聚甲基丙烯酸甲酯材料(PMMA)纳米压/划痕变形热恢复的实验研究

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是常见的光伏电池封装材料.本文采用锥形和球形两种压头,利用纳米压痕仪开展了PMMA的纳米压痕和划痕实验.基于表面形貌扫描得到的PMMA材料在不同温度热处理后压痕与划痕变形随时间恢复的演化规律,分析了时间、温度和压头形状等对PMMA材料压/划痕变形恢复过程的影响机理.结果表明,压/划痕变形恢复...     

偏压对硅掺杂类金刚石碳膜力学及摩擦学性能的影响

通过磁控溅射沉积过程中,硅靶表面中毒制备表面微量硅掺杂类金刚石薄膜,并改变沉积偏压制备出不同结构及性能的含硅类金刚石薄膜.利用XPS、拉曼光谱仪、SEM、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段表征含硅类金刚石薄膜的结构、横截面形貌、力学性能及摩擦学性能.结果表明：偏压为-600 V下沉积Si-DLC薄膜具有致密结构,高结合力,高硬度的特性,在大气环境下,薄膜与Al2O3陶瓷球对摩表现出优良的摩擦学性能,摩擦系数与磨损率分别为0.018和1.60×10-16 m3/（N.m）.     

碳化硅薄膜的力学性能测试分析

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在(100)硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅(SiC)薄膜,用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品I和II的弹性模量/硬度分别约为106GPa/9.5GPa和175GPa/15.6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0.02~0.15和0.05~0.18,显示出良好的润滑性能;对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度,分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析,与测试结果相符。综合比较,样品II的整体性能优于样品I。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。     

聚酰胺氨类树枝形聚合物插入式自组装膜的制备与摩擦学性能：小分子链长的影响

在硅基片上制备了聚酰胺氨类树枝形聚合物与不同链长的脂肪酸小分子复合自组装单层膜,用椭圆偏振光测厚仪、DSA 100接触角测量仪、X 射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）对所制备的薄膜结构进行了表征,并分别考察了薄膜的纳米摩擦学性能和宏观摩擦学性能。结果表明：C18和C12成功组装到了PAMAM单层膜上PAMAM分子间的空白处。小分子的插入减小了PAMAM自组装膜表面的摩擦力和摩擦系数,提高了PAMAM自组装膜的承载能力。小分子链长的差别对复合薄膜的结构及摩擦学性能影响的差别不明显。     

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.      

水分对猪牙表面硬度和摩擦系数的影响

本文采用猪牙为研究对象,通过干燥和浸泡处理来控制猪牙釉质中的水分含量,利用维氏硬度仪和纳米压痕/划痕仪,研究了水分对离体生物硬组织力学性能和摩擦学特性的影响.结果表明:水含量能引起猪牙釉质表层硬度和摩擦系数的恢复性变化.猪牙表层硬度会随着水分的减少而升高,在水分再次增加后回落.猪牙表面摩擦系数随着水分的减少而降低,在水分再次增加后回升.     

C/N共掺MoS2复合薄膜的微结构及其摩擦特性研究

采用射频磁控溅射法,在氩和氮混合气氛下共溅射二硫化钼和石墨靶制备不同石墨靶溅射功率的C/N共掺MoS_2复合薄膜(MSCN).通过EDS、XPS、SEM和TEM对薄膜的成分及微观组织结构进行分析;利用纳米压痕仪,高真空摩擦试验机和UMT-2摩擦试验机分析薄膜的力学和摩擦学性能,并探讨了C/N共掺及对薄膜结构、力学和摩擦学性能的影响.结果表明:MSCN复合薄膜中的C含量随着石墨靶溅射功率的增加而增加;C/N共掺使得薄膜结构致密平整;当石墨靶溅射功率350 W时,薄膜呈现自形成纳米多层结构,该结构的出现使得薄膜最高硬度可达9.76 GPa,并且在高真空和大气环境下相比纯MoS_2薄膜表现出更低的摩擦系数以及良好的高耐磨性.     

恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析

采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.      

调制比对WSx/a-C多层膜微观组织及摩擦学性能的影响

采用磁控溅射交替溅射WS2和石墨靶,在200℃的Si基体上制备了不同调制比的WS_x/a-C多层膜(调制周期约为20 nm).利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)等手段表征了多层膜的微观结构;采用纳米压痕仪、薄膜应力测试仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试多层膜的机械性能及大气中的的摩擦磨损性能.结果表明:WS_x/a-C多层膜表面平整、结构致密,S/W比在0.92~0.97范围内波动,WS_x子层以微晶的形式存在,WS_x/a-C相界面处形成了WC相.随着调制比的增加,多层膜的硬度由7.8 GPa升高至9.0GPa,膜内压应力先减小后增大,结合力单调减小,摩擦系数由0.18增至0.29,磨损率迅速升高.调制比为1∶39的多层膜的摩擦学性能最佳,其磨损率约为6.1×10~(–15) m~3/(N·m).     

高频循环载荷下球面滑动副摩擦学特征研究

试验研究了高频循环载荷对重型差速行星齿轮与球形垫片组成的球面接触副摩擦学性能的影响. 通过激励不同质量弹簧振子产生极限幅值不同的高频循环载荷,利用离散小波变换分析摩擦力曲线,并对磨损过程和垫片磨痕进行观测. 研究表明:摩擦力低频信号成分可表征高频循环载荷下滑动副的实时摩擦状态和变化趋势;幅值过高的高频循环载荷易导致球面垫片发生疲劳磨损、犁沟磨损、材料塑性流动和变形等多种磨损类型;激励作用对球面配副的摩擦学特征影响显著,易破坏摩擦副摩擦状态的稳定性,可以通过降低瞬时高频载荷幅值和激励强度改善球面滑动副的摩擦学性能.      

利用球形压头研究聚碳酸酯的微米划痕性能

采用100Cr6球形压头系统研究了法向载荷、划痕速度和划痕次数对聚碳酸酯划痕性能的影响. 结果表明:在单次和第15次划痕中,法向载荷增加时,摩擦系数和压入深度增加;划痕速度增加时,摩擦系数先增加后减小,压入深度减小;法向载荷增加或划痕速度减小时,残余深度增加,弹性恢复率减小. 对于多程单向滑动磨损,随着划痕次数增加,划痕宽度线性增加,划痕硬度线性减小;摩擦系数、压入深度和残余深度均呈增加趋势,但增长的速率逐渐降低,一定次数后达到稳定;压入深度和残余深度达到稳定时的划痕次数随法向载荷的增加而减小. 第15次划痕中,随着法向载荷增加,划痕宽度增加,残余划痕硬度和几何划痕硬度变化趋势相反;划痕宽度随划痕速度的增加而减小,划痕硬度随划痕速度的增加而增加,最后均趋于稳定.      

摩擦耦合变形条件下奥氏体不锈钢的摩擦学性能研究

利用自制的摩擦耦合变形试验装置,对SUS304亚稳奥氏体不锈钢带在摩擦耦合变形条件下与淬火回火DC53冷作模具钢的往复摩擦性能进行了研究,分析了带试样的塑性变形规律及相变特征,并对其磨损形貌进行了SEM观察.结果表明,摩擦系数随载荷的增加呈现先增后减的特点;摩擦系数随滑动速率的增加而减小,且所有试验条件下的摩擦系数均随试验进程表现出先减小后趋于稳定的规律.不锈钢试样在试验过程中的变形量与时间之间存在对数函数关系,且其摩擦中心区域的塑性变形大于端部变形量,其磨损机理以黏着磨损和磨粒磨损为主.该研究对亚稳奥氏体不锈钢在实际加工成形过程中的工艺优化具有一定的指导意义.     

