碳黑填充超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了载荷及偶件表面粗糙度对碳黑填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦磨损性能的影响；利用扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理．结果表明：同UHMWPE相比，碳黑填充UHMWPE的磨损质量损失随载荷增加而增大的幅度较小；偶件表面粗糙度对碳黑填充UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能影响较大，随着偶件表面粗糙度的增大，摩擦系数和复合材料的磨损质量损失均显著增大．UHMWPE及其碳黑填充复合材料在干摩擦条件下同45“钢及SiC喷涂层涂覆45“钢对摩时主要呈现犁削和塑性变形特征，犁削和塑性变形程度随载荷和偶件表面粗糙度增加而加剧。     

镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

等离子喷涂Al2O3/TiO2陶瓷涂层在液态石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究

利用纳米和微米结构Al2O3/TiO2喂料制备出2种陶瓷涂层,考察了这2种涂层在液体石蜡润滑下与不锈钢球摩擦副的摩擦磨损性能,并探讨了2种涂层的磨损机理.结果表明:液态石蜡润滑能有效降低纳米Al2O3/TiO2涂层与不锈钢球摩擦副的摩擦系数和磨损率,但是对微米涂层的润滑效果不明显.纳米涂层的摩擦系数仪为微米涂层的1/3,而磨损率则降低了70倍以上.纳米涂层的磨损机制在低载荷下是轻微的黏着磨损,高载荷下则是摩擦抛光,而微米涂层的磨损机制是晶粒脆性断裂.     

堆焊熔敷层表面纳米晶层摩擦磨损性能研究

用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层.利用TEM、SEM分析技术研究表面纳米晶层微观结构,利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察在干摩擦条件下堆焊层表面纳米晶层的摩擦磨损性能.结果表明堆焊修复层表面经表面纳米化处理后,表面形成厚度约为10μm(晶粒尺寸小于100 nm)的纳米晶层,最表面层平均晶粒尺寸约为10 nm.纳米压痕试验表明纳米晶层的硬度提高,最表面纳米晶层的硬度约为原始堆焊层硬度的3倍.与原始堆焊试样相比,表面纳米化试样的摩擦系数降低了10%,磨损体积降低了25%~30%左右.表面纳米化样品的磨损机制由原始堆焊层的磨粒磨损和黏着磨损转变为磨粒磨损,分析表明晶粒细化导致的高硬度、低塑性是摩擦磨损性能改善和磨损机制改变的主要原因.     

TA2表面磁控溅射CNx/SiC薄膜的纳米压痕与摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在工业纯钛(TA2)表面制备出氮化碳/碳化硅(CNx/SiC)双层薄膜,SiC为中间层.研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.试验结果表明:CNx薄膜的纳米硬度(H)为15.80 GPa,杨氏弹性模量(E)为130.88 GPa,硬度与弹性模量比值(H/E)为0.121;与φ4mm的氮化硅球对摩,在载荷1.96 N、室温Kokubo人体模拟体液条件下,CNx薄膜的磨损速率为10-6mm3/(m·N)级,摩擦系数约为0.124,磨损后薄膜未出现裂纹和剥落.分析表明,薄膜具有的良好抗磨性能与其H/E高、抗腐蚀性强以及摩擦系统摩擦系数低相一致.     

超高分子量聚乙烯及其纳米Al2O3填充复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM - 2 0 0型摩擦磨损试验机考察了载荷及对摩偶件表面SiC粒度对超高分子量聚乙烯及其纳米Al2 O3填充复合材料摩擦磨损性能的影响 ,利用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌并分析了其磨损机理 .结果表明 :纳米Al2 O3 可以提高超高分子量聚乙烯的硬度及抗磨粒磨损性能 ;随着载荷的增大 ,超高分子量聚乙烯及纳米填充复合材料的磨损加剧 ;纳米Al2 O3 填充超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦系数较超高分子量聚乙烯的略有增大 ;纳米Al2 O3 含量的增加有利于超高分子量聚乙烯复合材料抗磨粒磨损性能的提高 ;偶件表面喷涂SiC粒度的大小对超高分子量聚乙烯及其纳米Al2 O3 填充复合材料的磨损影响较大     

水环境下纳米SiO2增强超高分子量聚乙烯防滑性能的影响研究

超高分子聚乙烯材料因具有优良的耐磨性、耐蚀性和轻质性而逐渐应用在船舶甲板表面. 船舶甲板的湿滑、海浪冲击和颠簸环境严重影响甲板仪器设备和人员的平衡性,进而挑战其可靠性和船员人身安全. 为了提升超高分子聚乙烯(UHMWPE)材料在湿滑环境下表面防滑性能,采用具有高硬度和优异増摩性能的纳米二氧化硅(SiO₂)对其进行共混改性,探究不同体积分数的SiO₂在摩擦磨损试验过程中对UHMWPE摩擦系数的影响规律. 试验结果表明:一方面,纳米SiO₂在一定程度上削弱了水膜在纳米SiO₂改性UHMWPE复合材料的浸润能力和吸附性,使其从亲水性逐步向疏水性转变,改善湿滑环境下的防滑效果;另一方面,纳米SiO₂颗粒坚硬且不易变形的特性让其逐渐在摩擦磨损过程中显露出来,在外界载荷的作用下与陶瓷球之间形成啮合摩擦现象,导致UHMWPE的摩擦系数呈现上升趋势,最终表现出与干摩擦相近的摩擦系数,达到防滑需求. 研究结果对设计和制造一种能在湿滑环境下具有优异防滑性能的船舶甲板高分子复合材料提供理论支持.      

