相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

环境湿度对碳/铜滑动接触副载流摩擦学行为的影响

弓网系统依靠受电弓滑板与接触网导线间的滑动电接触为电力列车输送电能,作为1个开放的摩擦学系统,外界环境对其服役行为具有显著影响. 本文中利用往复式载流摩擦磨损试验机,通过加装湿度控制模块,在滑动电接触条件下,以碳棒和铜棒为摩擦配副,研究了环境湿度对碳/铜载流滑动接触副摩擦学行为的影响. 结果表明:载流条件下的摩擦系数高于无电流工况;无电流工况下,平均摩擦系数均随环境湿度的增加而单调降低;但由于累积电弧放电能量、平均接触电阻与相对湿度的正相关性,导致载流条件下在35% RH后的摩擦系数几乎不受环境湿度的影响. 进一步发现,无电流工况下,碳棒上的黏着磨损和氧化磨损随相对湿度的增加逐步减缓,载流工况下,存在1个黏着磨损程度最低的最佳湿度值,出现在55% RH附近. 高湿环境下,加速了碳/铜载流滑动过程中碳棒磨损表面分子结构的变化.      

玻璃表面全氟聚醚衍生物润滑膜的自组装及性能研究

利用自组装技术将两种不同分子量的全氟聚醚衍生物分别组装在玻璃表面,然后采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、接触角测量仪、原子力显微镜(AFM)、椭圆偏振测厚仪对自组装润滑膜的化学结构、润湿性能、微观形貌和膜厚进行了表征,并用TRB摩擦试验机考察了自组装和非自组装两种全氟聚醚衍生物润滑膜的摩擦学性能. 结果表明:全氟聚醚衍生物在玻璃表面的自组装明显降低了玻璃基底的摩擦系数,分子量的大小、自组装溶液的浓度对润滑薄膜的润湿性和耐磨性均有重要影响;而且自组装的分子与玻璃基底的化学键合力更强,热处理后的自组装润滑膜更为致密,因此摩擦学性能更优. 利用三维轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)分析润滑膜磨痕的形貌及对偶钢球表面的磨斑形貌、元素组成及化学状态,显示润滑膜与对偶钢球摩擦的过程中发生分解,形成了含有有机氟氧化物和有机氟碳化物等的碎片,并发生了转移,进而导致摩擦失效.      

单晶硅表面等离子体基离子注入碳纳米薄膜的摩擦学特性

用等离子体基离子注入(PBII)技术在单晶硅表面制备了碳纳米薄膜,考察了薄膜在不同载荷及速度下同Si3N4球对摩时的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察分析了磨痕表面形貌.结果表明,所制备的碳纳米薄膜光滑致密,为高硬度富弹性的类金刚石碳(DLC)膜,薄膜通过C-Si键合作用而同硅片表面形成牢固结合,且成分及结构呈现某种梯度变化特征,单晶硅经改性后摩擦学性能大幅度改善:在低载荷(0.5 N)下其耐磨寿命达3 h以上,摩擦系数处于0.10～0.30之间,磨痕不明显;在高载荷(4 N)下其耐磨寿命及摩擦系数(0.03～0.20之间)均明显降低.这是由于较高载荷或滑动速度导致DLC薄膜石墨化加剧所致.     

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能的试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具有一定的减摩性.通过对其表面力-位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用.     

单晶硅表面全氟聚醚润滑膜的制备及摩擦特性研究

利用浸涂技术在单晶硅基片上成功地制备出极性全氟聚醚润滑膜,在DF－PM型动－静摩控系数精密测定装置上考察了润滑膜的摩擦特性,并采用接触角测定仪和X射线光电子能谱仪对润滑膜的表面性质和化学状态进行了表征。结果表明,与基片相比,经烘烤处理后的全氟聚醚润滑膜同钢对摩擦系数显著降低,经60次摩擦后,摩擦系统迅速增大到0．22左右,此时润滑膜被磨穿;此后摩擦系数缓慢增加,当摩擦次数达到200次左右时,摩擦系数稳定于0．42附近,低于单晶硅片相应的摩擦系数,这可能是由于基片表面的全氟聚醚在滑动过程中向钢球表面发生转移所致。     

