聚四氟乙烯真空摩擦学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究聚四氟乙烯(PTFE)和铁滑动模型在不同真空度下的摩擦学性能,从原子尺度揭示聚四氟乙烯在不同真空度下的摩擦磨损机理.模拟结果表明,随着真空度的增加,摩擦系数逐渐降低,磨损率增加.通过分析径向分布函数(RDF)、原子相对浓度、摩擦界面温度和原子运动速度等的变化,发现真空度升高,更多的聚四氟乙烯分子链吸附在铁原子层表面,使得相互作用增强,摩擦界面温度升高,原子运动速度加快,在滑动过程中更多的聚四氟乙烯分子黏附在铁原子表面,导致磨损量也增大.利用空间环境地面模拟装置考察了PTFE在不同真空度下的摩擦磨损性能,从而验证了分子动力学模拟计算结果的可靠性.     

改性石墨烯增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子模拟研究

采用分子动力学模拟研究了接枝改性氧化石墨烯对聚四氟乙烯(PTFE)的增强作用与摩擦学性能的影响,首先选用KH550、KH560和KH570三种硅烷偶联剂接枝氧化石墨烯(GO),在填入纯聚四氟乙烯后计算其机械性能与摩擦性能. 对比得出KH560的增强效果最好,杨氏模量和剪切模量分别提高了205%和116%,摩擦系数提高了39.6%. 然后选用聚酰亚胺(PI)接枝氧化石墨烯,对比了接枝改性与物理共混两种方式对增强效果的影响,结果表明接枝改性的增强效果优于物理共混. 最后通过分析界面间相互作用力、结合能、原子相对浓度和原子运动速度等方式揭示了接枝氧化石墨烯对聚四氟乙烯基体的增强机理.      

宽温域环境中聚四氟乙烯及其复合材料摩擦学性能研究

对比研究了?100~100 ℃范围内聚四氟乙烯(PTFE)及三氧化二铝/聚四氟乙烯(Al₂O₃/PTFE)复合材料的摩擦学性能. 研究结果表明,PTFE因为蠕变,在升温过程中摩擦系数逐步降低,磨损率逐步升高. 而引入Al₂O₃填料会显著影响PTFE的摩擦学行为,Al₂O₃/PTFE的摩擦系数普遍比PTFE高,而磨损率比PTFE低. 摩擦学机理表明,滑动过程中形成的摩擦膜是决定摩擦学行为的关键因素. 这对极端工况条件下高分子复合材料的设计具有重要的指导意义.      

氟化非晶碳基薄膜摩擦学行为对配副材料的依赖性

为了系统研究氟掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为的影响,以C_2H_2和CF_4为气源,通过等离子体增强化学气相沉积方法制备不同F含量的非晶碳基薄膜.采用XPS、SEM、Raman光谱以及纳米压痕等技术测定薄膜的微观结构、化学组成和力学性能,利用球-盘式往复摩擦试验机评价薄膜与不同配副材料的摩擦磨损性能.结果显示:较低F含量并未显著影响薄膜与强碳黏着对偶Ti、WC和Si_3N_4的摩擦系数;少量F原子掺杂明显增加了薄膜与弱碳黏着对偶ZrO_2和Al_2O_3的摩擦系数;薄膜与GCr15对偶的摩擦系数随F含量增加而明显升高;高F含量导致薄膜与Cu对偶的摩擦系数产生明显波动,而导致薄膜与Al对偶的摩擦系数显著增加;值得注意的是,高F含量薄膜在不同体系中都表现出高摩擦低磨损的特点.高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用能够合理解释不同体系摩擦学行为.     

聚四氟乙烯纤维织物耐磨材料的摩擦学特性研究

采用 MPX- 2 0 0型、MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机和往复摆动磨损试验机考察了聚四氟乙烯纤维织物耐磨材料的摩擦学特性 ,比较了不同聚四氟乙烯纤维含量的织物的磨损性能 ,考察了材料在不同使用条件下的摩擦特性 ;并基于磨损表面形貌分析探讨了其磨损机理 .结果表明 :聚四氟乙烯纤维含量越高 ,摩擦系数和磨损量越小 ;按航空标准 ,经过 2 5 0 0 0次往复摆动磨损试验 ,粘结聚四氟乙烯纤维织物衬套的磨损深度小于 0 .15 mm     

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.     

