多组份硅橡胶基末端膨大二级结构粘附性能研究

本文在前期工作基础上,在仿生刚毛一级结构末端固化1层粘附层,制备出末端膨大二级结构,用UMT测试其粘附性能。结果表明：正向滑移单根阵列支杆产生的切向力为5.3 mN,5倍于一级结构的刚毛;末端膨大结构的粘附层因材料组份的不同,其粘附阵列产生的切向粘附力明显不同;倾斜的末端膨大二级结构具有各向异性的粘附特性,正向滑移产生的切向力是逆向滑移的切向力的3.5倍。     

拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.     

碳纤维切向微动磨损特性研究

在自制的多功能微动腐蚀试验机上,通过改变法向载荷和位移幅值,以碳纤维为研究对象开展球-面接触模式下的微动磨损试验. 建立了微动运行工况图、F_t-D曲线和摩擦系数曲线,探究了碳纤维的微动磨损运行特性;结合光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、白光干涉仪和X射线光电子能谱(XPS)对磨损形貌及磨屑成分进行了分析,探究了碳纤维的微动磨损机理. 结果表明:随法向载荷的减小、位移幅值的增加,微动磨损区域由部分滑移区、混合区向滑移区转变. 摩擦系数随法向载荷的增加而减少,随位移幅值的增加而增加. 磨损体积随法向载荷和位移幅值的增加而增加;在部分滑移区和混合区,磨损率随载荷的增加而减小,在滑移区,磨损率存在波动,但依旧呈上升趋势. 混合区和滑移区的磨损机理为磨粒磨损、剥层和氧化磨损,但混合区氧化磨损较为严重. 位移幅值和法向载荷对碳纤维微动磨损行为影响较大,对摩擦系数以及磨损体积也有较为显著的影响. 混合区和滑移区微动磨损机理主要表现为磨粒磨损、剥层和氧化磨损.      

钢板夹芯混凝土组合板界面滑移计算分析

在钢板夹芯混凝土组合板中,界面滑移是影响组合板力学性能的一个重要因素。通过对界面滑移的理论分析,建立了其微分方程;根据截面剪力分布和边界条件求出了任意集中载荷和均布载荷作用下界面滑移的计算公式。采用实验结果对本文公式的合理性进行了验证,最大误差为22.22%。根据计算结果及其比较分析可知:界面滑移沿组合板纵向呈非线性变化,组合板端部界面滑移最大,沿组合板纵向向跨中逐渐减小,跨中界面滑移为零;剪力连接程度、含钢率对界面滑移影响较大,混凝土强度等级对其影响较小;界面滑移随着剪力连接程度的提高、含钢率的降低、混凝土强度等级的提高而减小。     

考虑粗糙结合面弹塑性接触的黏滑摩擦建模

提出一种同时考虑粗糙面上微凸体弹性变形和塑性接触的切向黏滑摩擦建模方法。采用Hertz弹性理论和Mindlin解描述弹性接触微凸体的切向载荷和相对变形的关系;采用AF(Abbott-Firstone)塑性理论和Fujimoto模型描述塑性接触微凸体切向载荷和相对变形的关系。再利用GW(Greenwood-Williamson)模型统计分析方法建立粗糙表面切向载荷和相对变形之间的关系。将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行对比,并研究了不同塑性指数对切向载荷和相对变形关系的影响。结果表明：与完全弹性接触模型相比,本文模型引入了塑性接触理论,能够更好地描述粗糙表面切向载荷和相对变形关系,并且考虑不同接触条件下弹性变形微凸体和塑性变形微凸体对切向接触载荷的贡献,在微滑移阶段,主要由弹性接触变形影响,而在进入宏观滑移阶段之后,切向行为主要由塑性变形影响。界面切向载荷由黏着和滑移接触作用共同决定,随着切向变形的增加,滑移接触力逐渐增加,而黏着接触力先增加后减少,反映了界面由微滑移逐渐向宏滑移演化的过程。随着塑性指数的增加,粗糙面上发生塑性接触的微凸体数目逐渐增加,切向黏滑行为主要受到塑性接触特征的控制。     

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求. 针对磁敏感薄膜-基底界面, 开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究. 首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜, 分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究, 研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律. 实验和理论结果一致表明: 具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小, 而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关, 薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力. 进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能, 揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制. 最后, 基于本文的实验及理论结果, 提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手, 可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能. 本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制, 对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.      

弹塑性理想H截面压杆的分支和后屈曲分析

利用一个具有理想H截面杆的弹塑性分析模型,本文阐述了约束直杆自任意低于Karman载荷的初始状态下准静态释放后的全部屈曲过程。其重点在于探讨由杆凸侧逐点变化的弹塑性加卸载历史所产生的影响。     

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z',讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响.并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.     