纳米Al2O3增强PA6复合材料的摩擦磨损性能研究

利用MMW-1型摩擦磨损试验机考察了纳米Al2O3增强PA6复合材料同45#钢对摩时的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面形貌.结果表明:纳米Al2O3可以提高PA6的耐磨性能;在小于100 N低载荷下纳米Al2O3填充PA6复合材料的滑动摩擦系数符合粘弹性材料的变化规律;只有当填充量适当时,纳米Al2O3微粒才能有效地增强聚合物基体的抗磨粒磨损性能,并阻碍聚合物基体向偶件磨损表面的粘着转移;纳米Al2O3质量分数为10%的PA6复合材料的抗磨性能最佳.     

原子层沉积氧化铝薄膜摩擦学性能研究

不同温度条件下,采用原子层沉积(ALD)技术在单晶硅基底表面制备了Al2O3薄膜.利用原子力显微镜观察了Al2O3薄膜的表面形貌和粗糙度,利用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度,并通过UMT-2型往复摩擦磨损试验机(球-盘接触方式)考察了制备温度、载荷和对偶球对Al2O3薄膜的摩擦学性能的影响.结果表明:不同温度条件下制备得到的Al2O3薄膜的粗糙度不同;制备温度为100和200℃的Al2O3薄膜的摩擦性能较优;在所用载荷范围内,摩擦系数存在最低值;与不同对偶球对摩时,由于对偶球硬度不同,Al2O3薄膜呈现不同的摩擦磨损现象.     

Cu—纳米TiB2原位复合材料的摩擦磨损性能

采用销-盘式摩擦磨损试验机考察了Cu-纳米TiB2原位复合材料在滑动干摩擦条件下的磨损行为.结果表明:载荷和滑动速度对纳米TiB2颗粒原位增强Cu基复合材料的摩擦磨损性能有重要影响;随着载荷的增加,Cu-纳米TiB2原位复合材料的磨损率和摩擦系数增大;由于在较高载荷下发生表面开裂,TiB2增强相含量较高的原位复合材料的磨损由轻度磨损向严重磨损转化;在中等载荷下,表面保护性氧化膜和基体中纳米TiB2相使复合材料具有良好的抗软化能力,Cu-纳米TiB2原位复合材料的磨损率和摩擦系数随着滑动速度的增加而降低;在较高滑动速度下,复合材料的主要磨损机制为塑性流变和氧化磨损.     

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系. 结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小. 增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大. 同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线. 通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小. 结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.      

水介质条件下7075合金扭转复合微动磨损特性研究

在新型扭转复合微动试验机上,以7075合金平面/GCr15钢球配副为研究对象,研究水介质对7075合金扭转复合微动磨损行为的影响.在微动动力学特性分析的基础上结合磨痕形貌微观分析,研究水介质环境下7075合金扭转复合微动的磨损机理.结果表明：水介质对扭转复合微动运行和损伤机制存在显著影响,水介质明显地改变了微动运行区域;相比干态,在部分滑移区和混合区,水介质下的剥层现象更加明显,水介质加速了微动损伤.在滑移区,磨损机制主要转变为以磨粒磨损为主,湿润的磨屑能有效降低表面摩擦系数和减缓微动损伤;而单一的水介质会加剧材料的磨损.此外,水介质和干态微动环境中不同倾斜角度下的磨损体积均与累积耗散能分别呈不同的线性关系.     

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9～29 N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9 N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29 N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.      

纯钛与Ti6Al7Nb合金氮离子注入层在小牛血清溶液中的扭动微动磨损试验研究

文中主要研究了纯钛、Ti6A17Nb基体以及经过氮离子注入后的改性层的扭动微动磨损行为.氮离子注入采用高能离子注入机及增强沉积系统,加速电压为50 kV,注入剂量分别为1×l017、5×1017和9×1017cm-2.采用球/平面接触模式,对纯钛和Ti6Al7Nb合金/(Zr2O球(直径为25.2 mm),接触副在小牛血清介质条件下进行了纯钛和Ti6Al7Nb合金及其改性层的了扭动微动磨损试验.借助X衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、三维形貌仪(3D)和扫描电镜(SEM)分析了两种材料及其改性层的化学成分、微动磨损磨痕形貌和微观组织结构,探讨了纯钛和Ti6Al7Nb合金基材和改性层的扭动微动运行行为和损伤机制.研究结果表明:用氮离子注入方法处理钛及其合金,生成的氮化物层能够改善材料表面的综合性能,提高其扭动微动磨损的耐磨性.纯钛和Ti6Al7Nb基体的磨损现象为氧化和剥落,其离子注入层的磨损现象为犁沟.     

碳纤维切向微动磨损特性研究

在自制的多功能微动腐蚀试验机上，通过改变法向载荷和位移幅值，以碳纤维为研究对象开展球-面接触模式下的微动磨损试验. 建立了微动运行工况图、F_t-D曲线和摩擦系数曲线，探究了碳纤维的微动磨损运行特性；结合光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、白光干涉仪和X射线光电子能谱(XPS)对磨损形貌及磨屑成分进行了分析，探究了碳纤维的微动磨损机理. 结果表明:随法向载荷的减小、位移幅值的增加，微动磨损区域由部分滑移区、混合区向滑移区转变. 摩擦系数随法向载荷的增加而减少，随位移幅值的增加而增加. 磨损体积随法向载荷和位移幅值的增加而增加；在部分滑移区和混合区，磨损率随载荷的增加而减小，在滑移区，磨损率存在波动，但依旧呈上升趋势. 混合区和滑移区的磨损机理为磨粒磨损、剥层和氧化磨损，但混合区氧化磨损较为严重. 位移幅值和法向载荷对碳纤维微动磨损行为影响较大，对摩擦系数以及磨损体积也有较为显著的影响. 混合区和滑移区微动磨损机理主要表现为磨粒磨损、剥层和氧化磨损.