离子束表面改性及其在摩擦学中的应用

本文对离子束表面改性的各种方法和技术水平及其在摩擦学中的应用进行了综述,讨论了为使这种技术更加广泛地应用于实际摩擦学体系还必须研究的一些问题。大量文献资料表明,离子注入是改善材料摩擦学性能的一种有效方法。离子束辅助涂层是新近发展起来的一种离子束表面改性技术,包括离子束增强沉积或离子束辅助沉积、离子束混合和离子束反冲注入。利用它可以制得0.05到几个微米厚的涂层。由于界面的相互扩散混合,离子束辅助涂层能更强地与底材结合,并且常比物理或化学气相沉积的涂层更密实。作者认为,离子束技术今后将在两个相关领域中发展,即直接的离子注入和离子辅助涂层,并且指出离子补助涂层技术将拓宽离子束技术在摩擦学中的应用范围。     

固体润滑剂摩擦学特性的强化试验装置

作者对原有四球机进行了局部的重新设计,将试样的点接触形式改成了面接触形式,并且增加了冷却系统,使下试样下部浸在循环冷却液中相对滑动,有效地抑制了高速重载强化试验条件下的摩擦温升。特殊的设计保证了平面与平面接触的充分贴合。试验结果表明,本装置对于不同的试样具有较好的灵敏性,对于相同的试样具有较好的重现性,因而试验结果比较可靠。     

表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用

对近年来国内外在采用表面改性技术改善材料的抗微动损伤性能方面的研究和进展作了简要的综述。分析了各种表面改性层在微动摩擦学中的应用和作用机制。指出采用多种表面改性手段，如表面机械强化，表面化学处理及表面涂覆等可不同程度地提高材料的抗微动损伤性能，延长零件的服役寿命。     

摩擦表面无机保护膜摩擦学研究进展

就化学热处理表面无机化合物改性层以及润滑油添加剂在摩擦表面形成的摩擦化学反应膜的摩擦学研究现状进行了总结；分析了润滑油添加剂同化学热处理表面相互作用研究的重要性及其对低摩擦、长寿命复合材料制备科学和技术研究的促进作用；指出通过化学热处理可以在材料表面形成由无机化合物组成的表面改性层，从而有效地提高材料的承载和抗磨能力；而润滑油添加剂通过摩擦化学作用亦可在摩擦表面形成主要由无机化合物构成的表面保护膜，从而大幅度地提高摩擦副的减摩抗磨性能，并延长其服役寿命．从摩擦学特别是摩擦学表面改性领域的发展趋势来看，摩擦表面无机保护膜制备技术研究将成为减轻机械设备摩擦磨损和提高其使用寿命的主流热点．     

铝质材料的摩擦学表面改进

在工程应用中，铝质材料是一类重要性仅次于钢铁的金属材料，但是，铝质材料作为摩擦学材料，却存在着质软，摩擦系数高，磨损大，容易拉伤且难以润滑等严重弱点，为了总结科学工作者在铝质材料的摩擦学表面改性方面的研究成果，借以推动有关工作的深入开展，对材料的各种摩擦学表面改性技术的研究进及其发展现状作了概述，其中，重点综合介绍的是本世纪八十年代新发展起来的自润滑阳极氧化铝处理技术的基本原理，处理方法和应用等。     

铝质材料的摩擦学表面改性

在工程应用中，铝质材料是一类重要性仅次于钢铁的金属材料。但是，铝质材料作为摩擦学材料，却存在着质软、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤且难以润滑等严重弱点。为了总结科学工作者在铝质材料的摩擦学表面改性方面的研究成果，借以推动有关工作的深入开展，对这类材料的各种摩擦学表面改性技术的研究进展及其发展现状作了概述，其中，重点综合介绍的是本世纪八十年代新发展起来的自润滑阳极氧化铝处理技术的基本原理、处理方法和应用等，同时，根据有关的测试和分析结果，对自润滑阳极氧化铝在研究和开发工作中所存在的一些问题，以及产生这些问题的原因等进行了分析与讨论，并就其今后的发展方向和应当进行改进研究的几个重点课题作了预测与评述。     

