离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜的构筑及其摩擦学性能的研究

分别采用激光织构、磁控溅射和浸渍-提拉技术在单晶硅片表面成功构筑了具有离子液体纳米薄膜的织构化类金刚石碳复合润滑薄膜,采用三维轮廓仪和SEM观察了织构化类金刚石碳表面,通过X射线光电子能谱证实了织构化类金刚石碳膜表面离子液体纳米薄膜的存在,并利用微摩擦试验机重点考察和理论分析了这种复合润滑薄膜在较大和微载荷下的摩擦学性能.研究结果表明:这种离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜在微载荷下能够有效地缩短磨合时间、降低摩擦系数,然而其在小载荷下摩擦学性能欠佳.     

双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜的制备及其摩擦学性能研究

利用自组装和喷覆技术,在单晶硅(Si)表面制备了N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)-月桂酰氯(LA)-1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(ILs)双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜(DA-LA-ILs).采用接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和原子力显微镜(AFM)对复合润滑薄膜进行了润湿性能、分子组分、微观形貌和微尺度黏附行为的研究;利用球-盘摩擦磨损试验机研究了该薄膜的摩擦学性能.结果表明:经DA-LA-ILs复合润滑薄膜改性后,有效改善了Si表面的微观黏着性能;同时,相较于DA-LA双层自组装分子膜改性的Si表面和直接由ILs修饰的Si表面,该复合润滑薄膜具有良好的宏观减摩抗磨性能.研究为DA-LA-ILs复合润滑薄膜应用于微机电系统,降低微接触表面的黏着并提高耐磨性能提供了理论依据和试验基础.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.     

圆柱形表面微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响

采用激光工艺加工圆柱形表面微孔阵列,并采用三维表面形貌仪表征形状特征和形貌,在摩擦磨损试验机(UMT-Ⅲ)上进行球盘点接触摩擦学试验,研究微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响.采用Stribeck曲线表征润滑状态的转变,并辅以接触电阻定性表征摩擦副所处的润滑状态.结果表明:微坑深度对点接触润滑摩擦性能有显著影响,随微坑深度从30μm减至0,摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势,在本文试验条件下微坑深度为10μm左右时,摩擦系数较光滑表面低,并达到最小.同时,微坑的大小和面积比对摩擦系数也有明显的影响,并同样呈现先减小后增大的趋势.因而存在优化的微坑以达到减小摩擦改进润滑的目的.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

季膦盐离子液体润滑脂的制备及摩擦学规律研究

发展高性能离子液润滑脂是离子液体作为新型润滑材料在摩擦学领域的热点和重点.针对这一问题,用三丁基烷基季膦盐离子液体为基础油,聚四氟乙烯微粉为稠化剂制备了三种具有较高滴点的润滑脂.在钢/钢摩擦副表面摩擦学研究结果表明:与1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯盐离子液体润滑脂相比,在室温和高温(100℃)下,三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂均具有优异的减摩抗磨性能.通过磨斑表面的XPS分析和电场条件下考察离子液体润滑脂摩擦系数变化,推断三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂的减摩抗磨机理为离子液体润滑脂中的聚四氟乙烯与摩擦表面发生摩擦化学反应生成含FeF_2的化学反应膜,以及离子液体阳离子、阴离子以物理吸附的方式在摩擦表面形成稳定吸附膜.     

胍盐离子液体对钢/铝摩擦副的摩擦性能研究

合成了两种胍盐离子液体,采用热重分析仪评价其热稳定性.利用SRV往复摩擦试验机测试了离子液体的摩擦学性能并与常规离子液体和液体石蜡进行了对比.利用扫描电子显微镜观察磨斑处的形貌并用X射线光电子能谱仪表征了磨斑表面的化学状态,并对润滑机理进行了分析.结果表明:胍盐离子液体对钢/铝摩擦副具有优异的摩擦学性能;摩擦过程中,钢/铝摩擦副界面发生了复杂的摩擦化学反应并形成了边界润滑膜.     

离子液体作为钢-聚四氟乙烯润滑剂的摩擦学性能研究

采用微动摩擦磨损试验机考察了不同条件下三种离子液体作为钢/聚四氟乙烯润滑剂的摩擦学性能,并与传统润滑油聚α-烯烃(PAO)及干摩擦条件下的摩擦学性能做了对比.采用扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行了分析.结果表明:在变载变频试验条件下,三种离子液体与PAO的减摩抗磨性能相当;而在长磨试验条件下,离子液体均表现出优于PAO的摩擦学性能.原因是离子液体分子中的N、P、O等活性元素在摩擦过程中与聚四氟乙烯基底发生了摩擦化学反应,形成了具有润滑作用的化合物边界润滑膜,有效抑制了摩擦副的直接接触,而且该润滑膜的性能优于PAO润滑下形成的保护膜,从而使离子液体表现出优于PAO的摩擦学性能.     

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

季铵盐聚离子液体作为水基润滑添加剂的摩擦学性能研究

合成了含季铵阳离子的聚离子液体PPM-Cl,采用阴离子交换得到三种具有不同烷基链长羧酸根阴离子的聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa.发现聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa能够提升水基润滑剂的黏度.将聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa作为润滑添加剂溶于去离子水得到一系列水基润滑剂,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机考察了水基润滑剂的摩擦磨损性能并与含有商业增黏剂APE30的水基润滑剂进行了比较.结果发现,聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa对水基润滑剂的增黏效果优于商业增黏剂APE30,聚离子液体PPM-Ba,PPM-Ha, PPM-Oa作为润滑添加剂均体现出优异的减摩抗磨性能.其中,阴离子链长较长的聚离子液体PPM-Oa能够明显提升水基润滑剂的抗腐蚀性能,同时使水基润滑剂具有优异的减摩抗磨性能.利用非接触表面光学三维轮廓仪和扫描电子显微镜分析摩擦副的磨斑区域的表面形貌,发现含聚离子液体的水基润滑剂在摩擦过程中能够减缓对摩擦副表面的腐蚀并抑制黏着磨损.利用X射线光电子能谱仪分析摩擦副磨斑区域的表面化学状态,发现...     

