原子尺度摩擦行为的分子动力学模拟

应用大规模分子动力学方法,模拟了具有原子级光滑和原子级粗糙形貌的刚性球形探头与弹性平面基体的干摩擦行为,研究了无/有粘附条件下的载荷与摩擦力、载荷与真实接触面积,以及摩擦力与真实接触面积之间的关系,对纳米尺度下的摩擦行为规律进行了分析.几种系统的真实接触面积-载荷关系都与相应的连续力学接触模型定性的一致,它们分别是Hertz光滑表面接触模型、Greenwood-Williamson粗糙表面接触模型和Mau-gis Dugdale粘着接触模型.无论是由光滑表面还是粗糙表面构成的摩擦系统,在无粘附条件下摩擦力与载荷成正比,而摩擦力与真实接触面积之间没有一个简单的关系;在粘附条件下摩擦力与真实接触面积成正比,而摩擦力与载荷之间表现为Maugis Dugdale模型预测的亚线性关系.研究表明,当表面作用从无粘附到粘附时,控制摩擦力的决定因素从载荷转变为接触面积,摩擦行为从载荷控制摩擦转变为粘着控制摩擦.     

铸铁滑动摩擦副润滑状态转化之部分影响因素的考察

本文利用线接触销-盘式摩擦磨损试验机对影响铸铁滑动摩擦副润滑状态转化的部分因素进行了考察,并且指出该摩擦副的润滑状态转化图可以分为部分弹流润滑Ⅰ区、边界润滑Ⅱ区(塑性流动磨损区)、边界润滑Ⅱ`区(氧化磨损区)和干摩擦Ⅲ区(严重擦伤区)。文章最后还着重就试样表面初始粗糙度对润滑状态转化的影响作了深入的分析和讨论。     

铸件滑动摩擦副润滑状态转化之部分影响因素的考察

本文利用线接触销－盘式摩擦磨损试验机对影响铸铁滑动摩擦副润滑状态转化的产分因素进行了考察，并且指出该摩擦副的润滑状态转化图可以分为部分弹流润滑Ⅰ区、边界润滑Ⅱ区（塑性流动磨损区）、边界润滑Ⅱ＇区（氧化磨损区）和干摩擦Ⅲ区（严重擦伤区）。文章最后还着重就试样表面初始粗糙度对润滑状态转化的影响作了深入的分析和讨论。     

表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响

采用不同结构刚度的测量装置,对光滑表面和喷砂处理表面进行滑动摩擦噪声对比试验,研究不同粗糙度表面在不同试验装置上的摩擦尖叫噪声特性及其对摩擦尖叫噪声的影响和作用机理.结果表明:摩擦表面粗糙度和磨损情况对摩擦尖叫噪声的产生及演变具有重要的影响,表面粗糙度越大的喷砂处理表面能更明显地抑制界面摩擦尖叫噪声的产生.本试验条件下,磨屑堆积和黏着剥落等磨损特征对应的黏着撕裂作用更易引起摩擦力高频成分的产生并导致较高强度的尖叫噪声,而喷砂处理的粗糙表面能减轻这些界面因素的形成,削弱摩擦力高频成分,抑制摩擦尖叫噪声的产生.     

国内润滑材料和摩擦化学的研究

作者阐明了润滑材料和摩擦化学两个方面近年来在我国润滑学科中的应用研究和基础研究的发展概况。润滑材料的研究十分活跃,很多研究成果分别解决了我国宇航、机械、运输和机械加工中的许多润滑难题,经济效益十分显著。近几年来,国内摩擦化学的研究主要在摩擦作用下润滑剂与摩擦表面之间的相互作用、润滑材料的结构与性能的关系、界面与胶体作用的研究,环境气氛对摩擦与润滑表面的影响,以及新的研究方法的利用和发展等五个方面取得了重大进展。对于我国今后应如何开展润滑材料的研究,作者也阐述了一些设想。     

