利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

热带海洋盐雾气氛自润滑耐磨防腐涂层技术研究新进展

随着“南海海洋纵深开发”和“深海深地深空”国家战略持续推进,热带海洋气氛下的磨损与腐蚀耦合损伤成为海洋装备的关键技术瓶颈.本文中通过对比我国四大海域(渤海、黄海、东海及南海)海洋多场作用因素及装备苛刻服役环境,重点指出了热带海洋(南海海域)工程装备运动传动系统/部件所面临的“摩擦-磨损-腐蚀”共性技术难题;讨论分析模拟海洋腐蚀介质与实海环境下DLC薄膜、陶瓷涂层、轻合金微弧氧化涂层、MoS₂基粘结涂层(软质)和功能一体化高分子合金(软质)等自润滑涂层的摩擦磨损行为及其损伤失效特点;从界面协同与功能匹配角度提出了热带海洋动态自润滑耐磨防腐的科学问题及研究新思路,寄望提升我国在热带海洋高技术装备关键传动部件/系统自润滑防腐方面的技术水平.     

纳米加工过程中金刚石刀具磨损研究的新进展

总结和分析了近几年来国内纳米加工过程中金刚石刀具磨损的研究方法,简要阐述了分子动力学模拟的基本原理及其应用情况,评述了分子动力学等模拟方法在金刚石刀具的热及化学磨损等方面的最新研究进展,指出了目前研究过程中存在的一些问题,以及今后研究中值得注意的几个发展方向.     

矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。     

摩擦接触问题的数学规划解法

采用Ｋｌａｒｂｒｉｎｇ等［１］提出的广义摩擦定律，将摩擦接触问题化成一涉及导数的（混合型）参数线性互补问题，并根据Ｋａｎｅｋｏ［２］方法推广得到求解这类问题的算法。典型例题的计算说明该法简单可行。     

用外加电压控制摩擦力的机理与技术

用外加电压控制金属摩擦学磨损是摩擦领域很有发展前景的新技术之一，能够有效地降低干摩擦下金属间的摩擦与磨损，但国内外有关的研究报道却还少见．因此，利用特制的球－盘式摩擦磨损试验机，对几种配对金属的摩擦自生电势和摩擦力进行了测量，揭示了摩擦自生电势与摩擦力的相关性，并且考察了外加电压对金属间摩擦力的影响，发现在外加电压与摩擦自生电势相抵消时的摩擦系数最低，比无外加电压时的摩擦系数低１２％～２６％     

水电站蜗壳垫层平面铺设范围的确定原则

目前工程界对如何合理确定水电站蜗壳垫层平面铺设范围尚无统一认识.本文采用三维有限元方法,从座环位移变形、座环抗剪性能、机墩结构位移变形、流道结构承受的扭转力比例四个方面讨论了垫层平面铺设范围的确定原则.研究结果表明,若蜗壳结构问题的主要矛盾是座环和机墩位移变形过大,则平面上垫层末端宜设置在蜗壳135°～180°断面之间;但从改善座环抗剪性能和流道结构受力条件的角度来讲,垫层末端宜设置在蜗壳0°～90°断面之间或270°断面之后.考虑到座环抗剪性能和流道结构受力条件可以通过局部的工程措施予以改善,因此应该优先考虑座环和机墩结构的不均匀变形问题,据此确定蜗壳垫层平面铺设范围.     

用等离子体增强化学气相沉积技术制备类金刚石碳薄膜的摩擦磨损性能研究

利用射频-直流等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积类金刚石碳薄膜,采用激光拉曼光谱仪和原子力显微镜对薄膜的结构和表面形貌进行表征,采用纳米压痕仪测定薄膜的硬度,并用UMT型微摩擦磨损试验机考察了薄膜在不同试验条件下的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜表面光滑致密且硬度较高;在干摩擦条件下与GCr15钢球或Al2O3球配副时显示出良好的减摩抗磨性能,摩擦系数较低,耐磨寿命较长,而在水润滑条件下同Al2O3球配副时发生灾难性磨损.     

