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.      

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

Mg-Mn-Ce镁合金表面功能纳米有机薄膜的制备与摩擦学特性

通过有机镀膜技术在Mg-Mn-Ce镁合金表面制备了有机薄膜,采用接触角测量仪测定了有机薄膜的蒸馏水接触角,使用椭圆偏振光谱仪测试了薄膜厚度,利用X射线光电子能谱仪（XPS）表征了薄膜表面典型元素的化学状态,使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌,并借助于纳米划痕测试仪评价了薄膜在微载荷下的摩擦学特性。研究结果表明：有机镀膜后镁合金表面形成了有序的纳米有机薄膜,有机薄膜与蒸馏水的接触角为108.6 °（未处理镁合金基体与水的接触角为45.8 °）,实现了亲水到疏水功能特性的转变;未处理镁合金基体的摩擦系数为0.127,有机镀膜后镁合金的摩擦系数为0.078,因此疏水性纳米薄膜能够有效降低摩擦系数。     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

小肠的结构及边界润滑模型建立

为了实现内窥镜的无损诊治,提高肠道机器人的行走能力,需构建肠道的结构模型和边界润滑模型.本文以小肠为研究对象,表征了其内部结构,测定了肠道内表面摩擦系数与径向应变、载荷和滑动速度之间关系.结果表明:小肠内表面结构由皱襞、绒毛和微绒毛组成;直径变化是影响其摩擦的首要因素,其次是滑动速度和载荷.运用薄膜理论,根据小肠内部结构特征和摩擦系数的变化规律,构建其结构模型及边界润滑模型,并推断出小肠收缩状态润滑形式为流体动压润滑,摩擦阻力主要由肠黏液表面剪切力决定,膨胀时,润滑形式为薄膜润滑,摩擦阻力由肠黏液表面剪切力、绒毛产生的约束力和吸附力决定.     

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.     

丁腈橡胶紫外线臭氧照射亲水改性及其水润滑性能研究

以丁腈橡胶为基底，采用紫外线-臭氧照射进行亲水/超亲水表面改性，通过接触角测量仪、光学显微镜对亲水改性表面的接触角、接触角滞后和微观形貌等特性进行表征，分析了表面亲水性的改性机理，并采用MFT-5000型摩擦磨损试验机测试了丁腈橡胶亲水表面的机械耐久性和保持性. 研究结果表明:采用紫外线臭氧照射丁腈橡胶10 min，就能得到完全润湿的超亲水表面，且在紫外线臭氧照射下，丁腈橡胶与臭氧发生反应生成氧化膜，使亲水改性后的丁腈橡胶，在干摩擦和水润滑状态下均表现出较小的摩擦系数和较好的耐磨性      

激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展

介绍了激光表面织构化的过程及其摩擦学研究现状，讨论了激光表面织构的形状、直径、深度、取向和密度等结构参数对润滑状态及其磨损机理的影响，指出今后可将先进涂层技术和激光表面织构化结合起来，在混合／边界润滑状态下获得较低的摩擦系数，并应加强以润滑理论为基础的研究，预先模拟、计算出表面微结构的最佳参数以达到实际摩擦工况的润滑要求．     

葫芦形微凹坑对不锈钢表面摩擦学性能的影响

本文中利用皮秒激光系统对不锈钢表面进行织构化处理,通过Fluent有限元软件和UMT-2摩擦磨损试验机分析了非规则对称葫芦形织构表面的摩擦学性能,并与具有规则对称性的圆凹坑织构试样及光滑织构试样进行对比,同时利用S-3400 N扫描电镜观察试样表面的磨痕形貌.结果表明:润滑状态下葫芦形正方向织构试样的摩擦系数要明显低于圆凹坑织构试样及无织构光滑试样,葫芦形反方向织构试样的摩擦系数与圆凹坑织构试样相近.这主要是由于织构形状及润滑液流动方向对织构试样产生流体动压效应的影响较大.因此,在润滑液流动方向上,扩大织构自身形状的收敛区间可以强化织构的流体动压效应,这一结论将为进一步优化织构形状提供有力参考.     

点接触润滑粗糙表面滑动摩擦力的预测研究

在整个润滑区域内基于统一Reynolds方程的混合润滑模型,根据流变模型计算流体摩擦力,根据边界膜极限剪应力模型计算微突体接触摩擦力,二者相加得到混合润滑摩擦力.分析了粗糙度幅值和纹理对摩擦系数的影响以及非牛顿流变模型对流体摩擦系数的影响.模拟跨越整个润滑区,即弹流润滑、混合润滑和边界润滑,得到完整的Stribeck曲线.结果表明,表面越粗糙,混合润滑的摩擦系数越大,弹流润滑和边界润滑时粗糙度幅值影响很小.交叉斜纹的润滑效果优于横向纹理.不同极限剪应力流变模型计算的摩擦系数相差不大.     

基于区域分解法的纹理表面流体润滑分析——纹理分布模式的影响

将区域分解法应用于纹理表面的流体润滑计算中,使计算网格数和效率显著提高,为数值模拟表面纹理分布模式对油膜润滑影响提供了有效的计算方法.通过对平板轴承和阶梯轴承表面在多种纹理分布情况下流体动压润滑特性的计算分析,得到提高润滑油膜动压效应的纹理分布模式优化方案,对阶梯轴承表面纹理分布优化过程中3种典型模式进行了定性实验验证.结果表明,流体动压承载能力的计算预测结果与实验测试结果的规律基本吻合.     

