人体生物摩擦学的研究现状与展望

介绍了人体生物摩擦学的概念,分析了头发、眼睛、皮肤、牙齿和关节等系统的生物摩擦学研究现状,就血液、人工心脏泵、人工心脏瓣膜和食品味觉的生物摩擦学研究方向进行了展望.指出当前人体生物摩擦学研究的关键科学问题主要包括人体摩擦副的特殊摩擦学行为及机理、模拟人体生物环境条件的人工器官摩擦磨损试验方法研究、人工材料在体内的生物摩擦学行为反应预测及磨粒在体内的生物反应和临床病症的评定.     

第21届材料磨损国际会议的总结评述

本文作者总结了第21届材料磨损国际会议概况,对研究最为活跃的滑动磨损、磨粒磨损、腐蚀、润滑、磨损建模与模拟、生物摩擦学以及高分子及高分子基复合材料磨损等研究领域的最新进展进行了评述.基于对本次会议报告的总结和概括,本文作者提出未来可能的研究重点:在生物摩擦学方面与人体疾病相关的组织、器官摩擦学性能值得重点关注;传统摩擦学研究在重现试验现象与总结试验规律的同时,更应深入地分析、归纳和总结其中包含的摩擦学机理;鉴于摩擦学模型对摩擦机理的深入揭示以及对摩擦学实际工程应用的指导,摩擦学建模值得大力发展.     

1Cr18Ni9Ti不锈钢在滑移区的微动磨损行为

研究了1Cr18Ni9Ti不锈钢在滑移区的微动磨损行为,分析了其摩擦系数、磨损体积损失以及磨损表面和截面形貌,探讨了其微动磨损机理.结果表明,1Cr18Ni9Ti不锈钢的微动磨损分为开始、过渡和稳定3个阶段.开始阶段以粘着磨损为主,稳定阶段以表层破碎剥落为主.1Cr18Ni9Ti不锈钢磨屑的形成机制取决于表层形成摩擦学白层和加工硬化的速率同亚表层疲劳裂纹扩展速率的竞争,重载条件下,前者占据主导地位.     

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势

阐述了橡塑密封系统摩擦学在"工业强基"战略以及智能制造装备(中国制造2025)的主要挑战.综述了目前橡塑密封的弹性体磨损、润滑、摩擦、界面失稳研究现状,概述了橡胶摩擦学在磨损润滑、摩擦接触研究的主要难题(包括基础理论、计算方法、仪器研制等),分析了我国与世界高端橡塑密封工业先进发达国家的差距,并就未来橡塑密封理论、技术、应用领域的重点提出了若干建议,为我国基础件研究和生产制造、工业摩擦学界提出了建议.     

车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性.然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为.基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律.结果表明：车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈.此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大.因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响.该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.     

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.     

904L不锈钢在不同气氛下微动磨损性能研究

在可控气氛微动磨损试验设备上，开展了904L不锈钢在不同温度和环境介质(常温大气、常温二氧化碳、350℃大气、350℃二氧化碳)下的微动磨损试验.分析了其摩擦学界面损伤机制和摩擦化学行为.结果表明，常温条件下微动运行于完全滑移区，磨损机制主要是分层剥落和氧化磨损；350℃条件下微动运行于混合区，大气环境下的磨损机制主要是黏着磨损和氧化磨损，二氧化碳环境下的磨损机制主要是黏着磨损.常温时二氧化碳较大气环境的磨损量减小，温度升高至350℃时磨损量显著减小.     

摩擦学的三个公理

讨论了摩擦学发展中存在的问题,指出作为一门非常重要的应用基础学科,摩擦学在继承摩擦、磨损和润滑几千年来积累起来的理论成果和应用成果的基础上,没有建立与摩擦、磨损和润滑相比有所发展且与自身的定义和性质相适应并可以支持自身独立发展的理论体系和方法体系,提出摩擦学中存在3个基本公理：即第一公理——摩擦学行为是系统依赖的;第二公理——摩擦学元素的特性是时间依赖的;第三公理——摩擦学行为是多个学科行为之间强耦合的结果,由这些公理可以推导出一系列定理和相应的系,同时还讨论了用系统的状态方程和输出方程描述含有摩擦副的系统的特性的方法,并给出了应用举例。     

微/纳米制造技术的摩擦学挑战

评述了国内外航天、信息和军事等高技术领域中微/纳米制造技术的研究现状和发展趋势,介绍了微/纳米制造技术特征及其关键技术问题,揭示了当器件的尺度由毫米量级减小到微米甚至纳米量级时,微器件材料表面和界面的摩擦学(摩擦磨损及润滑)、力学和化学等及其控制方法是微/纳米制造研究中急需解决的关键技术问题.这些问题的解决对摩擦学研究提出了严峻挑战,新的摩擦学理论和技术的出现将为微/纳米制造技术的发展以及相关问题的解决提供保障.     

骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展

骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响.本文作者概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究的试验方案和主要分类,其中按照摩擦方式不同,可将其分为磨粒磨损腐蚀、微动腐蚀、滑动(摩擦)腐蚀、模拟器仿真(摩擦)腐蚀等类型,分析了影响该行为的主要因素,包括摩擦、电化学、材料和溶液因素等.通过调研国内外文献,综述了钛合金、钴铬钼合金和不锈钢三种主要金属材料在微动腐蚀、滑动摩擦腐蚀和模拟器摩擦腐蚀三类损伤模式下的研究现状.接着介绍了钝化膜去除、磨屑颗粒产生和金属离子释放过程,以及摩擦腐蚀耦合损伤机理.最后总结未来应在假体真实工作环境模拟和再现、有机物(如白蛋白)等人体体液中特有物质对植入物耦合行为影响和其他假体如人工椎间盘生物摩擦腐蚀等三个方面开展深入研究.     

