考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势

阐述了橡塑密封系统摩擦学在"工业强基"战略以及智能制造装备(中国制造2025)的主要挑战.综述了目前橡塑密封的弹性体磨损、润滑、摩擦、界面失稳研究现状,概述了橡胶摩擦学在磨损润滑、摩擦接触研究的主要难题(包括基础理论、计算方法、仪器研制等),分析了我国与世界高端橡塑密封工业先进发达国家的差距,并就未来橡塑密封理论、技术、应用领域的重点提出了若干建议,为我国基础件研究和生产制造、工业摩擦学界提出了建议.     

GM-3摩擦衬垫动态滑移过程中的摩擦机理研究

采用GM-3摩擦衬垫与高强度透明钢化玻璃为摩擦副,在Rtec摩擦磨损试验机上进行往复滑动摩擦试验,使用高速显微摄像仪(VW9000)对接触摩擦界面进行实时原位观测,并利用灰度法计算接触界面的实际接触面积,探究GM-3摩擦衬垫的磨损机理.结果表明:GM-3摩擦衬垫的摩擦系数与实际接触面积呈正相关关系;其初期磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损,后期为疲劳磨损和黏着磨损;初期磨粒磨损会导致摩擦系数增加;卷筒状磨屑生成过程中摩擦系数变大,随后细小的磨屑聚集尺寸变大,数量变少,摩擦系数趋于稳定.     

时变接触特性表面对界面摩擦学行为的影响

通过在锻钢基材表面沟槽中分别填充灰铸铁HT300、Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金材料获得具有时变接触特性的表面,并对锻钢光滑表面试样和时变接触特性表面进行摩擦学试验,研究不同时变接触特性表面对界面摩擦学行为(摩擦噪声、摩擦振动以及磨损行为)的影响. 结果表明:填充HT300的时变接触特性表面缓解了界面磨损,有效延续摩擦系统的稳定状态,抑制摩擦振动和噪声的产生;相反,填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金的时变接触特性表面加剧了界面磨损,加速了摩擦系统不稳定状态的出现,进而激发出高强度的摩擦振动和噪声. 在本研究中,摩擦系统失稳引起摩擦振动和噪声主要归因于摩擦磨损过程中黏着撕裂和犁削等界面作用,填充材料的阻尼特性未能起到减振降噪的效果.      

高速列车制动闸片摩擦块形状对制动界面摩擦学行为的影响

在自行研制的高速列车制动缩比试验台上,对六边形、五边形和圆形摩擦块进行拖曳制动试验,研究摩擦块形状对高速列车制动界面摩擦学行为的影响,并采用有限元方法分析了不同摩擦块形状下制动界面接触行为的差异,探讨了摩擦块形状对接触压力分布及表面热分布的影响. 结果表明:摩擦块形状显著影响了制动界面磨损特性及接触压力分布,使得制动盘产生不同的温度分布现象. 在本试验条件下,六边形摩擦块表面磨损轻微,接触平台大小较为均匀,而五边形和圆形摩擦块表面呈现明显的犁沟和剥落特征,且大接触平台占比较高;六边形摩擦块与制动盘拖曳制动过程,界面具有较大的接触面积,使得接触压力分布较为均匀,表现出较好的接触行为,而五边形和圆形摩擦块的接触行为相对较为复杂,与之对摩的制动盘产生明显的热聚集现象.      

沟槽表面填充材料对界面摩擦振动噪声的影响

采用机械加工方式,在基体(蠕墨铸铁)表面加工出平行且等间距的沟槽,并在沟槽中分别填满铝材料和锻钢材料,对该填充材料试样和基体试样进行界面摩擦噪声试验,并采用数值模拟方法加以分析,得出界面摩擦振动噪声行为在不同沟槽填充材料下的变化特性,并将不同界面摩擦磨损行为与振动噪声动态关联起来.试验及数值模拟结果表明,在沟槽中填充铝材料加剧界面磨损,增大摩擦系数,并加速系统不稳定振动的产生,增大噪声强度,而在沟槽中填充钢材料能有效延缓界面不稳定振动和摩擦尖叫噪声信号的产生.此外,计算结果表明,界面磨擦磨损行为导致的界面接触非线性特性是产生多频率不稳定振动和噪声的重要因素.     

