乳化液环境中WC/a-C:H薄膜摩擦行为的研究

采用等离子体增强化学气相沉积复合磁控溅射法制备了WC/a-C:H薄膜.使用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和透射电镜表征了薄膜结构和组成,并使用球盘往复摩擦试验机测试薄膜在不同体系乳化液环境中的摩擦学性能.结果表明:WC/a-C:H薄膜具有典型的类金刚石结构,WC以β-WC1-x相的形式存在. WC在碳基薄膜中的掺杂使WC/a-C:H薄膜的硬度和弹性模量分别变化至11和140 GPa.油膜、水膜与转移膜的协同润滑效应能够提升其耐磨能力.适宜的浓度配比和薄膜表面石墨化程度是影响摩擦的关键因素.     

转移膜的形成对含氢碳膜超低摩擦性能的影响

含氢非晶碳膜在惰性气氛下展现了超低摩擦性能,摩擦系数可达到10~(–3)数量级.本文中通过试验设计验证了转移膜的形成是碳膜超低摩擦性能获得的必要条件.采用含氢非晶碳膜(a-C:H)与钢作为摩擦配副,球盘接触旋转运动,更换接触方式:一种是钢球与镀a-C:H薄膜的钢平板对摩,另一种是镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩.保持配副材料不变,利用接触方式的差异,来改变转移膜形成的难易程度.第一种方式下,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,具有超低摩擦性能;在第二种方式下,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高.而该转移膜是一种含氢的,以sp~2杂化为主的碳结构.氢能够参与钝化碳悬键,从而保证低化学作用活性,sp~2平面分子结构可以具有较低的剪切强度.因此,转移膜的形成和氢的钝化作用对a-C:H薄膜超低摩擦机理均具有重要的贡献.     

非晶含氢碳薄膜摩擦与抗擦伤性能的实验研究

用射频等离子体增强化学气相沉积法在钛合金表面制备了非晶含氢碳（a-C:H)薄膜,利用原小孩子显微镜、纳米力学探针、划痕仪以及滑动摩擦和微动摩擦试验仪器等研究了其表面形貌、粗糙度、硬度和摩擦性能,分析了薄膜的表面粗糙度、硬度及载荷对摩擦系数的影响。结果表明：随着薄膜厚度的增加,硬度略有提高,划痕临界载荷明显提高,而表面粗糙度先增加后降低,最后趋于稳定;室温空气中的滑动摩擦系数随硬度的增大以及表面粗糙度和载荷的减小而降低;在微动摩擦试验中,随相对湿度增加,摩擦系数降低,这有利于其在体液环境中的应用;薄膜具有良好的耐磨性能,经5000次摩擦后磨损很小。     

γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注. 本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C: H润滑薄膜,并对其进行伽马 (γ) 辐照处理. 考察γ辐照康普顿效应对a-C: H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:经γ辐照后a-C: H薄膜存在由sp2杂化C原子结构向sp3杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低. 伽马辐照使得a-C: H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势. 此外,γ辐照也使得a-C: H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加. 综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C: H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.      

石墨改性碳布复合材料湿式摩擦磨损性能研究

采用树脂浸渍工艺制备了石墨质量分数0%～20%的5种碳布复合材料.借助扫描电镜和湿式摩擦试验机,研究了石墨含量对其表面形貌和摩擦磨损性能的影响.实验结果表明:石墨的固体润滑作用,主要造成了制动过程中动摩擦力矩的下降,而对锁止静摩擦力矩的影响却很小;石墨可以明显降低复合材料的动摩擦系数,并有助于提高动摩擦系数的稳定性;石墨的加入有效降低了碳布复合材料和对偶的磨损率,当石墨含量为15%时复合材料的磨损率最低.引入稳定系数对动摩擦系数的稳定性进行了定量分析,当石墨含量为10%时复合材料的动摩擦系数稳定性最好.     

