应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

颗粒流润滑的现状和展望

颗粒流润滑的思路是将固体材料以颗粒（粉末）状态直接导入摩擦副,使摩擦间隙充满固体颗粒,利用微小颗粒的摩擦、变形、碰撞、挤压和滑滚等微观运动,减少作相对运动两表面微凸体的直接接触,从而达到减少摩擦和保护表面的目的.总结了颗粒流润滑在航天磁悬浮备用轴承、径向轴承、制动器、磨削加工、压铸加工等工程领域中的研究和应用现状.分析和对比了已有的颗粒流润滑理论如类流体润滑理论、碰撞动理学润滑理论、离散单元和元胞自动机理论,指出摩擦间隙中颗粒流行为和颗粒接触模型是颗粒流润滑理论的关键问题.最后,从多尺度特性、非连续特性、环保等角度对颗粒流润滑在未来的进一步发展进行了展望.     

面接触多体摩擦过程界面特性试验研究

基于前期自制的精密摩擦测试系统,以界面间噪声、摩擦系数等界面特性为研究对象,对Si C金相砂纸和不锈钢试件组成的摩擦副由二体摩擦状态向三体摩擦状态演变的过程进行了实时监测,考察了磨粒粒径、载荷、转速等工况条件对界面特性的影响,并探究了试验后试件表面粗糙度情况。试验结果表明:二体摩擦状态向三体摩擦状态演变过程中,界面间噪声逐渐下降后保持稳定;粒径在15μm~30μm范围内,粒径越小,稳定噪声越大,载荷、转速对稳定噪声的影响不明显,摩擦系数先迅速减小又逐渐增大后趋于稳定;粒径在15μm~30μm范围内,增大磨粒粒径、转速、载荷均会使摩擦系数的稳定状态提前、稳定摩擦系数增大;试验后的试件表面粗糙度与界面间的摩擦系数具有很强的相关性,但基于不同工况条件,这种相关性并不一致;对于变磨粒粒径试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越大;对于变载荷试验和变转速试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越小。     

含油轴承表面供油行为与自润滑机理分析

含油轴承是一类重要的减摩自润滑零件,轴承基体中油液的渗流特性对表面润滑性能有重要影响. 建立含油轴承孔隙渗流与表面油膜润滑的耦合力学模型,分析含油轴承系统中油液的渗流特性,探讨轴承表面油液的供油行为与自润滑机理. 结果表明:在含油轴承的收敛区内同时存在周向旋转流、径向伸缩流和法向渗析流,油液在各方向上的流动状况由该向流体压力梯度决定;受油膜压力影响,油液在接触区向多孔基体渗入,在接触区入口部位向多孔表面析出,由此构成了油液渗入和析出的闭环速度流线,增强摩擦界面间的泵吸效应. 油液在法向上的渗析速度随中心膜厚增加而减小,随转速升高而增大,渗析速度越大,对泵吸效应的增强作用越显著,接触区入口的油液也更易进入摩擦界面,保障含油轴承的良好自润滑效果. 研究结果对揭示含油轴承的供油自润滑机理具有重要意义.      

离散元法铁粉末压制中粒径分布对力链演化机制的影响

为阐明粒径分布对铁粉压制中体系内部细观力学行为的影响, 基于离散元理论, 通过改变铁粉颗粒粒径分布建立压制模型, 结合力链提取方法, 通过对力链空间分布、力链数目、力链长度和力链方向性的分析, 探究粒径分布对力链演化的影响机理. 研究结果表明: 不同粒径分布的粉体压制时形成的力链空间分布具有差异, 粒径分布范围越小, 形成的力链分布越集中, 反之, 粒径分布范围越大, 形成的力链分布越松散且均匀; 在粉末压制时, 粒径分布对力链数目也有影响, 具体表现为随着粉体的粒径分布范围变大, 力链总数逐渐减少; 粉体的粒径分布对颗粒形成短力链的数目起着显著影响, 而对力链长度的影响较为有限; 随着粒径分布范围的增大, 力链的方向由均匀分布逐渐集中在特定角度方向, 表现出一定各向异性, 形成的交叉力链网络结构有利于提高粉体致密化程度. 本文为从粉体粒径分布影响层面拓展粉末压制细观力学理论提供基础, 亦为进一步结合粉体粒径分布及体系内力链演变过程改善粉末致密化行为提供指导.      