类金刚石涂层在不同载荷和湿度下的摩擦特性

利用磁过滤阴极弧等离子体沉积装置在单晶硅基底上制备了类金刚石涂层，采用原子力显微镜和纳米压痕仪测定了其表面形貌及硬度，在DF－PM型动－静摩擦系数精密测定仪上考察了涂层在不同载荷及湿度下同GCr15钢对摩时的摩擦性能。结果表明，在不同环境湿度条件下DLC涂层的摩擦性能明显不同，这主要归因于转移膜形成机理的不同；在3N载荷下，DLC涂层同GCr15钢对摩时的摩擦系数相对较小，且较为稳定；当环境湿度增大至100％时，摩擦系数显著增大，并发生类似于含氢类金刚石涂层的灾难性磨损。     

石墨对聚四氟乙烯镶嵌轴承摩擦学性能的影响

作者利用端面摩擦试验机考察了几种石墨与聚四氟乙烯复合固体润滑剂镶嵌锡青铜材料的摩擦磨损性能，发现石墨的添加不仅可以提高聚四氟乙烯镶嵌铀承的耐磨性，而且还可以降低和稳定摩擦系数。通过Ｘ射线衍射、Ｘ射线光电子能谱和电子探针等对摩擦表面转移膜的化学组成和主要元素含量的变化及表面形貌的分析观察，作者认为石墨的减摩作用是其促进聚四氟乙烯向摩擦表面转移并使之在轴承表面形成均匀覆盖的固体润滑剂转移膜，从而有效地     

Au纳米颗粒织构化表面的黏着和摩擦学行为研究

利用自组装技术在单晶硅(100)面制备了Au纳米颗粒织构化表面(nanoparticle-textured surfaces,NPTS),采用原子力显微镜(AFM)和UMT-2MT摩擦磨损试验机考察了Au纳米颗粒织构化对表面微/纳尺度黏着与摩擦性能的影响机理.结果表明:在颗粒堆积密度较低的表面,接触力学符合连续接触力学模式;在颗粒堆积密度较高的表面,形成多峰接触,有效地减少了接触面积,降低了黏着和摩擦.与光滑硅表面相比,组装时间为3.0 h的Au纳米颗粒织构化表面的黏着力降低了77%,在试验载荷为7 nN时,其摩擦力降低了42%.     

Mg-Mn-Ce镁合金表面功能纳米有机薄膜的制备与摩擦学特性

通过有机镀膜技术在Mg-Mn-Ce镁合金表面制备了有机薄膜,采用接触角测量仪测定了有机薄膜的蒸馏水接触角,使用椭圆偏振光谱仪测试了薄膜厚度,利用X射线光电子能谱仪（XPS）表征了薄膜表面典型元素的化学状态,使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌,并借助于纳米划痕测试仪评价了薄膜在微载荷下的摩擦学特性。研究结果表明：有机镀膜后镁合金表面形成了有序的纳米有机薄膜,有机薄膜与蒸馏水的接触角为108.6 °（未处理镁合金基体与水的接触角为45.8 °）,实现了亲水到疏水功能特性的转变;未处理镁合金基体的摩擦系数为0.127,有机镀膜后镁合金的摩擦系数为0.078,因此疏水性纳米薄膜能够有效降低摩擦系数。     

人手指腹与光滑物体间的静摩擦力与湿度和抓持力的关系

为了研究人手指抓持表面光滑物体时静摩擦力与湿度和抓持力的关系,在本研究中设计并制作了一种可在被抓持物体的重量连续变化的条件下测量指腹变形、抓持力及摩擦力的装置. 在不同湿度和被抓持物体重量的条件下测量并分析了指腹变形及其与表面光滑物体之间的最大静摩擦系数,通过指腹变形量度量指腹与被抓持物体之间的黏着力,以此分析湿度对最大静摩擦系数的影响机理. 结果表明:最大静摩擦系数依存于抓持力,随抓持力的增加先呈负幂函数变化,然后稳定为一定值;湿度会影响指腹与被抓持物体之间的黏着力,从而影响抓持的最大静摩擦力;潮湿时黏着力最大,抓取表面光滑物体最省力且不易打滑;湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的,最大静摩擦系数随湿度的增加而增加,到达峰值后逐渐减小.      

Analysis of humidity-dependent adhesion between a probe tip and a surface

Adhesive forces commonly exhibit a monotonic increase or a maximum with increasing relative humidity. However, anomalous behavior has been reported. Here, a numerical model of adhesive forces, comprised mainly of capillary and van der Waals forces, between a tip and a surface is established. It is described by a power law that considers the geometry, the liquid bridge wetting radius, the contact angle, and the separation distance. Capillary forces (sum of surface tension and Laplace pressure) and van der Waals forces are calculated. The latter cannot be neglected in the adhesion even at high humidity. Decrease in adhesion with increasing relative humidity can be attributed to a blunt tip shape, which is validated by experimental data. Specifically, the decrease in adhesion is attributed primarily to a transition from a rounded to a blunt tip shape. Structuring objects at the micro- or nanoscale can either increase or decrease adhesion as a function of relative humidity. This has a wide range of applications in robotic manipulation and can provide a better understanding of adhesion mechanisms in atomic force microscopy in ambient air.     

