冰雪运动雪上摩擦学与雪蜡研究现状

冬奥冰雪运动摩擦阻力影响运动健儿成绩,减少滑雪板与雪面之间摩擦阻力,有助于提升滑雪时的行进速度,提高运动员成绩排名. 研究冰雪表面摩擦学,有助于认识冰雪表面水润滑机理,为设计高性能滑雪板和雪蜡材料提供相关的研究基础. 因此,本文作者从冰雪表面摩擦学开始,简要介绍冰雪表面水润滑机理及影响冰雪表面摩擦学性能的影响因素,如环境参数(运动环境的温度/湿度)、雪基参数(雪面硬度、密度,雪面温度/湿度、冰晶大小、雪面污染物)、滑雪板基底参数及雪蜡的使用等;着重介绍了滑雪运动必备的材料-滑雪板减阻蜡的作用和分类,含氟雪蜡对人员环境的危害,雪蜡的选择与打蜡方式对雪板减阻性能的影响以及国内外现有的冰雪摩擦测试装置. 最后,对我国现有冰雪摩擦学基础研究,冰雪运动摩擦学及雪蜡材料的应用开发研究提出了几点建议和期望.      

冰雪路面汽车轮胎摩擦特性研究进展

简要总结了中、高模量材料同冰雪之间的摩擦机理及相关理论，系统分析了影响冰雪路面上橡胶块和轮胎摩擦行为的因素；指出在一定工作条件下，轮胎性能和设计参数，包括胎面胶的低温模量、轮胎结构和胎面花纹等是影响轮胎摩擦牵引力的重要因素，其影响程度取决于运行条件；并就轮胎摩擦特性、全天候轮胎研制及轮胎力主动控制等方面的研究方向和热点提出了建议．     

不同润滑状态下表面润湿性的摩擦学特性研究

本文中以锡青铜为基底,采用纳秒紫外激光制备了具有微观粗糙结构的超疏水表面和亲水表面,利用扫描电子显微镜和接触角测量仪对所制备的微观结构和表面润湿性进行了表征,并通过XPS测试对所制备的样片表面润湿性转变的机理进行了分析,通过UMT-2型摩擦磨损试验机测试了在边界润滑及流体动压润滑状态下的摩擦系数,研究表面润湿性对摩擦学特性的影响.研究结果表明:材料表面润湿性在不同润滑状态下对摩擦学特性有显著的影响;在边界润滑状态下,亲水表面的摩擦学特性优于疏水表面,平均摩擦系数相对减少6.79%;在流体动压润滑状态下,疏水表面的摩擦学特性优于亲水表面,摩擦系数相对减少了10%.     

二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制

二维材料是指厚度仅有单层或数层原子的晶体或非晶材料,其优异的物理、力学和化学性能给纳米尺度超薄固体润滑材料的设计和发展带来了新的契机.同时,二维材料独特而简单的拓扑结构也为深入了解摩擦的微观机制提供了一个理想的对象.论文综述了以石墨烯为主的二维材料纳米尺度摩擦和磨损研究的进展.根据相对运动形式的不同,分别介绍了二维材料的层间滑动和表面摩擦行为,并详细阐述了这些独特行为背后的微观物理机制;同时还重点介绍了若干种影响和调控二维材料表面摩擦性能的典型方法和策略,以及二维材料纳米尺度的磨损行为及其失效模式.最后,还对纳米尺度二维材料摩擦研究进行了小结,并展望了该领域尚待探索的若干研究方向.     

湿式铜基粉末冶金摩擦材料黏着损伤研究

通过离合器试验台研究了铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦学性能和黏着损伤特性;采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了表面损伤特征和成分变化.研究了湿式铜基粉末冶金摩擦材料黏着损伤形成发展历程和损伤机理.结果表明:在高于临界功率密度的试验条件下,出现黏着损伤.黏着损伤初期摩擦材料表面出现大量长度200μm~1mm的剥落坑;黏着损伤进展期摩擦片表面形成点状、连续分布撕裂坑;黏着失效期对偶片表面出现显著的过铜现象,扭矩曲线波动异常.摩擦材料发生黏着失效前,在低于临界功率密度的条件下,摩擦性能无明显改变,具有可回复性,仍可继续使用.     

