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.     

PDMS表面织构润滑特性的研究

利用光刻-复模技术在PDMS表面制作凹坑阵列型表面织构,并采用球-盘式摩擦试验机对具有不同尺寸凹坑阵列的试样进行摩擦试验,研究了软质材料表面织构在混合至流体动压润滑区域的润滑特性.结果表明:对于PDMS材料,凹坑直径是影响摩擦特性的主要因素之一.与无织构试样相比,在低速条件下(0.005m/s)的混合润滑区域较小直径(d=50μm)的织构能够减小摩擦,而较大直径(d=200μm)的织构表现出增大摩擦的效果.在试验范围内凹坑的面积率越大,表面织构的作用越显著.     

圆柱形微凹坑排布形式对织构表面摩擦性能的影响

利用数值模拟方法研究了具有微圆柱凹坑织构平面在往复运动下的摩擦学性能,分析了微圆坑深度、半径和织构单元位置偏移率等织构几何参数以及表面间相对运动速度对摩擦力和动压承载能力的影响.结果表明:织构单元位置偏移率由0增加到0.5时摩擦表面间的动压承载能力最大增幅约34.9倍,同时摩擦力也随着位置偏移率的增加而小幅增加;增加微织构单元半径可以同时提升承载能力和减小摩擦;而摩擦力和承载能力均随着微织构单元深度在10~60μm区间的增加呈现先增加后减小的趋势,且均在20μm时取得最大值.     

GCr15轴承钢摩擦副的表面胶合失效研究

表面胶合失效是高速重载条件下滑动摩擦副的重要失效形式，尽管人们已对其进行了不少研究，然而不仅由于机理复杂，至今尚无公认的合理计算方法，而且由于试验条件和试验过程不同，有些试验结果是相互矛盾的。在影响表面胶合失效的诸多因素中，表面粗糙度和相对滑动速度都非常重要，因此，利用改装的ＭＨＫ５００型环。块磨损试验机在纯矿物油润滑下对ＧＣｒ１５轴承钢同材质摩擦副的表面胶合失效进行了试验研究，集中考察了表面粗糙度和相对滑动速度的影响，结果表明，摩擦副的抗胶合能力是随着相对滑动速度的提高而下降；摩擦副的表面粗糙度存在一个最佳值，其在此粗糙度下的抗胶合能力最强，而当提高或降低表面粗糙度时，摩擦副的抗胶合能力都下降。根据所获试验结果对文献报道的几种表面胶合失效理论模型的适用性作了详细分析，发现这些都不能解释本试验中所发生的各种胶合失效现象。因此，按照“发生塑性变形的微凸体之密度高到足以连成大片时就可能发生表面胶合失效”的设想，提出了一种新的表面胶合失效模型─—表面宏观塑变模型，认为表面胶合失效是摩擦副表面发生宏观塑性变形的结果．     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

石墨烯在金刚石基体表面的纳米摩擦学行为研究

采用热化学气相沉积法(Thermal Chemical Vapor Deposition,TCVD)和机械剥离法分别制备了单层和少层石墨烯并转移至MPCVD制备的多晶金刚石基体表面,利用原子力显微镜研究了大气环境下石墨烯在金刚石基体上的纳米摩擦和磨损性能. 研究结果表明:单层和少层石墨烯在金刚石基体上具有良好的减摩作用,摩擦系数分别为0.03和0.014. 然而,由于石墨烯和金刚石表面之间的物理吸附作用较弱,其摩擦力会略高于SiO₂/Si基体表面石墨烯的摩擦力. 随扫描速度升高,金刚石表面的单层与少层石墨烯的摩擦力的变化可以分为自然对数正比上升,基本保持不变以及黏性阻尼增加三个阶段. 在磨损试验中,TCVD法制备和转移石墨烯的过程中产生的缺陷和污染物降低了单层石墨烯的耐磨性能,而机械剥离的少层石墨烯因为无缺陷的石墨烯晶体结构在金刚石基体上展现了优异的耐磨特性. 本研究可为以金刚石为基体的石墨烯固体润滑剂使用提供理论基础.      

氮离子注入硅表面的力学性能及其微摩擦磨损行为研究

以单晶硅作为研究对象,选用离子注入剂量分别为5 ×1014 ions/cm2、6 ×1015ions/cm2和1 ×1017ions/cm2,注入能量为110 keV的氮离子注入单晶硅片,利用原位纳米力学测试系统对氮离子注入前后单晶硅片的硬度和弹性模量进行测定,在UMT-2型微摩擦磨损试验机上对氮离子注入前后单晶硅片的往复滑动微摩擦磨损性能进行研究.结果表明,氮离子注入后单晶硅片的纳米硬度和弹性模量减小,且注入剂量越大,其降低越明显.氮离子注入后单晶硅片的减摩性能提高,其摩擦系数大幅度降低,在载荷达到一定值后,氮离子注入层被迅速磨穿,摩擦系数迅速增加并产生磨痕.其磨损机制在小载荷下以粘着磨损为主,在大载荷下以材料的微疲劳和微断裂为主.     