钢纤维对铜基金属陶瓷摩擦材料力学和摩擦学性能的影响

研究了钢纤维含量及长径比对汽车离合器用Cu基金属陶瓷摩擦材料硬度、力学性能及摩擦磨损性能的影响．结果表明,钢纤维同Cu基体结合良好,钢纤维可增加金属陶瓷的硬度和弯曲强度;钢纤维含量及长径比对Cu基金属陶瓷摩擦材料的摩擦磨损性能具有明显影响;随着钢纤维含量和长径比的增大,摩擦系数对比压的敏感性减弱;当钢纤维含量为10％～30％时,长径比较大的SF-1钢纤维增强Cu基金属陶瓷摩擦材料的综合摩擦磨损性能较优,相应的偶件磨损较轻微．     

人体手部皮肤的摩擦特性实验研究

采用微观摩擦磨损试验机对20名男女志愿者双手不同部位的摩擦系数进行测试.结果表明:男性手背皮肤的摩擦系数比女性偏低(女性为0.48～0.49,男性为0.38～0.39);男、女手掌的摩擦系数相差不大(女性为0.60～0.67,男性为0.62～0.70);男、女指纹的摩擦系数比较接近(女性为0.78～0.65,男性为0.77～0.68);男、女指甲的摩擦系数分别为女性0.25～0.21,男性0.23～0.21.在人体手部的手背、手掌、指纹和指甲4个部位中,摩擦系数的高低依次为指纹＞手掌＞手背＞指甲.     

聚酰亚胺复合材料与不同对偶材料滑动摩擦磨损性能

本文考察了碳纤维（CF）和固体润滑剂（LW）填充热塑性聚酰亚胺（TPI）复合材料与45^#钢、镍铬合金以及铜对摩时的摩擦磨损性能,利用SEM和光学显微镜观察磨损表面形貌.研究表明：与硬度高的钢和镍铬合金摩擦时,由于CF的增强和承载作用降低了材料的摩擦系数与磨损率,LW的加入增强了转移膜与对偶面间的结合力,进一步降低TPI的摩擦系数;与较软的铜摩擦时,由于铜偶件存在较大磨损,破坏了转移膜的稳定性,TPI及其复合材料的摩擦性能较差;TPI与钢和镍铬合金摩擦时以黏着磨损为主,与铜摩擦时以磨粒磨损为主.薄而均匀的转移膜有利于摩擦系数与磨损率的降低.     

聚双环戊二烯自润滑材料的高速干摩擦行为

采用拟反应注射成型法制备了含油聚双环戊二烯(PDCPD)材料.利用MMS-1G型摩擦磨损试验机考察了PDCPD材料在摩擦速率处于中高速(5～20 m/s)下的摩擦学性能.结果表明:含油PDCPD材料在中高速干摩擦下,表现出比纯PDCPD更优良的减摩耐磨性能.纯PDCPD材料的耐磨性受摩擦速率的影响相对较小,而PDCPD含油复合材料对摩擦速率更为敏感.在较低的摩擦速率下,纯PDCPD的磨损模式呈现明显的磨粒磨损;较高摩擦速率下,纯PDCPD主要为黏着磨损和微坑损伤.含油PDCPD材料具有完全不同于纯PDCPD的磨损模式,表现为轻微的表面擦伤和疲劳磨损.     

The frictional sliding response of elasto-plastic materials in contact with a conical indenter

