of contact with soft-wet materials. Particular attention is placed on simulating the response of two rotating cylinders of soft specimens placed in frictional contact, with a variable coefficient of friction dependent on the relative sliding velocity. The bulk behavior is modeled by means of a finite deformation viscoelasticity formulation, with constitutive parameters taken to be representative of hydrogels. We focus on the modeling of the surface behavior and employ a mortar-finite element contact formulation. Through a series of numerical studies, we demonstrate the strong sensitivity of the results to the choice of interfacial constitutive parameters. The difficulties of extracting such parameters using only experimental data and approximate analytical expressions are also examined.     

Modelling the traction of a prototype track based on soil–rubber friction and adhesion

An experimental track layer tractor, based on an Allis Chalmers 8070 tractor (141 kW) was tested on bitumen covered concrete and on cultivated sandy loam at 7.8%; 13% and 21% soil water content. The two articulated beam-type tracks (500 mm wide × 2000 mm soil contact length) were constructed out of 500 mm long and 70 mm wide rubber covered steel track elements, carried by five steel cables (36 mm diameter). The tracks resisted inward deflection but allowed outward articulation between two smooth rear driving and two smooth front pneumatic truck tires (1060 mm diameter) per track. The contact pressure and the tangential force on an instrumented track element, as well as the total torque input to one track, were simultaneously recorded during the drawbar pull/slip tests.

Different possible pressure distribution profiles under the tracks were considered and compared to the recorded data. Two possible traction models are proposed, one constant pressure model for minimal inward track deflection, and a deformable track model with inward deflection and a higher contact pressure at both the front free-wheeling and rear driving tires. For both models, the traction force was generated mainly by rubber/soil friction and adhesion and limited soil shear. A close agreement between the measured and predicted contact pressures and traction force for individual track elements, based on the deformable track model, was observed. The recorded and calculated coefficient of traction based on the summation of the force for the series of track elements were comparable, but were considerably lower than the predicted values, probably due to internal track friction rather than soil sinkage. The tractive efficiency for both a hard or soft surface was also unacceptably low, probably caused by internal track friction.