45~#钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究

采用声光调的固体Nd:YAG激光器在45#钢表面进行了织构化处理;采用栓盘摩擦试验机考察了织构化对其摩擦性能的影响;用三维轮廓仪及扫描电镜对摩擦试验前后试样的表面形貌进行了分析.研究结果表明:经过激光织构化的45#钢表面形成了较为规整的微坑型结构.在相同试验条件下与未织构面对比,织构面的摩擦系数均有不同程度减小且表现得更为稳定,并且磨损率也得到一定的降低,这是由于所制备的表面微坑起到了捕获磨屑的作用.对不同织构密度及织构尺寸样品摩擦性能的考察结果表明较大的织构密度及较大孔径更有利于减摩抗磨.     

多库酯类离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能及机理研究

合成了以季铵盐、季鏻盐和烷基咪唑为阳离子,琥珀酸二异辛酯磺酸为阴离子的五种多库酯类离子液体,考察了其理化性能,研究其作为钢-镁合金摩擦副润滑剂的摩擦学性能,并与常规离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(L-F104)作对比. 结果表明:该类离子液体具有良好的黏温性能和热稳定性,并且与L-F104相比,对镁合金腐蚀较轻,且具有优异的减摩抗磨性能;接触电阻和磨斑表面元素分析结果表明该类离子液体能够在镁合金表面形成有效的吸附膜,且摩擦试验过程中形成了MgSO₄和MgO等物质的摩擦化学反应膜,能够阻止摩擦过程中金属表面间的直接接触,从而起到减摩抗磨效果.      

Influence on friction behavior of micro-texturing under lubricated non-conformal contact

Laser surface texturing (LST) is a well-known surface engineering process used to create arranged dimples on surface using a material ablation process. In this process, a well arranged micro-dimple can produce significant improvements of engineering components in aspects such as load carrying capacity, wear resistance, wetting characteristics and reduction of friction coefficient. In the present work, we investigated the effect of multi-dimple LST steel surfaces on tribological properties under non-conforming contact. The multi-dimple textured surfaces with some specific formula arrays were fabricated by laser ablation process on steel disc by combining patterns of circles and triangles, and circles and squares, having different dimple densities to optimize the surface texturing effect on tribological performance. The tribological test of multi-dimple textured surface was performed by a ball-on-flat unidirectional tribometer in lubricated condition, and the results compared with that of a single-dimple and untextured (polished and ground) surfaces. The results indicate that the surface with multi-dimple textured patterns had better friction performance than the untextured and single-dimple textured surfaces. The beneficial effect of multi-dimple textured patterns was associated with transition of lubrication from boundary to mixed lubrication regime.     

膦酸酯离子液体作为两种碳氢润滑油添加剂的摩擦学行为及机理研究

合成了三种膦酸酯离子液体,在微动微振摩擦磨损试验机SRV-IV上评价其作为两种碳氢润滑油(矿物油和聚α-烯烃)的添加剂对钢/钢摩擦副的摩擦学性能.采用扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行了分析.结果表明:膦酸酯离子液体能够有效改善这两种碳氢润滑油的摩擦学性能,离子液体分子的极性性质使其能够从基础油中不断吸附到金属表面,形成有效的吸附润滑膜,并且膦酸酯离子液体与金属基底发生了摩擦化学反应,形成了摩擦化学反应膜,从而使该离子液体表现出优异的减摩抗磨性能.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

钛合金表面自润滑复合耐磨结构的制备及其摩擦性能研究

本文中采用激光微加工法在TC4钛合金表面制备了不同形貌与分布密度的微观织构,将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构,同时考察了滑动条件下织构形貌及织构密度对这一复合结构摩擦磨损性能的影响.结果表明：与未织构面的润滑薄膜相比,织构面薄膜的结合力明显增大,表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能.在最优的织构密度下,含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5×10^-6 mm³/(N·m),较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3%.而将经热氧化的织构表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了材料的耐磨性,热氧化织构面润滑薄膜的磨损率最低可达8.0×10^-7 mm³/(N·m),与未热氧化的织构面润滑薄膜相比,磨损率降低了46.1%.在相同的织构间距条件下,线型热氧化织构面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量,这主要得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用.     

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.      

全氟聚醚羧酸铵离子液体的润滑性能及润滑机理研究

设计制备了三种全氟聚醚羧酸铵离子液体,在微动振动摩擦磨损试验机上考察了其在不同温度下对钢/铜锡合金以及钢/钢摩擦副的润滑性能,并与全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC)进行了对比. 通过测量接触角表征了所制备离子液体对金属表面的润湿性,通过测试摩擦试验过程中接触电阻的变化分析了摩擦过程中摩擦膜的变化;采用扫描电镜和X射线光电子能谱仪分别对磨斑表面形貌和元素状态进行了表征. 结果表明:作为钢/铜锡合金摩擦副的润滑剂时,全氟聚醚羧酸铵离子液体在常温下的润滑性能与PFPE和PFPEC相差不大,但在高温条件下表现出更为优异的减摩抗磨性能;而作为钢/钢摩擦副的润滑剂,其在常温、高温条件下均表现出优于PFPE以及PFPEC的减摩抗磨性能. 多种物理化学表征研究表明该类离子液体优异的减摩抗磨性能归因于其在金属表面优异的吸附性能以及稳定摩擦化学反应膜的形成.