CVD TiC—TiN复合涂层球／Pb基固体润滑盘摩擦学性能的研究

本文对球(包括CVD TiC-TiN复合涂层球和GCr15钢球)盘(包括纯Pb与Pb-Sn-Cu电刷镀层盘)滑动摩擦副进行了摩擦与磨损试验。结果表明,真空下的摩擦系数比大气下的低,涂层球的摩擦系数比钢球的低,Pb-Sn-Cu涂层盘的摩擦系数比Pb涂层盘的低。磨损表面的扫描电镜观测发现,在CVD涂层破裂区的后沿形成了固体润滑转移膜,这有助于降低摩擦和磨损。磨损表面的俄歇电子能谱分析表明,在油润滑及干摩擦下,盘的磨痕处仍有可起润滑作用的固体润滑膜存在。这种膜含有Fe元素,表明它是摩擦表面作用后产生的。     

MoS2/SiCH固液复合润滑体系摩擦学性能研究

本文中通过考察MoS_2薄膜/SiCH固液复合润滑体系的真空摩擦学性能,探究了该复合润滑体系的摩擦磨损机理.研究表明射频溅射MoS_2薄膜表面所固有的柱状晶体结构具有明显的润滑油吸附功能,提高了MoS_2薄膜/SiCH固液复合润滑体系的真空摩擦学性能.球盘摩擦试验结果表明:当仅对钢盘表面沉积MoS_2薄膜时,该固液复合润滑体系的滑动摩擦寿命达到1.86×106 r,为采用SiCH油润滑时摩擦寿命的1.2倍,是MoS_2薄膜固体润滑状态的4倍,表现出了良好的协同润滑效应.     

铜镍合金滑动摩擦学行为的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟建立金刚石结构粗糙磨粒球与Ni60/10%Cu (C1)和Ni60/20%Cu (C2)铜镍合金滑动摩擦结构模型,通过探究铜镍合金在金刚石磨粒不同摩擦深度下滑动摩擦行为,结合合金的磨损形貌、磨损原子数目及分布、摩擦力和亚表面损伤对合金纳米尺度下磨损机理进行了研究.结果表明：在摩擦过程中,合金磨损原子首先堆积在磨粒前方,随着滑动摩擦的进行,当压入深度为10?时,磨损原子与磨粒之间黏附力较小,磨损原子流向磨痕两侧,当压入深度为20?时,磨损原子数量增加,增加的磨损原子主要堆积在磨粒前方,共同对合金进行磨损.随压入深度的增加,合金在摩擦过程中的位错密度上升,合金亚表面损伤程度提高,但在相同压入深度下,C2合金平均位错密度大于C1合金,C1合金的亚表面质量优于C2合金,这表明摩擦深度是影响合金亚表面质量的重要因素,且Cu原子数目增加会提高合金在纳米尺度下摩擦过程中亚表面损伤.     

条状亲油表面的润滑特性试验研究

分别利用疏油薄膜和梳齿形凹槽队列织构,在钢表面的润滑轨道上围成了两类条状亲油区.试验表明,两类条状亲油区对置于其上的润滑油滴有明显约束作用,限制润滑油向润滑轨道之外的区域铺展.在有限供油条件下,对两类条状亲油区表面与钢球组成的摩擦副进行了测量,结果表明两类表面在混合润滑区均具有较低的摩擦力和磨损.将试验结果归因于条状亲油区边界处润滑油所受的表面力不同,从而润滑轨道自集油能力得到增强.最后,用光弹流试验证实了条状亲油区对摩擦副供油的改善.     