铜石墨合金材料在载流条件下的摩擦磨损行为研究

采用冷压烧结粉末冶金法,以300 MPa的压力进行初压,在氢气保护气氛下于烧结温度为950 ℃,3 h下烧结,然后冷却至室温后再以300 MPa的压力进行复压制备出铜石墨合金材料.通过电滑动磨损试验及扫描电子显微镜分析等方法研究了铜石墨合金材料的磨损性能,探讨其磨损机制.结果表明:在试验参数范围内,试样的磨损量随着试验载荷、速度及电流密度的增加而增大;在载流条件下电流产生的电弧热是其磨损量增加的主要因素;石墨和铅以单质形式存在有利于摩擦副之间的润滑和提高其耐磨性能;合金的磨损机制主要为磨粒磨损、电侵蚀磨损和黏着磨损.     

高速干摩擦条件下铝基复合材料的摩擦磨损行为研究

在MMS-1G型高速干滑动摩擦磨损试验机上,采用铝基复合材料和蠕墨铸铁作为销试样,研究了速度和接触压力对摩擦副摩擦磨损特性的影响.结果表明:摩擦副的摩擦磨损特性受控于所产生的摩擦热、材料的导热能力以及材料保持一定塑性变形抗力的温度条件三者之间的耦合作用;随着速度与接触压力的增加,摩擦副的摩擦系数显著降低;不同材料表现出不同的磨损行为;接触压力愈高,材料的摩擦磨损性能差异愈小;在本文试验条件下,当摩擦速度较低(＜100 m/s)时,蠕墨铸铁表现出良好的摩擦磨损特性,而速度较高(＞100 m/s)时, 铝基复合材料表现出较优良的摩擦磨损性能.     

摩擦信号分形维数与载荷和速度的关系研究

在立式万能摩擦磨损试验机上对GCr15/45#钢摩擦副进行不同接触载荷和滑动速度下的摩擦磨损试验,对初始滑动距离1 000 m内的摩擦系数信号进行数据采集,运用结构函数测度方法对摩擦系数信号进行分形表征,计算不同载荷和速度下的分形维数,研究摩擦信号的分形维数随载荷和速度的变化规律.结果表明,摩擦系数信号具有显著的分形特征,其分形维数随载荷和速度而变化.在相同载荷下,分形维数随滑动速度增加而增大;在相同速度下,分形维数随着接触载荷增加而增大.磨损率与摩擦系数信号的分形维数正相关.     

Bi对A390过共晶高硅铝合金摩擦磨损特性的影响

采用自行改制的MM-200型摩擦磨损试验机研究了Bi对A390过共晶高硅铝合金摩擦磨损性能的影响规律.结果表明,由于Bi的熔点只有270 ℃,在摩擦过程中容易熔化渗出,并在磨损表面形成铋润滑膜而起到自润滑作用,从而降低合金的摩擦系数,改善其摩擦性能的稳定性,使合金的磨损量及摩擦表面温度降低.当Bi含量为2%～3%时,合金的减摩耐磨性能最佳,其摩擦系数为0.386,磨损量为22.5 mg.     

Dynamic Modes of One Seismic-Damping Mechanism with Frictional Bonds

The possible states of a system of interacting solids with rolling friction and unilateral sliding friction bonds are analyzed. The system can be used for seismic isolation of buildings. The structures (modes) of motion are established. The basic analytical relations are derived, which are needed to construct a dynamic model of variable structure     

氧化锌晶须填充尼龙复合材料的滚动摩擦性能

采用热压成型法制备氧化锌晶须(ZnOw)填充PA1010复合材料,在牵引滚动摩擦磨损试验机上研究复合材料的滚动牵引摩擦磨损性能,采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察分析磨损表面及其转移膜形貌.结果表明:复合材料的牵引力系数、蠕滑比和磨损量随牵引负荷增加而升高;在同一牵引负荷条件下,蠕滑比和磨损量随ZnOw含量增加先降低而后增加,当ZnOw含量为10%和15%时,复合材料的蠕滑比和磨损量较低;尼龙基体的主要磨损机理为严重的塑性流动和基体溃裂,并伴有轻微粘着;当ZnOw含量为10%和15%时,犁沟是复合材料的主要磨损机制,同时在偶件表面形成了结构致密的转移膜;填充20%ZnOw的复合材料的磨损表面出现表层脱落,同时在偶件表面形成层状转移膜.     