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

活塞与活塞环表面稀土自润滑摩擦学改性研究

采用稀土自润滑表面处理技术对桑塔纳 JV汽油发动机活塞与活塞环表面进行处理 ,并对原机进行活塞与汽缸、活塞环端口的超小间隙改造 (配缸间隙 - 5～ 2μm,活塞环开口 15 0μm ) ,通过台架试验对超小间隙发动机抗拉缸性能和摩擦功耗进行了考察 ;通过原子力显微镜对活塞表面的微观形貌和摩擦力进行了测试 .结果表明 :经稀土自润滑处理后活塞与活塞环表面产生大量孔穴和大量直径为 6 0～ 12 0 nm的球形聚集物 ,该特征表面明显增强了活塞与活塞环的抗拉缸性能 ,降低了自润滑表面的摩擦力 ,起到了良好的摩擦学改性作用     

金属材料的激光表面改性及其在摩擦学中的应用

作者对激光表面处理的各种方法和现有技术水平进行了综述介绍,并就其在改善金属材料表面摩擦磨损性能方面的研究和应用,以及今后的发展都作了简要的分析和讨论。激光相变硬化能使处理的工件形成具有表面压应力的硬质马氏体表面,因而可以降低表面的磨损速率。在金属工件上通过激光包覆高抗磨、抗热、抗腐蚀和抗疲劳的高硬质合金甚至致密陶瓷,在严格控制工件材料对包覆合金稀释的情况下,可使底材获得高的摩擦学性能。激光合金化通过选择合金元素和基底材料能有选择地改进低成本工件的表面,使其具有优异的物理、化学和机械性能。激光上釉是通过细化铸造组织、减少偏析及形成高度过饱和固溶体等亚稳定相乃至非晶态而提高了材料的耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性能。激光冲击硬化是通过在材料表层内形成冲击波而引起“损伤”来改变表层的组织和性能。     

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.      

钛合金表面改性层的摩擦学性能

对生物医学钛合金表面进行不同的表面改性处理，用静动摩擦系数测定仪评价了改性层的摩擦学性能．结果表明：氢氧化钠溶液处理后的钻合金表面生成了较厚的TiO2层，改性层的摩擦系数显著降低，抗磨性能较好；钛合金表面TiO2溶胶—凝胶涂层在较高载荷(3N)下的抗磨性较差，而在较低载荷(1N)下的抗磨性能较好；热氧化处理后的钛合金表面在较高及较低载荷下的抗磨性都较差．钛合金表面的TiO2溶胶—凝胶涂层在较高载荷(3N)下的抗磨性能较差，这主要是因为TiO2溶胶—凝胶涂层涂覆Ti合金表面存在Al2O3所致．     

石墨烯在金刚石基体表面的纳米摩擦学行为研究

采用热化学气相沉积法(Thermal Chemical Vapor Deposition,TCVD)和机械剥离法分别制备了单层和少层石墨烯并转移至MPCVD制备的多晶金刚石基体表面,利用原子力显微镜研究了大气环境下石墨烯在金刚石基体上的纳米摩擦和磨损性能. 研究结果表明:单层和少层石墨烯在金刚石基体上具有良好的减摩作用,摩擦系数分别为0.03和0.014. 然而,由于石墨烯和金刚石表面之间的物理吸附作用较弱,其摩擦力会略高于SiO₂/Si基体表面石墨烯的摩擦力. 随扫描速度升高,金刚石表面的单层与少层石墨烯的摩擦力的变化可以分为自然对数正比上升,基本保持不变以及黏性阻尼增加三个阶段. 在磨损试验中,TCVD法制备和转移石墨烯的过程中产生的缺陷和污染物降低了单层石墨烯的耐磨性能,而机械剥离的少层石墨烯因为无缺陷的石墨烯晶体结构在金刚石基体上展现了优异的耐磨特性. 本研究可为以金刚石为基体的石墨烯固体润滑剂使用提供理论基础.      