不同润滑介质下食管组织的摩擦特性研究

本文中模拟胃镜检查中胃镜前端进入食管的过程,研究了不同润滑介质(盐酸利多卡因、生理盐水、人工唾液、人工胃液)对胃镜绕管和食管黏膜界面减摩作用的影响.结果表明:胃镜绕管与食管黏膜组织界面之间存在典型的黏-滑摩擦状态,摩擦力由黏着摩擦部分和变形摩擦部分组成,润滑介质通过改善界面间的润湿性可改变其黏着状态;不同润滑介质的润滑效果与介质的物理特性有关,盐酸利多卡因由于与绕管的接触角、表面自由能和粘附功较小,改善了界面间的润湿性,因此降低了界面间的摩擦阻力和摩擦系数,而人工胃液的作用正好相反.研究结果为胃镜诊疗中润滑介质和内窥镜绕管的研制提供了理论依据.     

基于分子动力学的石墨烯涂层铜基体摩擦性能研究

石墨烯作为一种新型润滑添加物,在降低金属的摩擦损耗方面有广泛的应用前景。本文利用分子动力学方法建立单晶铜(Cu)和石墨烯/铜(Gr/Cu)模型,用以研究石墨烯(Gr)涂层对于Cu摩擦性能的影响,揭示其润滑机理。结果表明:由于Gr的加入,Cu的摩擦系数在不同压深下降低了64.4%～72.9%。研究发现,摩擦力的大小与压头压入基体的深度密切相关,而与是否具有Gr涂层关系较小。Gr涂层对于Cu摩擦性能提升的根本原因在于增强了基体表面对于法向力的耐受性而非直接降低摩擦力,这使Gr/Cu形成了较小的摩擦系数,表现出优异的摩擦性能。此外,Gr涂层可以有效改善Cu摩擦后的表面形态,与Cu表面受摩擦后大量的原子堆积和明显的刻划痕迹相比,Gr/Cu基体表面更加平滑。但是在相同的压深下,由于Gr/Cu压头下方聚集的应变能无法像Cu晶体一样通过位错向表面运动而释放,导致其内部出现了较大的原子缺陷区域。     

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

真空中GCr15钢球／CVD Cr7C3镀层钢盘摩擦副摩擦振动的研究

作者在对GCr15钢球/CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副于大气中滑动干摩擦引起的摩擦振动进行考察分析的基础上,本文又对这种摩擦副在真空(6.67×10~(-3)Pa)中的摩擦振动特性进行了试验研究。试件系统为低刚度和小阻尼的弹性系统。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,真空中摩擦力振动的类型呈准谐波周期性自持振动,其与正压力及拖动速度无关,振动频率接近于系统在水平方向上的固有频率;摩擦副运动的平稳性与平均滑动摩擦系数接近反比例关系;真空中摩擦力的粘着分量是使摩擦振动加剧的主要原因;钢球的磨损体积与摩擦振动特性无关。     

船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究

水润滑尾轴承摩擦磨损性能是影响船舶工作性能的主要因素之一,合理预测水润滑尾轴承工作过程中的摩擦系数对其性能评估具有重要意义.目前对于水润滑尾轴承摩擦系数的理论计算公式已经存在.但由于销盘试验下无法有效获取当量半径,公式在销盘试验条件下的实用性不佳.对此在总结了边界润滑条件下,水润滑尾轴承摩擦机理的基础上,通过在CBZ-1销盘试验机上进行大量试验来进行当量半径等效参数计算公式的总结与摩擦系数经验公式的验证.研究结果表明:(a)在使用理论摩擦系数计算公式的前提下,当量半径等效参数公式拟合合理,具备较高准确性;(b)试验材料的理论摩擦系数与实际摩擦系数误差较小,为同类型试验摩擦性能研究提供了理论与试验基础;(c)水润滑尾轴承材料在工作过程中的摩擦力来源主要分为滞后摩擦力、犁沟摩擦力以及黏着摩擦力.当其处于边界润滑状态下时,滞后摩擦力为主要的摩擦力来源.该研究为水润滑尾轴承的等效当量半径在销盘试验条件下的应用提供了试验基础.     