不同润湿性锡青铜表面摩擦特性实验研究

运用微细掩膜脉冲电解加工在锡青铜表面制备了不同直径和面积率的微结构,并辅以低表面能处理得到了不同润湿性表面;采用接触角测量仪表征了润滑油的润湿性能;使用球-盘式摩擦磨损试验机研究了油润滑时不同润湿性锡青铜表面的摩擦学特性,并采用扫描电镜观察表面磨损形貌.研究结果表明:低表面能处理后的结构化试样具备疏油性,且其疏油性随着微结构密度增加而增加;与未经润湿性处理表面相比,低润湿性光滑表面和结构化表面摩擦系数最大降幅分别为21.2%、33.6%,磨损率降幅分别为17.3%、4.9%;在3 N载荷、球-面接触副条件下,所制备的4种不同直径微结构中,微结构直径小于30μm时,面积率为4.9%或当直径大于等于30μm时,面积率为8.7%的低润湿性表面减摩效果最好.     

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.     

基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

润滑条件下激光加工纹理的摩擦磨损

采用YAG纳秒激光器在45#钢平板试样表面制备纹理,考察了不同润滑状态下表面纹理对摩擦学性能的影响.45#钢表面纹理采用了不同间距的点、槽和网格形貌,并在UMT-Ⅱ试验机上与SiC钢球配副,分别在石蜡和机油润滑条件下进行往复摩擦试验,得出了试验条件下的Stribeck曲线.结果表明,在Hersey数较小时,纹理的引入不利于材料摩擦系数的降低,Hersey数的增加有助于摩擦学性能的提高.网格状纹理间距越小摩擦系数越大.网格状形貌试样相对于点和凹槽形貌试样,表现出更好的摩擦学性能.     

运动黏度在FLC薄膜-白油固液复合润滑体系中的作用

利用直流等离子体沉积技术制备了含氢类富勒烯碳膜(FLC),在工业级白油润滑条件下考察了FLC薄膜润湿性、摩擦学特性和白油运动黏度对整个固液复合润滑体系的影响。研究结果表明:在5~150 mm~2/s的考察范围内,白油的运动黏度越小,其对FLC薄膜的润湿性越好;随着运动黏度的增大,白油分子量增加且分子链变长,在薄膜表面油膜吸附增强,油膜厚度增加,FLC薄膜摩擦系数逐渐减小,于32 mm~2/s时达到最小值(0.114),随着黏度进一步增大,过高的运动黏度增加了黏性阻力和摩擦阻力,FLC薄膜摩擦系数反而上升;同时,FLC薄膜的磨损率随黏度增大而减小,当黏度超过26 mm~2/s之后,变化幅度趋缓。     

面接触条件下海藻酸钠的水基润滑

以海藻酸钠作为水基润滑添加剂,研究面接触条件下石英玻璃片摩擦副的摩擦学特性.采用红外光谱仪分析海藻酸钠的分子结构,采用3D表面轮廓仪测量试样的表面形貌,在微摩擦磨损试验机上测试不同摩擦副的摩擦系数.结果表明:面接触条件下,下试样表面粗糙度Ra值为0.555 nm时,上试样表面粗糙度大于下试样表面粗糙度时方可相对滑动,上试样表面粗糙度越大,摩擦系数越大.上下试样表面粗糙度合理搭配可保证海藻酸钠溶液能形成稳定的润滑膜,获得极低的摩擦系数.加入饱和氯化物破坏海藻酸钠水合分子层,摩擦系数急剧增大.海藻酸钠水基润滑层包括水分子层和海藻酸钠水合分子层,其中海藻酸钠水合分子层起主要作用.     

椭圆柱形织构几何参数和排布模式对其润滑减摩性能的影响

利用数值模拟方法研究了具有各向异性结构特征的椭圆柱形织构在全膜润滑条件下的摩擦学性能,详细分析了椭圆织构的长轴尺寸、椭圆率、倾角和位置偏移率等参数对摩擦系数和动压承载能力的影响,并对三种不同的椭圆织构排布模式进行了对比研究.结果发现:适当的增加椭圆织构单元的面积率和倾角能有效降低表面间的摩擦系数,而随着织构单元的位置偏移率的增加,摩擦系数有小幅上升,但是增加位置偏移率却能显著提升表面间的动压承载能力.织构单元的排布模式对摩擦系数的影响很小,但是对动压承载能力却有较大影响.对椭圆织构单元的几何参数及排布模式进行优化设计是提升表面间的动压承载能力的一种有效手段.     

润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响

润湿性调控和仿生织构设计是实现表面减摩耐磨的重要方法.利用飞秒激光在AISI 440C不锈钢表面制备了仿生微凹坑,在微凹坑中沉积润湿性可调的超疏水涂层,通过紫外线辐照构筑了4种梯度润湿性仿生织构表面.采用往复滑动摩擦磨损试验,以水为润滑剂,对比研究了不同载荷和速度下润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响.结果表明,在低载高速条件下,当表面形成低黏附性超疏水-弱疏水的润湿性梯度时,耐磨性最佳,相较于AISI 440C不锈钢抛光表面,磨损率降低47.9%,说明润湿性梯度耦合仿生织构能够有效减小磨损.