缅甸蟒蛇腹鳞表面的摩擦机理及摩擦各向异性研究

采用原子力显微镜观察缅甸蟒蛇腹鳞表面的微观结构,采用UMT-2型摩擦磨损试验机研究不同载荷及运动方向的腹鳞表面的宏观摩擦各向异性,建立了摩擦运动的接触模型,分析了腹鳞表面的磨损机理.结果表明:腹鳞表面的微观结构由指状微突体和板结构部分周期排列而成,其结构可用9个特征参数定量描述;腹鳞表面摩擦力由分子作用力、表面微突体的犁沟力、楔形作用力以及材料弹性滞后共同引起;腹鳞表面的摩擦系数在0.07左右并与运动方向有关,摩擦系数随载荷增加而减小;后向运动及左、右侧向运动时摩擦系数基本相等,比前向运动时高33%左右;腹鳞表面微突体不同方向上倾斜角度的差异是引起摩擦各向异性的主要原因.研究结果对仿生制造摩擦各向异性表面提供实验依据.     

定子表面织构对超声电机性能的影响

针对超声电机摩擦材料磨损严重和温升高的问题,采用在定子表面加工微织构的方法,提高了电机机械特性并降低了摩擦材料磨损. 首先,用显微镜测量超声电机定子表面摩擦材料黏着区域,设计出三种不同密度的凹坑织构,采用激光的方法加工在定子表面;然后,测试超声电机负载特性、效率特性和温升特性并观察定子表面. 结果表明:3-凹坑织构定子电机空载转速最高,相比光滑定子电机高出12.1%,5-凹坑织构定子电机堵转转矩和最大效率最高,分别高于光滑定子电机13.04%和17.1%,同时电机的温升也有所降低. 通过观察定子表面发现,凹坑织构有大幅降低摩擦材料黏着的作用,这种作用可以增加电机接触界面能量转换效率,提高了电机的性能并降低了摩擦材料的磨损.      

酚醛纤维增强纸基摩擦材料的性能研究

采用湿式成型工艺制备出5种不同酚醛纤维含量的纸基摩擦材料,研究了酚醛纤维含量对纸基摩擦材料各项性能的影响.通过力学试验机测试了材料剪切强度和压缩-回弹性能,利用同步热分析仪和湿式摩擦试验机测试了材料热性能及摩擦磨损性能,通过扫描电镜观察材料摩擦表面和剪切断裂面的微观形貌.结果表明:随着酚醛纤维含量的增加,材料层间剪切强度逐渐提高,而压缩率变化较小,回弹率先增大后减小;材料耐热性随酚醛纤维含量的增加而降低;随着酚醛纤维含量的增加,磨损率逐渐降低,同时摩擦系数保持稳定.     

摩擦学研究的发展概况与趋势

本文简要地综述了近年来摩擦学研究(包括摩擦与磨损的机理、润滑力学、材料与润滑剂、表面技术与工程和摩擦学设计等方面)取得的进展,并就摩擦学研究各领域的发展趋势作了预测。作者特别强调在今后的摩擦学研究中应当注意下述几个方向:摩擦学研究已从传统的力学向材料科学与技术转移;适合于高温应用的或具有低摩擦长寿命的摩擦学材料和润滑剂;磁记录和微型机械的微观摩擦学及纳米级材料摩擦学;摩擦学设计和摩擦学知识的转移。     