Over the past decade, many computational studies have explored the mechanics of normal indentation. Quantitative relationships have been well established between the load–displacement hysteresis response and material properties. By contrast, very few studies have investigated broad quantitative aspects of the effects of material properties, especially plastic deformation characteristics, on the frictional sliding response of metals and alloys. The response to instrumented, depth-sensing frictional sliding, hereafter referred to as a scratch test, could potentially be used for material characterization. In addition, it could reproduce a basic tribological event, such as asperity contact and deformation, at different length scales for the multi-scale modeling of wear processes. For these reasons, a comprehensive study was undertaken to investigate the effect of elasto-plastic properties, such as flow strength and strain hardening, on the response to steady-state frictional sliding. Dimensional analysis was used to define scaling variables and universal functions. The dependence of these functions on material properties was assessed through a detailed parametric study using the finite element method. The strain hardening exponent was found to have a greater influence on the scratch hardness and the pile-up height during frictional sliding than observed in frictionless normal indentation. When normalized by the penetration depth, the pile-up height can be up to three times larger in frictional sliding than in normal indentation. Furthermore, in contrast to normal indentation, sink-in is not observed during frictional sliding over the wide range of material properties examined. Finally, friction between indenter and indented material was introduced in the finite element model, and quantitative relationships were also established for the limited effects of plastic strain hardening and yield strength on the overall friction coefficient. Aspects of the predictions of computational simulations were compared with experiments on carefully selected metallic systems in which the plastic properties were systematically controlled. The level of accuracy of the predicted frictional response is also assessed by recourse to the finite element method and by comparison with experiment.     

试样倾斜和正压力对球形压头微米划痕测试紫铜的影响

采用球形压头对紫铜进行微米划痕试验,研究了不同恒定正压力下试样倾斜对划痕测试紫铜的影响. 结果表明:试验测得的名义摩擦系数与试样倾斜角度线性相关,且斜率不受正压力的影响. 建立了球形压头与试样倾斜状态的位置关系模型,发现试样倾斜对名义摩擦系数中的黏着组分无影响,而犁耕组分随倾斜角度线性变化. 试样倾斜时的摩擦系数可通过球-面接触力学模型进行校正,获得试样无倾斜时的摩擦系数. 摩擦系数与正压力之间呈非线性关系,其中犁耕组分线性增大,黏着组分非线性增大并趋于稳定. 通过划痕形貌测量的残余划痕宽度几乎不受试样倾斜的影响,但与正压力的0.5次方存在线性关系. 分析了划痕硬度随正压力的变化,发现由残余划痕宽度计算得到的划痕硬度几乎为恒定值,不受正压力影响,而由接触投影面积计算得到的划痕硬度随正压力增大而增大,随后趋于稳定.      

聚苯硫醚复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能研究

分别以短切碳纤维(SCF)、铜(Cu)、氧化铜(CuO)和硫化铜(CuS)微米颗粒作为填料,通过热压成型制备了系列的聚苯硫醚(PPS)复合材料.利用环-块摩擦磨损试验机,研究了PPS复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能,结合摩擦表面形貌、转移膜结构和摩擦化学分析,研究了摩擦学机理.结果表明:填充微米颗粒后,PPS复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能均有不同程度的提高.加入SCF后,PPS表现出最好的耐磨性;Cu和CuS颗粒显著降低PPS的摩擦系数.在此基础上,进一步探究了SCF/Cu、SCF/CuS两组复合填料分别对PPS材料摩擦学性能的影响.研究发现:复合填充SCF和CuS填料后,PPS复合材料的摩擦学性能最佳.SCF和CuS表现出显著的协同效应:SCF提高PPS材料的承载能力和耐磨性;CuS在摩擦界面发生摩擦化学反应,促进具有润滑特性转移膜的形成.     

CrN和CrAlN涂层海水环境摩擦学性能研究

采用多弧离子镀在316L不锈钢上沉积CrN和CrAlN涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并用纳米压痕和划痕仪测试其硬度和结合力.采用UMT-3往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试.结果表明:CrN和CrAlN涂层在海水中摩擦系数相差不大,而316L摩擦系数明显大于涂层,且摩擦系数震荡剧烈,表明316L在海水中润滑性较差.涂层在海水中磨损率远小于316L,且CrAlN涂层比CrN涂层在海水环境中具有更优的耐磨性.CrN涂层的磨痕表面出现大量剥落坑,这是由于CrN涂层表面的大颗粒剥落形成的.而CrAlN涂层致密的结构、较为优越的耐蚀性以及摩擦时产生的具有自润滑效果的Al2O3保护层,使其在硬度值较低的情况下仍具有优异的耐磨性.因此海水环境中摩擦性能需综合考虑材料的机械性能、结构、耐蚀性以及耐磨性.