Inconel 718激光熔覆合金层切向微动磨损特性研究

采用激光熔覆沉积技术制备Inconel 718合金试样,通过自主研制的多功能复合微动摩擦磨损试验机,在平面/球的点接触模式下进行切向微动磨损试验,探究合金试样在不同法向载荷和不同位移幅值下的磨损特性.试验结束后,对获得的摩擦力-位移曲线、摩擦系数曲线和耗散能等结果进行详细的动力学特性分析,再采用扫描电子显微镜和三维形貌仪对磨损表面及磨痕截面进行微观分析,得到其磨损形貌及主要的磨损机制.结果表明：当位移幅值不变时,随着法向载荷的增加,微动运行状态由完全滑移区转变成混合区,材料的磨损损伤逐渐加剧,微动磨损导致的能量耗散增加;随着位移幅值增加,材料的磨损损伤同样加剧;微动磨损区域出现裂纹的萌生和扩展现象,其主要的磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和磨粒磨损.     

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.      

Experimental investigation of inclined liquid water jet flow onto vertically located superhydrophobic surfaces

In this study, the behaviour of an inclined water jet, which is impinged onto hydrophobic and superhydrophobic surfaces, has been investigated experimentally. Water jet was impinged with different inclination angles (15°–45°) onto five different hydrophobic surfaces made of rough polymer, which were held vertically. The water contact angles on these surfaces were measured as 102°, 112°, 123°, 145° and 167° showing that the last surface was superhydrophobic. Two different nozzles with 1.75 and 4 mm in diameters were used to create the water jet. Water jet velocity was within the range of 0.5–5 m/s, thus the Weber number varied from 5 to 650 and Reynolds number from 500 to 8,000 during the experiments. Hydrophobic surfaces reflected the liquid jet depending on the surface contact angle, jet inclination angle and the Weber number. The variation of the reflection angle with the Weber number showed a maximum value for a constant jet angle. The maximum value of the reflection angle was nearly equal to half of the jet angle. It was determined that the viscous drag decreases as the contact angle of the hydrophobic surface increases. The drag force on the wall is reduced dramatically with superhydrophobic surfaces. The amount of reduction of the average shear stress on the wall was about 40%, when the contact angle of the surface was increased from 145° to 167°. The area of the spreading water layer decreased as the contact angle of the surface increased and as the jet inclination angle, Weber number and Reynolds number decreased.     

聚氨酯丝与PET丝摩擦磨损性能的试验研究

在自制多功能粘着摩擦磨损性能试验台上进行仿壁虎刚毛用聚氨酯和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)2种丝材的摩擦性能对比试验,在不同正压力下悬臂梁带动上试样丝以45°夹角相对下试样丝滑动,安装在悬臂梁上的二维传感器同时将正压力和摩擦力电信号输送计算机进行处理,计算得到摩擦系数平均值.结果表明:当法向压力处于0.5～2.0 mN范围内时,聚氨酯丝的平均摩擦系数为4.22;当法向压力在0.2～1.0 mN范围内时,PET丝的平均摩擦系数为0.29,前者为后者的14倍.高表面能引起的粘着为聚氨酯摩擦系数较高的主要原因.试验结果为仿壁虎机器人脚掌刚毛材料的选择与制备提供了依据.     

青铜—石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究

对比考察了青铜 -石墨复合材料在水润滑和干摩擦两种状态下的摩擦磨损性能及磨损机理 .结果表明 :水润滑下青铜 -石墨复合材料的磨损率明显比干摩擦下的小 ,其最小磨损率为 1.0 1× 10 -6mm3 /N·m ,而摩擦系数比干摩擦下的大 ,复合材料在干摩擦下的磨损机理主要为粘着磨损、剥层磨损和犁削 ,磨损较严重 ;而在水润滑下 ,复合材料的磨损机理主要为磨粒磨损和疲劳磨损 ,磨损较小 .这是因为水有利于降低摩擦副接触表面的温度 ,有效地抑制了基体青铜的转移 ;同时水促进了不锈钢偶件的氧化 ,形成薄而致密氧化膜 ,从而降低了磨损     

Experimental investigation of mixed convection in a rectangular duct with a heated plate in the middle of cross section

The flow and heat transfer in an inclined and horizontal rectangular duct with a heated plate longitudinally mounted in the middle of cross section was experimentally investigated. The heated plate and rectangular duct were both made of highly conductive materials, and the heated plate was subjected to a uniform heat flux. The heat transfer processes through the test section were under various operating conditions: Pr ≈ 0.7, inclination angle ϕ = −60° to +60°, Reynolds number Re = 334–1,911, Grashof number Gr = 5.26 × 10²–5.78 × 10⁶. The experimental results showed that the average Nusselt number in the entrance region was 1.6–2 times as large as that in the fully developed region. The average Nusselt numbers and pressure drops increased with the Reynolds number. The average Nusselt numbers and pressure drops decreased with an increase in the inclination angle from −60° to +60° when the Reynolds number was less than 1,500. But when the Reynolds number increased to over about 1,800, the heat transfer coefficients and pressure drops were independent of inclination angles.     