表面力仪及固体表面微观接触机理的实验研究

利用以等色序条纹技术为核心的表面力仪,使２个分子级光滑的圆柱状云母表面在一定载荷下接触,测量其接触区尺寸和接触表面和变形情况。在两表面间使用不同介质以进行有粘着接触和无粘着接触２种条件下的实验,并将测量结果与Ｈｅｒｔｚ理论（无粘着接触）和ＪＫＲ理论（有粘着接触）进行对比。发现在无粘着接触条件下的试验结果与Ｈｅｒｔｚ理论相吻合;而在有粘着接触条件下则测量到了ＪＫＲ理论所预言的“颈缩”现象。     

环氧树脂表面金属离子注入改性层的摩擦学性能研究

以 3种剂量 (2× 10 1 5 ions/cm2 、1× 10 1 6 ions/cm2 及 1× 10 1 7ions/cm2 )分别对环氧树脂进行 Al、Ti和 Fe离子注入处理 ,采用 MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机考察了注入改性层的摩擦学性能 ,采用傅立叶变换红外光谱仪分析离子注入前后环氧树脂表面基团及其键合方式 .结果表明 :3种金属离子注入处理后环氧树脂的耐磨性均显著提高 ,摩擦系数降低 ;其中 Al离子注入处理的摩擦学改性效果最好 ;对应于环氧树脂最小磨损体积损失的不同金属离子的注入剂量亦不同 .红外光谱分析结果表明 :经 Al离子注入后 ,环氧树脂表面保持微量的吸附水 ;同时其表面发生了脱氢及氧化等作用 ,形成了新的化学基团 ,且其立体网状交联程度提高 ,这使得离子注入处理后环氧树脂的减摩耐磨性能得以明显改善 .     

六种典型表面强化层的摩擦学特性研究

作者从摩擦学角度出发,对PVD TiN等6种典型表面强化层的摩擦学性能进行了系统的试验研究。结果表明,几种表面强化层各有其最佳的应用范围和各自的磨损机理。不同强化层的承载能力不同,失效形式亦各异,配磨材料对其摩擦学特性有明显的影响,最佳强化层的耐磨性不代表配副系统的最佳耐磨性。     

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%.     

锡青铜镶嵌固体润滑剂轴承的摩擦学特性

在栓－盘式端面摩擦磨损试验机上于常温干摩擦条件下，对锡青铜轴承和镶嵌固体润滑剂（ＰＴＦＥ和石墨等复合物）的锡青铜轴承进行了摩擦学性能的对比试验研究．结果表明，几种固体润滑剂嵌入量不同的镶嵌轴承的摩擦系数都明显降低，耐磨性均比对照轴承的高２个数量级，其中以固体润滑剂嵌入面积分数为３０％的轴承的摩擦磨损性能最好．利用Ｘ射线微区分析仪、扫描电子显微镜和能量色散谱仪等，对磨损表面和磨屑的形貌、表面转移膜和元素的面分布等作了观察与分析，指出摩擦界面，尤其轴承金属摩擦表面固体润滑剂转移膜的形成是提高轴承性能的关键，锡青铜镶嵌固体润滑剂轴承以粘着磨损和疲劳磨损为主要磨损机理     

环氧改性的单晶硅表面聚合物薄膜的摩擦学特性研究

以3-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷（GPMS）作为连接层,在单晶硅基底表面制备2,5-呋喃二酮与1-十八烯的共聚物（PMAO）聚合物薄膜.采用傅立叶变换红外光谱仪及原子力显微镜表征薄膜的结构,分别从微观和宏观摩擦学角度考察薄膜的摩擦磨损性能.结果表明：PMAO聚合物通过环氧硅烷分子与基底之间形成化学吸附,GPMS增强了聚合物/无机界面间的粘附性和稳定性;与空白基底相比,聚合物薄膜具有低摩擦系数和优异的抗磨性能,可以作为低载荷下硅基材料的抗磨减摩防护层.     

活塞环材料表面热喷涂层的摩擦学特性之研究

作者报道了在钒钛铸铁活塞环材料表面热喷涂自熔性合金粉Ni_(222)的工艺和涂层组织,並在相同的试验条件下,分别评定了钒钛铸铁、硬铬镀层和热喷涂层的摩擦磨损性能。试验结果表明:热喷涂层的摩擦系数低于钒钛铸铁,与硬铬镀层的相接近。热喷涂层的磨损率仅为钒钛铸铁的十分之一、硬铬镀层的二分之一左右,同时对缸套材料的磨损也最小。     

塑料表面改性对其摩擦学性能影响

论述了采用离子注入、气相沉积、激光熔敷和等离子喷涂等表面改善塑料摩擦学性能方面的研究现状和进展,分析了塑料表面离子注入改性的机理,指出采用合适的表面改性工艺可有效地提高塑料表面的硬度并进而提高其耐磨性,从而进一步延长塑料的使用寿命 ,扩大其段А