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.      

人牙釉质在人工唾液润滑下与不同偶件对摩时的摩擦学性能研究

在往复滑动摩擦磨损试验台上对比考察了人牙釉质自配副及其同钛合金和纯钛配副时的摩擦学性能.结果表明:牙釉质/牙釉质的稳态摩擦系数约为1.00,其磨损表面釉柱清晰可见,磨损机制表现为剥落和轻微犁削并存;牙釉质/钛合金的稳态摩擦系数约为0.92,磨损表面既有犁沟又有剥落,可以看到轮廓分明的釉柱;牙釉质/纯钛的稳态摩擦系数约为0.87,磨损表面存在纯钛转移膜.从摩擦系数的变化趋势、稳态摩擦系数的大小、磨损表面形貌和磨痕深度等角度来看,牙釉质/钛合金与牙釉质/牙釉质的摩擦磨损行为较为相似.     

柴油发动机碳烟对缸套/活塞环摩擦学性能影响的研究

通过SRV IV摩擦磨损试验机考察了柴油机碳烟对柴油机缸套/活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响,借助扫描电子显微镜及能谱仪、三维表面形貌仪和拉曼光谱仪探讨了碳烟颗粒的摩擦学作用机理.结果表明:碳烟颗粒在高载荷时可以降低缸套/活塞环摩擦副间的摩擦系数,但在低载荷时对摩擦系数影响不大;碳烟颗粒会加剧缸套的磨损,其磨损形式主要为磨粒磨损.碳烟颗粒表现出减摩性的主要原因是其外层的乱层石墨在摩擦热和剪切作用下发生了剥离并在摩擦副表面形成了润滑膜.     

不同载荷和温度下碳烟对柴油机油摩擦学性能的影响

在SRV IV摩擦磨损试验机上,采用球-盘接触方式,考察了不同碳烟浓度的柴油机油在不同载荷和温度下的摩擦学特性,借助三维表面形貌仪、扫描电子显微镜及能谱仪、拉曼光谱探讨了由于载荷或温度改变引起含碳烟柴油机油摩擦学性能发生变化的原因.结果表明:当柴油机油中碳烟质量分数为5%时,当载荷或温度升高引起含碳烟柴油机油的摩擦学性能出现突变.突变表现为摩擦系数升高,磨损剧烈增加.分析认为,碳烟含量较高时,温度或载荷的升高容易引起润滑油膜破裂,出现乏油润滑,导致磨损加剧,摩擦系数升高.     

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

氮化硅陶瓷球与轴承钢的微动摩擦磨损特性与损伤行为研究

Si₃N₄陶瓷球具有高承载、轻质、减振降噪以及化学性质稳定等特点,作为滚动体广泛用于高速高精密轴承中. 针对轴承球与滚道间的微动摩擦磨损行为,以不同烧结工艺制备的具有不同烧结助剂配方的Si₃N₄陶瓷球为研究对象,开展其与轴承钢的微动摩擦磨损试验,分析比较了Si₃N₄陶瓷球烧结工艺和助剂配方对摩擦状态与损伤程度的影响. 结果表明:无润滑条件下,5AlEr和3AlY助剂配方的Si₃N₄陶瓷球具有更稳定的摩擦状态和更低的磨损程度;提高气压烧结温度可缓解微动损伤行为,降低损伤程度;热等静压工艺的引入虽然进一步缓解磨损行为,但总体减弱了Si₃N₄陶瓷球的耐磨性能,从而为轴承用Si₃N₄陶瓷球制备工艺的优化提供依据. 并进一步揭示了Si₃N₄陶瓷球摩擦损伤、剥落和疲劳裂纹的损伤行为与磨粒磨损、黏着磨损和疲劳损伤,以及摩擦化学反应相结合的损伤机制.      