CrN基复合薄膜的结构及摩擦磨损性能研究

采用反应磁控溅射法制备了CrN、CrSiN与CrAlN复合薄膜,分析了复合薄膜的微观结构,并考察了3类薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：所制备的薄膜晶体结构没有随着Si或Al的加入发生转变,仍然为面心立方结构。CrAlN复合薄膜为合金复合薄膜,其中Al以置换方式固溶于CrN中,取代了一部分Cr原子,形成固溶体;CrSiN复合薄膜为晶态CrN与非晶态Si3N4组成纳米复合结构。复合薄膜结构致密且硬度较CrN大幅提高,在摩擦磨损过程中具有较强的抗形变能力,能够有效阻止裂纹,抗摩擦磨损性能较CrN薄膜均有不同程度的提高。     

Micro-PIV技术--粒子图像测速技术的新进展

Micro-PIV是近年来发展起来的一种微尺度流动测速技术.它是传统PIV测量与光学显微技术相结合的一种整场、瞬态、定量测量方法, 其基本测速原理与传统PIV相同, 但在示踪粒子选择、图像获取和处理等方面两者存在较大差别.Micro-PIV突破了传统微尺度流体力学测量手段的局限性, 使得对微尺度流动元件的研究从过去只能给出流量、阻力特性等有限信息逐步转向对全流场内流结构的直接测量上, 并且达到了相当高的分辨率和测量精度.本文对近几年Micro-PIV技术发展状况进行了总结和分析, 论述了Micro-PIV技术与传统PIV的主要区别以及具体的处理技术, 反映了其在科学与工程中的应用,并对此项技术的发展作了展望.      

C/C-SiC复合材料的制备及其湿式摩擦磨损性能研究

采用T700炭纤维针刺毡,经超声振动渗硅、化学气相沉积(CVD)、硅化处理及液相浸渍/炭化新工艺制备SiC呈"岛状"分布的C/C-SiC复合材料,利用偏光显微镜和扫描电子显微镜观察其微观组织结构并分析其形成机制,在MM-1000型湿式摩擦磨损试验机上研究C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能.结果表明:在初始转速恒定的条件下,动摩擦系数随制动比压的增加而逐渐减小;当制动比压恒定时,摩擦系数随初始转速的增加呈现出先增大而后降低的趋势;在本文试验条件下,摩擦系数稳定在0.088～0.126之间;在300次磨损试验后,其磨损量检测值为0.     

C/C复合材料微观结构对其制动摩擦磨损性能的影响

采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了基体炭分别为树脂炭和粗糙层热解炭结构的C/C复合材料的微观结构,并探讨了材料的微结构对其制动摩擦磨损性能的影响.结果表明:炭纤维附近的树脂炭被高度石墨化,导致树脂炭样件具有适当、稳定的摩擦系数;树脂炭片层之间存在明显的裂纹,远离炭纤维的树脂炭仍是各向同性结构,容易被剪切力剪断,产生大量碎屑,破坏了摩擦动态平衡,磨损量大是制约其作为优良制动摩擦材料的关键因素.     

高速钢离子渗硫层的摩擦磨损性能研究

采用低温离子渗硫工艺在 W6 Mo5 Cr4 V2高速钢表面制备了硫化物固体润滑层 ,在 MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机上对渗硫层的摩擦学性能进行了干摩擦试验研究 ,用原子力显微镜及扫描电子显微镜和 X射线光电子能谱分析渗层表面、截面、磨面的形貌及成分 ,用 X射线衍射仪分析了渗硫层相结构 .结果表明 ,高速钢表面渗硫层由 Fe S、WS2 和Mo S2 等具有固体润滑特性的硫化物共同组成 .微观分析发现 ,渗硫层由直径 30～ 80 nm的硫化物球状颗粒随机叠嵌而成 .纳米结构有利于磨损过程中氧化物的产生 ,对提高摩擦磨损性能有利 .干摩擦条件下 ,渗硫层具有明显的减摩与耐磨效果     