基于颗粒物质力学的铁粉末压制中摩擦特性对力链演化影响

结合颗粒物质力学理论,通过离散元法实现铁粉末压制过程模拟并通过压制方程进行验证,针对粉末体系中的力链演化问题,提出力链特征定量分析方式,进一步通过分析不同颗粒间摩擦系数、侧壁摩擦系数与颗粒运动状态转变的方式,探讨摩擦特性对力链量化特征的影响,从而建立摩擦行为与力链演化间的联系. 研究结果表明:随颗粒间摩擦系数增大,整体力链数目变少,力链方向系数、承载不均匀度及单位屈曲度均变大,而随侧壁摩擦系数增大,力链特征差异较小,则颗粒间摩擦系数较侧壁摩擦系数对力链特征演化具有更显著影响. 同时发现,颗粒接触状态的改变与力链特征演化间具有对应性. 研究成果将进一步拓展粉末压制中考虑摩擦行为及力链演化过程在内的粉体致密化行为理论.      

密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的离散元模拟

分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性.为了分析以上问题,建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型.研究结果表明:间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大,波动速度恰好相反;纵向的平均速度、波动速度较小,这一点稀疏剪切颗粒流正相反;根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域,并得出了波动速度对剪切率的依赖关系;间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向,而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出.通过对流变和扩散特性的模拟分析,直观地反映了颗粒的微观流变特性,有益于密集剪切颗粒流的流变机理的研究.     

双轴压缩下颗粒物质接触力与力链特性研究

为探究双轴压缩过程中颗粒物质接触力与力链特性,采用离散元法研究双轴压缩过程,得到双轴压缩过程中颗粒体系宏观力学特性,即偏应力、体积应变变化规律,并通过对接触力大小分布规律、接触力角度分布规律等细观层次分析,完成接触力大小、力链方向性量化描述,同时探究围压对颗粒物质力学特性的影响。研究表明,双轴压缩过程经历应力强化、应力软化、应力波动三个阶段。在各阶段,强接触与总体接触的各类型接触力大小分布规律可采用高斯函数或指数函数拟合,弱接触的法向与总接触力分布较为均匀;直径较大颗粒上具有接触力集中现象,集中程度随着围压升高而加强;力链网络形态经历"鱼鳞"状-"柱"状-"拱"状-"龟壳"状演变,由初始时基本各向同性,逐渐向最大主应力y向偏转,表现出强烈各向异性,最后又经历小幅度偏转偏离y向。不同围压下力链分量比变化规律证实了该发现,接触力角度分布规律也从力链承载方向验证了此结论。研究结果将为探究双轴压缩中颗粒物质力学特性提供理论基础。     

锥形微通道内液滴自输运特性及力学驱动机制研究

针对液体在微通道内的自输运特性,采用数值仿真与能量解析相结合的方法研究了液滴在锥形微通道内的自输运特性及力学驱动机制,得到微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角及微通道的润湿性对液滴自输运特性的影响关系.分析表明,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角均能影响液滴的自输运方向及驱动力大小.对于亲水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现整体形态;对于疏水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现局域形态.这可为研究液体在微通道内的自输运机理及界面内液体细观流动机制奠定理论基础.     

考虑界面粗糙度动态变化的点接触弹流润滑特性研究

针对点接触弹流润滑的粗糙度效应,建立了考虑表面粗糙度动态变化的点接触弹流润滑模型,实现了油膜厚度和压力分布的快速求解. 对点接触弹流润滑下的粗糙表面弹性变形进行了定性和定量研究,同时分析了表面均方根粗糙度、载荷、相对运动速度和滑滚比对最小膜厚和最大压力的影响,以及表面形貌动态变化对膜厚比的影响. 结果表明:形貌变化改变了弹流油膜和压力分布特性,相对于光滑表面,表面粗糙度总体上提高了最大接触压力、降低了最小膜厚,在轻载工况下表面粗糙度对油膜厚度的削弱更加显著,而不同速度下粗糙度的影响程度基本相同,呈现线性变化趋势,膜厚比随载荷增大呈现先增后减的变化趋势,并在530 MPa左右达到峰值.