导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟

金(Au)及其合金由于优异的导电和抗氧化特性被广泛用做星载导电滑环涂覆层,本文中采用分子动力学模拟方法研究了导电滑环Au-Au涂层在不同温度和不同摩擦速度下的摩擦磨损行为,并通过设定模型局部快速升温模拟载流摩擦中电弧侵蚀的效果.结果表明:滑环环体与环刷的磨损主要为黏着磨损,温度升高会加快下压过程的界面力学响应;相对运动速度越低,磨损越严重,同时跑合后的摩擦力越大;影响摩擦磨损特性的主要原因是接触中心在温升区域中心附近时的焊接现象.研究结果为揭示Au-Au涂层的摩擦磨损性能随温度和速度变化的微观机理提供了参考依据,为我国卫星长寿命,高可靠性设计提供理论基础.     

沟槽对界面振动及摩擦磨损特性的影响

选用球-面/面-面两种不同的接触模式,分别探究了摩擦界面沟槽的存在对界面振动及摩擦磨损特性的影响.结果表明:沟槽具有捕获磨屑的能力,能够有效地减轻磨屑对界面磨损的影响,但接触模式的不同,沟槽棱边上的振动及摩擦磨损特性差异显著.在球-面接触模式下,沟槽的存在打断了界面的连续接触,导致界面摩擦信号产生突变,此外,球试样滑过沟槽时与沟槽棱边产生的撞击加剧了棱边的磨损,进而影响了沟槽收集磨屑的效率.在面-面接触中,沟槽的存在实时改变了界面的接触状态,从而导致了界面上接触压力的分布发生了转移,从而改变了界面力信号,此外,块试样与沟槽棱边并没有出现明显的撞击作用,因此沟槽的棱边保存得较为完好.     

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料, 考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素, 综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响; 根据不同接触模型中接触界面应力场分布, 分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力; 最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.      

磨损加疲劳载荷下的协同疲劳行为

自行研制的摩擦磨损装置与轴向疲劳试验机相互配合,实现GDL-1钢试样在疲劳应力(240~280 MPa)及接触载荷(30 N)作用下摩擦磨损疲劳试验.通过对磨损层厚度的分析,研究试样承受摩擦磨损载荷及拉压疲劳载荷双重作用下的疲劳寿命变化,用SEM扫描电镜观察分析次表层内疲劳裂纹扩展的演变过程,并采用Hertz线弹性理论和Smith接触理论计算分析摩擦表面以下切应力值.结果表明:在磨损疲劳载荷作用下,形变层的流变作用将显著影响疲劳小裂纹扩展方向,渐趋于切应力方向,从而提高试样疲劳寿命.在此基础上,建立了在摩擦磨损疲劳载荷下疲劳裂纹扩展模型.此外,计算可知在距表层深度0.03 mm处切应力最大,0.18 mm以内材料产生塑性变形,导致形变层的形成.     

基于第一性原理的固体界面摩擦学性能高通量计算研究

基于第一性原理提出了自动构建计算构型-自动提交计算任务-智能分析计算数据的固体界面摩擦性能自动化计算方法,并通过并发-并行同时计算约1 000个计算任务,实现了固体界面摩擦性能的高通量计算. 以石墨烯/石墨烯滑动体系为例,测试了高通量计算方法的可靠性. 结果表明:通过该方法计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致,摩擦系数也与试验结果相符合,从而验证了该方法的可靠性. 该方法能够极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间.      