双炔酸聚合LB膜结构及其摩擦磨损行为研究

采用垂直提拉法将单层双炔酸膜转移到云母基片上,同时将13层双炔酸膜转移到经过亲水处理的单晶硅片和石英片上,使双炔酸在紫外光照射下发生拓扑聚合制备双炔酸聚合LB膜,并对双炔酸和经紫外光照射后聚合双炔酸LB膜的结构及摩擦磨损特性进行研究.结果表明:双炔酸在可见区无吸收峰,但经紫外光照射后因双炔酸聚合后形成的共轭大π键在可见区出现了吸收峰;双炔酸LB膜均匀平整,厚度约为3.5 nm,聚合后其结构发生变化,厚度降至约1.5 nm;而聚合后双炔酸LB膜的减摩性能基本保持不变,聚合前后双炔酸LB膜的摩擦系数不随载荷而变化,符合阿芒顿定律,其抗磨特性得到明显提高;磨痕结果充分表明聚合双炔酸耐磨性能较好.     

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.      

石墨表面金属包覆处理对Cu基粉末冶金摩擦材料制动摩擦学行为的影响

分别以铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元,采用放电等离子烧结技术制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料. 在对两种材料进行微观组织、力学及物理性能检测和对比之后,利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台测试了不同条件下两者的制动摩擦磨损性能,并通过对试验后两种材料的摩擦表面及其三维形貌特征、表面及近表层主要元素分布特点、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析,研究了石墨表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响,并结合热力学相关理论解释了引起两种材料制动摩擦学行为差异的原因. 结果表明:石墨表面经铜包覆处理后,会使烧结时石墨与Cu基体间的界面结合得到明显改善,且材料的硬度、致密度和导热系数也可显著提高. 随着制动速度的提高,两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低;在相同的制动条件下,采用铜包覆石墨作润滑剂时,材料的平均摩擦系数和磨损率均较低,同时材料摩擦表面的几何质量较好. 提高制动速度均能够促进两种材料表面形成摩擦膜,但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时,材料表面摩擦膜的形成机制存在明显差异. 采用铜包覆石墨时,材料表面主要形成氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面存在的较多石墨对氧化反应具有较强的抑制作用,而使得此时表面主要形成石墨膜,且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.      

中频磁控溅射沉积含铝类金刚石碳膜结构及其摩擦磨损性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备含铝类金刚石(Al-DLC)薄膜,利用原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、红外光谱仪、纳米压痕仪和微摩擦磨损试验机等考察薄膜表面形貌、结构及其摩擦磨损性能.结果表明:所制备的Al-DLC薄膜均匀、致密,表面粗糙度小,应力较低,硬度较高;薄膜与Si3N4陶瓷球对摩时显示出良好抗磨减摩性能;加基底偏压所制备薄膜的摩擦系数明显降低, 耐磨寿命显著提高.     

中频磁控溅射制备a-C：H（Al,W）薄膜及其性能研究

采用中频磁控溅射技术,以W、Al复合靶（面积比为1：1）为靶材,在氩气和甲烷混合气体中于n（100）型单晶硅表面沉积了一系列Al、W共掺杂含氢非晶碳[a-C：H（Al,W）]薄膜.分析了不同甲烷流量对薄膜成分、结构和表面形貌的影响,并表征了薄膜的力学性能和摩擦磨损行为.结果表明：随着甲烷流量的增加,薄膜中C含量呈上升趋势,而W和Al含量均呈现递减趋势,过高流量的CH₄会导致金属靶材中毒.薄膜中的sp²C和sp³C含量受W、Al以及H注入效应的共同影响.所制备的薄膜表面均较为平滑,表面粗糙度（RMS）在0.39 ~0.48 nm范围内.薄膜的纳米硬度（H）在9.98~11.37 GPa之间,弹性模量（E）介于71~93.36 GPa之间,弹性恢复系数均在70 %以上.当薄膜中W和Al的原子百分含量分别为3.74 %和2.37 %时,H/E值和H³/E²值分别为0.141和0.198,且此时薄膜在大气环境下表现出较好的减摩抗磨性能.薄膜具有适度的sp³C/sp²C比值、优异的弹性形变性能、摩擦过程中对偶球表面形成连续而致密的转移层等因素是薄膜具有良好摩擦学性能的重要原因.     