石墨表面金属包覆处理对Cu基粉末冶金摩擦材料制动摩擦学行为的影响

分别以铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元,采用放电等离子烧结技术制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料. 在对两种材料进行微观组织、力学及物理性能检测和对比之后,利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台测试了不同条件下两者的制动摩擦磨损性能,并通过对试验后两种材料的摩擦表面及其三维形貌特征、表面及近表层主要元素分布特点、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析,研究了石墨表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响,并结合热力学相关理论解释了引起两种材料制动摩擦学行为差异的原因. 结果表明:石墨表面经铜包覆处理后,会使烧结时石墨与Cu基体间的界面结合得到明显改善,且材料的硬度、致密度和导热系数也可显著提高. 随着制动速度的提高,两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低;在相同的制动条件下,采用铜包覆石墨作润滑剂时,材料的平均摩擦系数和磨损率均较低,同时材料摩擦表面的几何质量较好. 提高制动速度均能够促进两种材料表面形成摩擦膜,但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时,材料表面摩擦膜的形成机制存在明显差异. 采用铜包覆石墨时,材料表面主要形成氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面存在的较多石墨对氧化反应具有较强的抑制作用,而使得此时表面主要形成石墨膜,且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.      

Evaluation of drawbar performance of winter tyres for special purpose vehicles

Driving on ice is still a risky activity. Research has investigated the factors contributing to the friction mechanism and has reported experimental studies of pneumatic tyres on ice in order to develop models that predict tractive and braking performance on ice/snow. Therefore, developing testing methods to obtain relevant experimental data for the validation of models is equally important.There are agricultural and industrial vehicles which are also designed for pulling but there are no specific studies reporting experimental tests on traction force of such machines in snowy conditions. However, this issue is very topical, as demonstrated by the appearance on the market of winter tyres for such vehicles.This study presents a method for testing winter tyres in outdoor test facilities with a focus on traction performance. The conclusions will serve in future investigations as a concise knowledge source to develop improved testing facilities and tyre–ice interaction models, aiding the development of better tyre designs and improved vehicle safety systems.The functional tests hereafter described have been carried out with the aim of evaluating the possibility of measuring the influences of different technique solutions on the performance of certain 17.5 R25 sized industrial tyres.     

金属型含能材料力学行为研究进展

含能材料是一种在高温/高压作用下能够发生化学反应,并释放大量能量的新型材料。金属型含能材料作为其中一类,因密度大、强度高、稳定性好等优异性能,成为了现代武器装备中关注的重点材料之一,在破片战斗部等军事领域有着广泛的应用潜力。其中,材料的力学性能直接影响武器装备对目标的侵彻能力,决定着对目标的最终毁伤威力,一直是武器装备应用中关注的关键参数之一。为实现金属型含能材料高穿甲能力并保证高释能特性,研究人员对其力学性能开展了大量研究。本文中,对金属型含能材料力学行为的研究现状进行了综述,包括简单介绍金属型含能材料的制备工艺和力学性能测试系统,详细梳理金属型含能材料力学性能研究、微观分析及理论研究等4个方面的研究进展。总结认为,目前对金属型含能材料力学性能的研究已经有了一些成果,但是缺乏其他复杂环境条件以及其他关键工艺对其力学性能影响的研究,同时缺少材料微观性能对其力学性能的影响以及微观行为和宏观行为之间关联机制的研究,并且尚未建立能够准确反映材料在热、力、率等复杂条件下的力学理论模型。因此,制备性能优异的金属型含能材料、开展复杂条件下金属型含能材料力学性能研究、探索微观行为与宏观行为之间的关联机制,以及建立和完善材料本构模型等研究内容,将是推动金属型含能材料工程应用的重点。

     

运动生物力学发展现状及挑战

狭义的运动生物力学特指人体运动中的生物力学,主要解决竞技体育领域中如何提高运动成绩和减少运动损伤的问题.随着相关学科的融合和发展,当前运动生物力学的研究已扩展到与人类运动相关的生物学、医学、力学等学科领域.近年来,智能测试、大数据分析、人工智能等技术快速发展,对运动生物力学实验、仿真方法产生了重要的影响,在不断拓展和深化着该学科的研究内容和方向的同时,也对运动生物力学发展提出了新的挑战.本文综述了近年来运动生物力学领域的研究现状,并指出了相关研究方向的关键问题及发展趋势:在理论建模和模拟仿真计算方面,肌肉本构理论及肌肉力计算准确性是重点和难点;实验测试的新技术在竞技体育运动项目中的应用研究中扮演重要角色,其中基于深度学习的人体关键点检测算法在解决竞技体育的非接触测量方面有突破性进展;对于骨、韧带、软骨、肌肉等组织的宏观损伤机制认识不断清晰,但对于其早期损伤预测以及跨尺度损伤发生机制的研究仍有待深入;智能可穿戴装备、人工智能等新技术开始应用于运动生物力学研究及实践,成为目前运动生物力学领域最具活力的研究方向之一.本文的综述表明当前运动生物力学研究越来越向智能化、个体化、定量化发展,并正在...     