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

水环境下纳米SiO2增强超高分子量聚乙烯防滑性能的影响研究

超高分子聚乙烯材料因具有优良的耐磨性、耐蚀性和轻质性而逐渐应用在船舶甲板表面.船舶甲板的湿滑、海浪冲击和颠簸环境严重影响甲板仪器设备和人员的平衡性,进而挑战其可靠性和船员人身安全.为了提升超高分子聚乙烯(UHMWPE)材料在湿滑环境下表面防滑性能,采用具有高硬度和优异増摩性能的纳米二氧化硅(SiO₂)对其进行共混改性,探究不同体积分数的SiO₂在摩擦磨损试验过程中对UHMWPE摩擦系数的影响规律.试验结果表明：一方面,纳米SiO₂在一定程度上削弱了水膜在纳米SiO₂改性UHMWPE复合材料的浸润能力和吸附性,使其从亲水性逐步向疏水性转变,改善湿滑环境下的防滑效果;另一方面,纳米SiO₂颗粒坚硬且不易变形的特性让其逐渐在摩擦磨损过程中显露出来,在外界载荷的作用下与陶瓷球之间形成啮合摩擦现象,导致UHMWPE的摩擦系数呈现上升趋势,最终表现出与干摩擦相近的摩擦系数,达到防滑需求.研究结果对设计和制造一种能在湿滑环境下具有优异防滑性能的船舶甲板高分子复合材料提供理论支持.     

GCr15钢-CVDCr_7C_3镀层摩擦副摩擦振动的研究

本文系统地研究了GCr15钢球-CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副滑动干摩擦引起的摩擦力(切向力)振动特性及其对材料摩擦磨损性能的影响。试件系统在垂直和水平方向上均处于低刚度、小阻尼状态。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,摩擦力振动的类型与正压力有关,而与拖动速度无关;摩擦力呈周期性自持振动时具有与相对滑动速度典型的非线性关系,振动频率接近(略低)于系统在切向的固有频率,而与拖动速度无关;摩擦力呈非平稳随机振动时,振动频率与系统在法向的振动频率有关,而与系统在切向的固有频率及拖动速度都无关;摩擦偶件运动的平稳性与摩擦力振动的类型有关,而与平均摩擦系数无关;摩擦力所耗费的能量与正压力呈比例关系。     

法向载荷和滑动速度对GCr15钢干滑动摩擦的影响

本文研究了在干滑动摩擦情况下,GCr15钢与YG8硬质合金对磨时的摩擦系数与法向载荷及滑动速度的关系。结果表明,摩擦系数是随着法向载荷和滑动速度的增加而降低。根据磨损表面发生的变化和磨损表面温度计算,作者认为法向载荷和滑动速度的增加使闪温增高,从而导致了摩擦磨损表面的局部熔化,即形成了边界润滑,故此摩擦系数降低,而且在较高的载荷和滑动速度条件下,不同显微组织材料的摩擦系数之差减小。     

往复滑动干摩擦条件下碳烟颗粒的摩擦学特性研究

采用往复摩擦磨损试验机分别研究了生物质燃油碳烟颗粒和0#柴油碳烟颗粒对滑动干摩擦条件下铸铁/铸铁摩擦副摩擦磨损行为的影响;借助扫描电镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪等分析测试设备探讨了不同碳烟颗粒的摩擦学作用机理.结果表明:引入碳烟颗粒后,铸铁摩擦副的摩擦磨损明显减轻,摩擦系数和磨损量均随往复频率的增加而增大;且生物质燃油碳烟颗粒的抗磨减摩效果优于柴油碳烟颗粒.其原因归于碳烟颗粒自身的力学特性、自润滑性以及摩擦副表面特性,主要包括含碳烟颗粒摩擦表面膜的形成、摩擦诱导铁基氧化物的生成,以及摩擦表面有序化碳含量的增加.     

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

A modified torsional kolsky bar for investigating dynamic friction

This paper introduces an experiment to investigate dry sliding resistance of frictional interfaces at normal pressures up to 100 MPa, slip speeds up to 10 m/s and slip distances of approximately 10 mm. This new apparatus involves a novel modification of the conventional torsional Kolsky bar apparatus, employed extensively in the past for investigating high strain rate behavior of engineering materials. The new experimental configuration represents a significant improvement over conventional tribology experiments because it uses elastic torsional waves with a superimposed static compressive force to control the interfacial traction. Moreover, the apparatus allows critical frictional parameters such as the interfacial sliding resistance, slip speeds and slip without the use of transducers at the frictional interface. The usefulness of the device is demonstrated by presenting results of high-speed friction on 6061-T6 Al/1018 steel and Carpenter Hampden tool steel/7075-T6 Al tribo pairs.