摩擦副材料对二烷基二硫代氨基甲酸钼添加剂摩擦学特性的影响

选择等离子喷涂钼合金层、渗氮层以及镀铬层为摩擦副材料 ,以全配方矿物基发动机油 SJ/ 5 W- 30作为基础润滑油 ,研究了上述 3种摩擦副材料对油溶性二烷基二硫代氨基甲酸钼 (Mo DTC)添加剂摩擦学特性的影响 .结果表明 :Mo DTC的摩擦学特性与摩擦副材料类型有关 ;采用喷钼层、渗氮层及镀铬层作为摩擦副材料 ,Mo DTC均表现出减摩和抗磨作用 ,对渗氮层的减摩抗磨效果最佳 .X射线光电子能谱分析表明 :摩擦副材料类型对添加剂中的 Mo和 S的化学状态和相对含量均有影响 ;摩擦副材料类型不同时 ,Mo DTC摩擦学行为的差异与其在磨损表面形成的 Mo S2 以及 Mo O3 、Fe S和磷酸盐等物质的含量有关     

Progressive Frictional Delamination of an Infinite Elastic Film on a Rigid Substrate Due to In-Plane Point Loading

The paper presents a solution to a delamination problem of an infinite elastic film resting on a rigid substrate and loaded by a monotonically increasing in-plane point force. A?rigid-slip contact is assumed between the film and the substrate, leading to the development of two regions at the interface: a damaged zone with a relative slip between the materials, and a region where the interface remains intact. Both film natural and essential boundary conditions are zero on the boundary between these two interfacial zones with the shape of the boundary being a part of the solution. Problem??s self-similarity enables us to obtain an approximate distribution of interfacial traction within the delaminated zone and a shape of the zone itself. For film??s Poisson??s ratio ??=?1 the approximate solution becomes exact. It is argued that this can be treated as a special case of a rigid film sliding on a rigid substrate. The presented approach can be used to obtain approximate closed-form solutions to similar delamination problems.     

铜表面纳米Cu—Zn复合层的摩擦磨损特性

采用复合粉末高压成形技术在粗晶铜基体表面成功制备了纳米晶Cu—Zn合金表面层；在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了纳米复合层的摩擦磨损特性；采用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察分析了纳米合金层磨损表面形貌及主要元素的化学状态．结果表明：纳米晶Cu—Zn合金经300℃退火后β相中析出超细α相，使其表现出最佳力学性能和耐磨性能；在载荷60～160N范围内，经300℃退火处理的纳米晶表面层在摩擦过程中形成薄而连续的主要由纳米Cu—Zn、ZnO和Fe2O3等组成的致密复合薄膜，从而使耐磨性能和承载能力大幅度提高；ZnO可以有效地填充摩擦表面膜中的空隙和抑制裂纹的扩展，从而使纳米Cu—Zn合金层保持良好的减摩抗磨性能．     

Ti/Ni过渡层对WS2薄膜摩擦学性能影响

采用射频溅射法,通过预先制备Ti和Ni 2种过渡层的工艺在3Cr13马氏体不锈钢基片上制备了硫化钨薄膜,通过与无过渡层的射频溅射WS2薄膜对比,研究了2种过渡层对薄膜性能的影响.3种样品的物相分析,表面形貌观察,微区化学成分测定,膜基结合力和薄膜摩擦系数测试等结果表明,Ti过渡层对硫化钨薄膜结构和S/W原子比没有明显的影响,对膜层的摩擦系数影响也不大,但薄膜耐磨性有所提高.而Ni过渡层虽对S/W原子比无明显影响,但却明显地提高薄膜Ⅱ型织构(基面取向)的强度,从而降低了薄膜的摩擦系数,提高了薄膜耐磨性.     

A Dynamic-induced Direct-shear Model for Dynamic Triggering of Frictional Slip on Simulated Granular Gouges

This study presents a dynamic-induced direct-shear model to investigate the dynamic triggering of frictional slip on simulated granular gouges. An incident P-wave is generated as a shear load and a normal stress is constantly applied on the gouge layer. The shear stress accumulates in the incident stage and the frictional slip occurs in the slip stage without the effect of the reflected wave. The experimental results show a non-uniform shear stress distribution along the gouge layer, which may be induced by a shear load induced torque and by normal stress vibration along the layer. The shear stress at the trailing edge strongly affects the frictional slip along the P-wave loading direction, while the rebound stress at the leading edge propagates along the opposite direction. The frictional slip is triggered when the maximum shear stress at the trailing edge reaches a critical value. The normal stress influences the maximum shear stress at the trailing edge, the maximum slip displacement and the slip velocity. The advantages and the limitations of this model are discussed at the end.     

Dynamic Tensile Testing of Soft Materials

Determination of dynamic tensile response of soft materials has been a challenge because of experimental difficulties. Split Hopkinson tension bar (SHTB) is a commonly used device for the characterization of high-rate tensile behavior of engineering materials. However, when the specimen is soft, it is challenging to design the necessary grips, to measure the weak transmitted signals, and for the specimen to achieve dynamic stress equilibrium. In this work, we modified the SHTB on the loading pulse, the equilibrium-monitoring system, and the specimen geometry. The results obtained using this modified device to characterize a soft rubber indicate that the specimen deforms under dynamic stress equilibrium at a nearly constant strain rate. Axial and radial inertia effects commonly encountered in dynamic characterization of soft materials are also minimized.