Compositive effects of orientation and contact angle on critical heat flux in pool boiling of water

An experimental study was carried out to investigate the effects of heat transfer surface orientation and the solid–liquid contact angle on the boiling heat transfer and critical heat flux (CHF) in water pool boiling using a smooth heat-transfer surface under atmospheric pressure. The orientation angle was ranged from 0° (up-facing horizontal position) to 180° (down-facing horizontal position) with a pace of 45°. The three kinds of heat transfer surfaces having different solid–liquid contact angles were the normal surface with a contact angle of 55°, the hydrophilic surface with a contact angle of 30° and the superhydrophilic surface with a contact angle of 0°. The experimental results indicate that orientation and contact angle have complex, coupling effects on heat transfer and CHF. A predicting correlation for the CHF which takes the effects of both orientation and contact angle into account is established. The predicting correlation agrees reasonably well with the experimental data.     

复合表面径向滑动轴承的概念和性能预报

近年来的研究发现固液界面的滑移可以减小表面摩擦,但也会造成流体动力效应下降甚至消失.本文提出了复合表面滑动轴承的概念,轴套表面由具有不同吸附和滑移特性的复合表面组成,发现复合表面轴承比普通轴承有许多优点.通过改变轴套表面的滑移特性可以改变和优化轴承的各种性能,例如摩擦系数、承载力、润滑剂流量、承载角等.数值解表明,在轴承高压区改变轴套表面滑移特性,轴承的整体性能会有大幅度提高.例如,本文给出的初步优化设计方案使得摩擦系数降低50%以上,同时承载力可提高20%,并且承载角可以降低33%.本文提出的设计理念不但可用于设计出具有更优异特性的径向滑动轴承,而且可以设计出具有复合表面的轴向滑动轴承或滑块轴承.复合表面滑动轴承在降低轴承摩擦、提高承载能力方面有很大的空间可以探索.     

纤维增强铸型尼龙在水润滑条件下的摩擦磨损性能研究

考察了玻璃纤维和碳纤维增强MC尼龙在水润滑条件下的摩擦磨损特性,并借助扫描电子显微镜和表面形貌仪分析了磨损机理。结果表明：在水润滑条件下,纤维增强MC尼龙的摩擦系数比干摩擦下的低,耐磨性优于未增强的基体材料;其中碳纤维增强MC尼龙比玻璃纤维增强MC尼龙具有更低的摩擦系数和更高的耐磨性能;碳纤维增强MC尼龙的磨损机理主要是粘着转移,同时伴有犁削作用,而玻璃纤维增强MC尼龙的磨损机理主要是犁削作用。     

炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学行为对比研究

对比考察了炭纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能，并探讨了其磨损机理。结果表明：在水润滑条件下，纤维增强PTFE复合材料的摩擦系数和磨损率均明显比干摩擦下的低，水起到了润滑和冷却作用；复合材料磨损表面可见明显的裸露纤维及纤维局部磨平，无明显微观裂纹，基体和纤维结合较好，磨损表面存在转移自偶件的铁，表现出犁削磨损特征；在干摩擦下，复合材料磨损表面存在大量的微观断裂裂纹，纤维发生断裂和破碎，表现出疲劳磨损特征。     

Cu/Ni-P多层膜的制备及其摩擦学性能研究

用电沉积方法制备了软硬层交替的Cu／Ni-P多层膜，用原子力显微镜观察分析了多层膜的表面形貌，用X射线衍射仪测定了其相结构；采用动一静摩擦系数精密测量装置考察了多层膜的摩擦学性能和摩擦磨损机制；采用扫描电子显微镜观察分析了其磨损表面形貌．结果表明：Cu／Ni-P多层膜与钢球对摩时具有较好的抗磨减摩性能；在低载荷和低滑动速度下，多层膜的磨痕表面存在擦伤痕迹和较浅的犁沟；在高载荷下多层膜发生严重粘着磨损和剥落。