球－盘微动摩擦件磨损体积的测量与计算

一般地说，由于微动磨损量很小，测定非常困难，所得结果的误差通常都相当大．尽管几十年来人们对微动磨损进行了好些研究，然而至今却还没有建立起统一而完善的微动磨损量的测量和计算方法，以至很难对试验结果进行定量比较．因此，根据ＳＲＶ微动磨损试验机的工作原理，利用几何和数学分析手段提出了一种能够比较精确地测量和计算球－盘接触型微动摩擦件磨损量的方法，并且利用不同的模型对计算方法进行简化，从而得出了球和盘的磨损体积计算公式。只要借助轮廓仪和读数显微镜测量出有关参数，就可以比较精确地计算出球和盘的微动磨损体积，为了验证这种计算方法的实用性和可靠性，还进行了５２１００钢对不同含钨量的Ｎｉ－Ｗ合金镀层的ＳＲＶ微动磨损试验，测量结果与计算结果具有较好的一致性，由此可见，根据所提计算方法得到的计算结果，不仅可以增强ＳＲＶ试验机测试结果的可比性，也为利用这种试验机深入开展微动磨损研究提供了参照依据。     

基于声发射技术对螺栓连接结构微动磨损影响因素的研究

根据微动理论,运用声发射技术分别从预紧扭矩、激励加速度及频率3方面对螺栓连接结构的微动磨损影响因素进行了研究.结果表明:可以运用声发射技术来表征螺栓连接结构的微动磨损程度;预紧扭矩是影响螺栓连接结构微动磨损的主要因素;激励加速度对磨损程度的影响取决于螺栓连接状态;激励频率的影响尚需借助于其他手段做进一步研究.     

微动磨损与微动疲劳寿命的计算与分析方法

微动损伤常见于工程中,可使紧固件松动,疲劳寿命减少和腐蚀增加,造成较大的安全隐患和经济损失．微动损伤的试验耗时耗力,还不宜损伤的直接观察,辅以计算模拟和分析十分必要．本文重点介绍微动磨损和微动疲劳寿命计算的一些方法和分析准则．其中,微动磨损计算主要介绍基于Archard公式,结合有限元计算的分析方法,以及相应的多层节点更新方法．对于微动疲劳寿命的计算和分析,主要介绍基于多轴疲劳临界面准则的判别准则,尤其是基于能量准则的Smith-Watson-Topper参数．重点介绍如何在微动条件下实现磨损与疲劳寿命的耦合求解,以及损伤的累积和破坏的判定．通过一个简单算例说明了微动磨损对其疲劳寿命可有很大的影响．     

扭动微动条件下含水气氛对氧化行为的影响

对7075铝合金/GCr15摩擦副在不同湿度条件下扭动微动的损伤行为、氧化行为进行了研究.建立了7075铝合金在不同湿度条件下的扭动微动运行工况微动图.采用SEM、XPS对不同湿度环境下的磨损机制、氧化行为及其影响因素进行了分析.结果表明:湿度对7075的扭动微动运行存在显著影响,随着湿度的增加,摩擦扭矩明显降低;部分滑移区的磨损发生在接触边缘,损伤轻微;混合区和滑移区发生强烈的塑性变形,损伤严重,其主要磨损机制是磨粒磨损和剥层;潮湿空气增加了界面滑移,反应生成的氧化磨屑起到了润滑剂的作用,减轻了磨损.     

钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为的影响研究

采用自制的钢丝微动磨损试验机考察了钢丝的微动摩擦磨损性能，随后将经过一定时间微动磨损试验后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行拉一拉疲劳试验，进而探讨了微动摩擦系数和微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的变化关系；并利用扫描电子显微镜分析了试样磨痕和磨屑的表面形貌．结果表明，在较大的微动振幅下，钢丝的微动摩擦系数变化幅度不大，微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的增加而增大；微动磨损试验后钢丝试样的疲劳寿命同磨损深度成反比关系；可以将疲劳断口划分为4个区域，其同钢丝试样的疲劳断裂过程相对应．     

聚全氟乙丙烯的微动磨损

研究了球－盘点接触和面接触微动条件下聚全氟乙丙烯（以下简称ＦＥＰ）的微动磨损特性。发现球－盘接触对ＦＥＰ的微动磨损以带状磨屑挤出为主。而常规负荷条件下的球－盘接触形式并不适合于研究聚合物的微动磨损。采用面接触形式可以显著降低接触应力，同时也便于对聚合物微动表面的观测。结果表明，在面接触条件下，ＦＥＰ的微动损伤表面可明显地分成３个区：中心区为磨屑产生区；高应力区为磨屑阻挡区；阻挡区之外为轻微滑动区，     

外加极化电位对316L不锈钢微动磨蚀行为的影响

采用球－平面接触微动磨损试验机考察了轧制固溶316L不锈钢在不同极化状态下的微动磨蚀行为。结果表明：在阳极极化状态下,随着极化电位的升高,腐蚀疲劳微断裂作用增强,促进了微动损伤过程的发展;在阴极保护状态下,摩擦系数随微动过程的变化规律及微动损伤形貌与阳极极化态下的存在显著差异,在阴极极化态下,微动磨擦副之间的粘着导致较高的微动摩擦应力状态,但与阳极极化态相比并未产生严重损伤。