影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素

利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响，并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响．结果表明：对Si3N4针尖而言，表面净电荷对摩擦特性有一定的影响，不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同，正电荷影响相对较大；在较小载荷和粘附力的条件下，针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关；单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大，分子沉积膜的表面高度同摩擦力，即时测量值并不存在对应关系，摩擦力受表面形貌的影响较小．     

热处理对GeSb2Te4薄膜微观结构及其摩擦性能的影响

利用射频溅射法制备了GeSb2Te4薄膜并对其进行热处理,分析热处理前后样品的结晶情况,用纳米硬度计测定硬度,利用静电力显微镜表征样品的表面电势,采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,利用侧向力显微镜对比考察了在考虑相对湿度的情况下,热处理前后GeSb2Te4薄膜的粘附力和摩擦性能.结果表明:经过退火的沉积态GeSb2Te4薄膜发生从非晶相到fcc亚稳相再到hex稳定相转变;粘附力与表面粗糙度之间没有明显的对应关系,但与样品表面自由能和表面电势有一定关系;在低载荷下GeSb2Te4薄膜的摩擦力很大程度上受粘附力支配,而在高载荷下的摩擦力受犁沟影响显著;经过340 ℃退火GeSb2Te4薄膜由于具有层状结构,呈现出一定的润滑作用.     

基于小波变换的摩擦噪声模态耦合机理研究

观察分析了往复滑动摩擦条件下摩擦噪声的形成和发展过程，探讨了摩擦噪声的产生机理．结果表明：在往复滑动摩擦条件下产生了2种具有明显不同特征的摩擦噪声：第一种摩擦噪声在摩擦系数较小的摩擦初期即存在，对应的法向主振动与切向主振动几乎同时发生；第二种摩擦噪声在摩擦系数比较大时才出现，对应的法向主振动发生于切向主振动之前．利用小波变换技术进行分析后发现，第一种摩擦噪声对应的动态摩擦力不是源于法向力变化，而第二种摩擦噪声对应的动态摩擦力则明显源于法向力变化，前者同模态耦合机理不符，而后者则支持模态耦合机理．     

Fe-Mn-Si形状记忆合金耐磨性的研究

采用真空中频熔炼炉制备Fe-16.86Mn-4.50Si-10.30Cr-4.20Ni试验合金,在M-200型摩擦磨损试验机上评价其在干摩擦和油润滑条件下的磨损性能,利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察和分析试验合金的磨损表面及其磨损机理.结果表明,试验合金在油润滑条件下的耐磨性显著高于干摩擦下的耐磨性,而且其磨损量并不随载荷增加而增大,如当载荷300 N时的磨损量比100 N时的磨损量小.同1Cr-18Ni-9Ti不锈钢的耐磨性相比,在干摩擦下试验合金的耐磨性较差,而在油润滑下的耐磨性较好.在油润滑下试验合金的磨损表面存在大量ε马氏体,而在干摩擦下其磨损表面没有ε马氏体,由于摩擦力诱发y→ε马氏体相变导致Fe-Mn-Si合金在干摩擦和油润滑条件下具有不同的磨损机理,从而使得合金在油润滑下具有优良的耐磨性.     

氟橡胶O型圈低压气体密封黏滞摩擦特性实验

开展了低气体密封压力条件下的氟橡胶O型圈低压黏滞摩擦特性实验研究.对氟橡胶O型圈与不锈钢2Cr13摩擦副的摩擦力的时变曲线进行测量,重点分析了密封压力、O型圈压缩率和滑动速度对O型圈黏滞摩擦力的影响规律.结果表明:随压缩率的增加,氟橡胶O型圈摩擦力增加,并呈现出明显的回弹特征,即滞后摩擦力增加且释放时间增加;随着密封压力的增加,其所受最大静摩擦力、滑动摩擦力与滞后摩擦力均呈现非线性变化,且存在一极大值;减小往复运动速度,摩擦力数值增大,但摩擦力极值对应的密封压力值变小.     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.