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.      

自然环境条件下轮轨接触黏着特性研究进展

轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一,而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统,受到各种自然环境因素的影响,如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物,而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展,分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征,重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理,并提出了轮轨黏着的未来研究方向.      

硅表面电沉积MoS2薄膜及其微观摩擦性能研究

以单晶硅片为基片,采用电化学沉积工艺通过阴极还原硫代钼酸根制备MoS2薄膜,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、俄歇电子能谱仪以及原子力显微镜表征薄膜结构,并研究其微观摩擦磨损性能.结果表明:所制备的薄膜为纳米/亚微米厚度,表面光滑致密,结构为非晶态,由钼、硫和氧元素构成;微米厚度的薄膜表面粗糙度增加,薄膜易开裂,结合性差;沉积MoS2薄膜的硅表面的最小摩擦力约为原始硅表面的1/2;沉积MoS2可以使硅表面的粘着能减少50%左右,从而使其微观摩擦力降低.     

二甲基—γ—全氟辛酰氧丙基硅烷自组装膜的制备及其摩擦学性能研究

利用分子自组装技术 ,用含有全氟烷基的氯硅烷作为前驱体 ,在活化玻璃表面制备了二甲基 -γ-全氟辛酰氧丙基硅烷单分子膜 ;用 X射线光电子能谱仪对组装膜表面的几种特征元素及其化学环境进行了表征 ;采用接触角测定仪测定了蒸馏水在自组装薄膜表面的接触角 ,在动静摩擦磨损试验机上评价了薄膜同 GCr1 5钢球对摩时的摩擦磨损性能 .结果表明 :所制备的自组装膜的表面自由能很低 ,具有很好的疏水 -疏油性 ,其对水的接触角高达 1 1 0°;二甲基 -γ-全氟辛酰氧丙基硅烷组装膜可以降低基片的摩擦系数 ,而且在较低负荷下具有很好的耐磨性     

相对湿度对几种摩擦副静摩擦系数的影响

在自制的试验台上考察了相对湿度对金属－金属摩擦副、金属－石墨摩擦副、金属－TiN涂层摩擦副及金属－WC涂层摩擦副的静摩擦系数的影响。结果发现,相对湿度对金属－石墨摩擦副和金属－WC涂层摩擦副的静摩擦系数没有影响,而对金属－金属摩擦副和金属－TiN涂层摩擦副的静摩擦系数有影响。利用分形接触模型推导并计算了由水膜的弯月面效应引起的附加静摩擦系数,计算结果与实际变化趋势相吻合,静摩擦系数的计算值比实际值稍偏大。     

粘着行为中预压紧力和分离速度及相对湿度对分离力影响的实验研究

在改变粘着试验中接触副预压紧力、接触副分离速度以及环境相对湿度的条件下，利用表面力仪实时测量了新鲜解理云母接触副分离过程的分离力，并观察了接触后解理云母接触区的状态．结果表明：在保持弹性接触时，预压紧力对分离力影响不大，接触材料的表面能决定分离力的强度；当预压紧力超过临界值时，接触表面发生塑性变形，在一定范围内分离力随预压紧力的增加而增大；在干接触时分离速度与分离力无直接联系，但在存在大粘度中间层液体时，分离速度的增加可使分离力显著增大；分离力随相对湿度的增加而增大．     

四面体无定型无氢非晶碳膜的制备及其摩擦学性能研究

采用磁过滤阴极真空弧系统分别在硅片[Si(100)]、W18Cr4V高速钢和Cr18Ni9不锈钢基体上沉积了一系列sp3键含量较高的四面体无定型无氢非晶碳膜(ta-C),研究了所合成薄膜的结构、硬度、附着强度和摩擦磨损性能,考察了基体和薄膜厚度对薄膜摩擦系数的影响,简要分析了相应ta-C膜的失效机理.结果表明,在高速钢基体上沉积的ta-C膜的显微硬度为76 GPa,结合力Lc值达42 N,具有优良的摩擦学性能,其摩擦系数为0.12,且摩擦系数可以在16 000 r范围内保持稳定.