Sm2O3增强聚四氟乙烯／混杂纤维复合材料的摩擦磨损性能研究

采用冷压烧结方法制备Sm2O3增强聚四氟乙烯／混杂纤维复合材料，用AG-1型电子万能试验机和MM-200型摩擦磨损试验机分别评价了Sm2O3增强聚四氟乙烯／混杂纤维复合材料的力学性能和摩擦磨损性能，采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌．结果表明：添加少量Sm2O3可以提高炭纤维和玻璃纤维混杂填充PTFE复合材料的力学性能和摩擦磨损性能，尤其对改善减摩效果尤为显著；加入1％Sm2O3可以使PTFE／15％CF／10％GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和硬度分别提高9．0％、5．1％和49．1％，摩擦系数降低22％，磨痕宽度降低5．4％，得到性能较为优良的耐磨材料．这是由于Sm2O3起到了润滑及阻止纤维和基体磨损作用的缘故．     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

CoCrFeMoNiCx中熵合金的组织及其力学和摩擦学性能

采用真空感应熔炼技术制备了CoCrFeMoNiC_x (x=0、1、2、3、4和5)系列中熵合金,研究了C元素的掺杂及其含量对合金微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:CoCrFeMoNiC_x系列中熵合金主要由体心立方(BCC)相组成;C原子间隙固溶于BCC相,增大了合金的晶格常数,在XRD谱图中表现为衍射峰随着C含量的增加向小角度方向偏移;当C的质量分数大于2%时,BCC晶粒中有少量条状碳化物形成;随着C含量的增加,合金的硬度、强度和断裂韧性等力学性能显著提高,主要归因于C原子的间隙固溶强化效应和少量条状碳化物的出现. 与此同时,合金的磨损率持续降低,表现出良好的耐磨损性能. 室温下的磨损机制为磨粒磨损、塑性变形和疲劳磨损.      

纳米Al2O3填充聚四氟乙烯摩擦磨损性能的研究

利用ＭＭ－２００型摩擦磨损试验机考察了填料含量及载荷对纳米Ａｌ２Ｏ３填充ＰＴＦＥ复合材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌及磨损机理,结果表明,纳米Ａｌ２Ｏ３可以提高ＰＴＦＥ的耐磨性,但Ａｌ２Ｏ３会导致严重的塑性变形,并且Ａｌ２Ｏ３含量越高,塑性变形越严重,当Ａｌ２Ｏ３的质量分数为１０％时,填充ＰＴＦＥ复合材料的磨损最小;随着载荷的增大,填充ＰＴＦＥ的磨损增加,填充ＰＴＦＥ     

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面,TiSiN层与Ag层交替沉积,涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相,非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体,沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后,摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上,磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用,主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进,TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.      

纳米SiC增强CoCrMo高温抗磨复合材料及摩擦学性能

采用粉末冶金技术制备了纳米SiC陶瓷颗粒(0.0%、1.0%、2.2%和3.4%,质量分数,后面未作特殊说明,均为质量分数)强化的CoCrMo基高温抗磨复合材料,对复合材料的相组成及高温摩擦学性能进行了系统性研究.在室温至1 000℃范围内利用球-盘式高温摩擦试验机测试了材料的高温摩擦学性能.结果表明：复合材料的基体主要由γ (fcc)和ε (hcp)合金相构成,加入纳米SiC后复合材料出现了MoCr相,这有利于复合材料硬度的提高;纳米SiC提高了复合材料的硬度,同时降低了复合材料的密度;摩擦系数与纳米SiC的含量和温度相关,摩擦系数随纳米SiC含量的增加而增大,室温至800℃的摩擦系数整体呈下降趋势,1 000℃时含2.2%和3.4%SiC的复合材料具有较低的摩擦系数;高温环境下复合材料的抗磨损性能随纳米SiC含量的增加而显著提高;复合材料的磨损机理在不同温度下存在差异,随着温度升高,磨损机理逐渐由磨粒磨损和塑性变形转变为氧化磨损.室温至1 000℃范围内CoCrMo-2.2%SiC具有较优异的高温抗磨损性能,这主要归因于复合材料的高硬度和磨损表面完整的氧化物润滑层.