等离子喷涂纳米FeS涂层的摩擦磨损性能研究

利用等离子喷涂技术在GCr15钢表面制备出纳米FeS固体润滑涂层,采用MHK-500型摩擦磨损试验机评价了FeS涂层在油润滑和干摩擦2种条件下的摩擦磨损性能,用扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察分析了涂层的形貌、结构、物相组成和磨损表面形貌.结果表明,纳米FeS涂层的物相主要为六方FeS,还有少量Fe1-xS和氧化物,涂层由尺寸在50～100 nm的颗粒组成.与GCr15钢相比,纳米FeS涂层的减摩耐磨性明显提高,尤其在油润滑条件下摩擦系数降低1倍,在高载荷(375 N)条件下磨痕宽度降低近1倍.在油润滑和干摩擦条件下,FeS涂层的主要磨损失效形式均为塑性变形.     

相结构对氮化钛硼薄膜摩擦磨损性能的影响

采用直流非平衡磁控溅射系统在单晶硅片表面制备TiBxNy薄膜,采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱议测定TiBxNy薄膜的相结构和成分,采用销-盘式摩擦磨损试验机研究TiBxNy薄膜的滑动干摩擦磨损性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪表征薄膜的磨痕表面结构及其化学特征.研究表明:TiBxNy薄膜的相结构与N含量有关,在TiB0.65薄膜中加入N能够促使纳米晶TiN的形成;薄膜的摩擦系数和磨损率与其相结构有关,随着薄膜中TiN的体积分数增加,摩擦系数增大,磨损率降低;当薄膜中N含量约为37at.%时,TiN的体积分数和摩擦系数最高,磨损率最低;增加N含量促使h-BN相形成,且h-BN相的体积分数随N含量的增加而增大,h-BN相的形成降低了摩擦系数,增加了磨损率;在摩擦过程中磨屑发生氧化而生成钛的氧化物TiO、Ti2O3、TiO2以及少量硼(B)的氧化物.     

解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法

针对三维摩擦接触问题的求解,给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先,基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实,利用二阶锥规划对偶理论,建立了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型,它是二维Coulomb摩擦接触条件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广;随后,利用参变量变分原理与有限元方法,建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式线性化的线性互补法,该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化,因而在保证精度的前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.      

可延展结构的设计及力学研究新进展

可延展柔性电子器件克服了传统无机电子器件脆、硬的缺点,在保持优异电学性能的同时,以其优秀的可延展性极大拓展了微电子器件的应用范围,备受国内外学术界和电子产业界瞩目. 无机电子器件的可延展柔性化主要通过力学结构设计的方法实现,本文针对近两年具有代表性的三种可延展柔性结构设计,包括分形互联岛桥结构、折纸结构和剪纸结构,简要综述了这些结构的力学研究进展,彰显了力学在可延展柔性电子器件发展中的重要作用,并展望了未来的发展方向.     

嵌入式共固化复合材料阻尼结构的新进展

综述了近年来嵌入式共固化复合材料阻尼结构研究的最新进展,主要包括共固化工艺及其对粘弹性材料的要求、嵌入的阻尼材料及其薄膜的结构形式、理论分析研究的方法等。突出强调了结构功能一体化阻尼构件的最新研究成果,提出实际应用还需继续研究解决的问题,为进一步探索轻质大阻尼复合材料构件的设计理论和制作工艺提供参考。     

正交各向异性弹塑性摩擦接触问题的数值求解

采用正交各向异性摩擦定律对三维弹塑性摩擦接触问题进行分析,基于参变量变分原理,经过有限元离散,将问题化为线性互补问题模型,之后给出一个求解互补问题的非内点光滑化算法.对三维接触问题,滑动方向的确定一直是个难点,为此,该文采用作者提出的组合规划法和迭代法对各向异性摩擦本构模型进行分析,数值结果说明了模型与算法的正确性.     

航天柔性结构振动控制的若干新进展

围绕航天柔性结构的振动控制，从结构及材料的数学模型、材料及器件、基本理论与方法和一体化振动控制几个方面对一些研究的最新进展进行了介绍．主动控制和被动控制的一体化技术研究是当今航天柔性结构振动控制研究的重点，两种控制方法的结合不仅优点互补，而且提高了控制系统的性能．控制用材料和器件的研究在工程应用的推动下，也取得了较快的发展，并促进了振动控制技术的实用化