超声波电机用摩擦材料的研究进展

归纳并探讨超声波电机摩擦材料的基本要求与国内外研究进展.基于行波型超声波电机驱动特点及运行规律,从摩擦学、接触力学和材料学3个方面对超声波电机用摩擦材料的特殊要求进行探讨,初步得出超声波电机摩擦材料应具有优良的摩擦学、一定的接触变形和一定的结构特性3个方面的特殊要求.最后,针对超声波电机摩擦材料研究中存在的问题,提出一些超声波电机摩擦材料值得重视的研究方向,即建立更为完善的接触模型、研制针对多种环境下使用的多种系列摩擦材料、开发考察摩擦材料性能的专门试验设备与测试技术方法和寿命预测技术方法等.     

Experimental investigation of pneumatic tire performance on ice: Part 1 – Indoor study

Currently, the probability of accident occurrence is much higher when driving on icy roads than on asphalt. Since the tire is the only element of the vehicle that contacts the icy road, it is crucial to thoroughly comprehend the friction mechanism at the tire–ice interface for improved tires and safety systems for icy roads. This study investigates the available friction levels at the tire–ice interface by varying operational parameters through the indoor testing program conducted at the Advanced Vehicle Dynamics Laboratory, Virginia Tech (in part I) and the outdoor testing program conducted at the Keweenaw Research Center (in part II). This two-part article presents the design of experiment, the indoor and outdoor test programs, and friction–slip ratio curves obtained from both test programs for different conditions. The effects of operational parameters and their inter-dependency for the entire slip ratio range during operation on ice is explained, as studied from the two test programs. This article (part I) details the indoor test method consisting of the ice creation procedure, pre-test procedures, the test procedure and analysis of the obtained friction–slip ratio curves. This experimental investigation performs the necessary groundwork and builds a strong foundation towards making driving on ice safe.     

电接触材料摩擦学研究进展

电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用,但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题,因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发,综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题,分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究,这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.      

河渠冰水力学研究进展和趋势

从河渠冰水力学基本理论7个方面(水热循环机理、流冰形成输移扩散机理、锚冰岸冰形成发展释放、封河冰塞机理、开河冰坝机理、水工建筑物冰塞机理、水冰沙互馈作用机理)、河渠冰情预测预报及过程模拟、河冰关键参数观测技术与装备等层面介绍了国内外的河冰水力学研究的主要进展和动向,剖析了当前科学研究和工程应用研究中存在的难题,并从理论...     

制动磨损源大气颗粒物排放的研究进展

交通运输工具种类及数量的持续增长,势必会给环境保护带来严重的影响.交通运输工具于摩擦制动过程释放的制动磨损颗粒物(即制动粉尘)已成为城市大气颗粒物的重要贡献源,显著影响着城市的空气质量.为贯彻落实绿色发展理念,探索制动磨损源大气颗粒物排放的控制措施,需深入了解颗粒物排放的准确信息.基于此,本文中综述了近年来以制动磨损为源头的大气颗粒物排放研究进展.首先,从机理层面介绍了制动过程中磨屑的衍化,简述了摩擦层的形成机制和制动粉尘的来源及排放特性;其次,重点阐述了制动器结构、材料类型、外界环境、制动速度和制动载荷等因素对制动磨损源大气颗粒物排放的影响,分析了各因素对大气颗粒物排放特性(如颗粒形貌、颗粒尺寸和颗粒浓度等)的影响规律;最后,提出了制动磨损源大气颗粒物排放研究需要加强的几方面内容.