固体表面FAS膜转移对面接触油膜润滑影响的试验研究

利用滑块-盘面接触润滑油膜测量系统,在限量供油条件下,研究了滑块表面涂镀的疏油FAS(C₁₃H₁₃F₁₇O₃Si)膜对油膜润滑的影响. 结果表明:部分FAS膜可以透过油膜自发地转移到玻璃盘上;由于FAS转移膜的反润湿作用,玻璃盘面上接触区出口的润滑油膜回流增强;润滑油在玻璃盘润滑轨道上由原来的双侧脊分布转变为离散液滴分布,并向润滑轨道中心区域聚集,增强了入口区供油,油膜厚度增加.      

A Discontinuous Elastic Interface Transfer Model of Thin Film Nanoindentation

A new model of thin film indentation that accounted for an apparent discontinuity in elastic strain transfer at the film/substrate interface was developed. Finite element analysis suggested that numerical values of strain were not directly continuous across the interface; the values in the film were higher when a soft film was deposited on a hard substrate. The new model was constructed based on this discontinuity; whereby, separate weighting factors were applied to account for the influence of the substrate in strain developed in the film and vice-versa. By comparing the model to experimental data from thirteen different amorphous thin film materials on a silicon substrate, constants in each weighting factor were found to have physical significance in being numerically similar to the bulk scale Poisson’s ratios of the materials involved. When employing these material properties in the new model it was found to provide an improved match to the experimental data over the existing Doerner and Nix and Gao models. Finally, the model was found to be capable of assessing the Young’s modulus of thin films that do not exhibit a flat region as long as the bulk Poisson’s ratio is known.     

下降液膜在逆向流动空气作用下的换热

以下一代核电站反应堆安全壳非能动冷却为背景，对竖直管内过冷下降液膜在逆向空气．水蒸汽流动作用下的换热提出了一个分析模型，对液膜采用边界层近似理论，对空气．水蒸汽混合气采用由热质传递比拟理论引出的关联式进行分析，考察了各种条件下液膜的厚度、温度、吸收热量与蒸发热量沿流向的变化，与相关研究进行了对比，表明了模型的合理性。     

下降液膜层流换热发展段中的积分分析

对等温竖直壁面上层流液膜发展段的流动换热进行了理论分析 ,用积分法得到并求解了速度和温度边界层的积分方程式 ,求得了发展段的流动和换热特性的变化规律 ,讨论了进口流态和普朗特数对换热的影响。     

Turbulent Heat Transfer and Large Coherent Structures in Trailing-edge Cutback Film Cooling

Film cooling is a key technology for improving the thermal efficiency and power output of gas turbines. The trailing-edge section of high-pressure turbine blades can be efficiently cooled by ejecting a film over a cutback on the pressure side of the blade. In this paper, results of Large–Eddy Simulations (LES) are presented that match an existing experimental setup. Altogether, eight simulations with the blowing ratio M varying as the only parameter were performed over a range from M?=?0.35 to 1.4. Reasonably good agreement between LES and experiments were obtained for flow field statistics and adiabatic film-cooling effectiveness η _aw. Within a limited range of blowing ratios, an increase in the blowing ratio results in a counter-intuitive decrease of the cooling effectiveness. The present work suggests a mechanism that can explain this behavior. The visualization and analysis of large coherent structures showed that there exists dominant clockwise-rotating structures that can give rise to a combined upstream- and wall-directed turbulent heat flux. This turbulent heat flux represents the main contribution of the total heat flux and causes a significantly intensified thermal mixing process, which in turn results in the counter-intuitive decrease of the cooling effectiveness.     

应用结构传递函数计算高阶剩余模态

本文分析了高阶剩余模态的组成形式,提出了一种利用结构传递函数求解高阶剩余模态的方法.由于文中通过传递函数得到结构高阶剩余模态,因此实验模态技术能方便地引入模态综合之中,为模态综合技术更广泛地应用提供了方便.