润滑条件下钢表面氧化膜结构的SAM研究

作者在球-盘式摩擦磨损试验机上采用阶梯式加载和20~#机油滴注式润滑进行了GCr15钢球对45~#钢盘的摩擦磨损试验。通过摩擦系数的变化记录了在不同滑动速度下摩擦磨损状态发生转化时的临界载荷,从而获得了反映摩擦副摩擦学特性的P-V图,并用扫描俄歇微探针仪(SAM)研究了该摩擦副处于不同状态时表面氧化膜的结构,提出了钢表面氧化膜的结构层次模型,论证了钢的摩擦磨损特性与氧化膜结构之间的关系。     

橡皮薄膜缺口顶端场的大变形分析

分析了橡皮类薄膜缺口顶端的弹性场，借助于文［１］引入的本构关系得到了缺口顶端场的渐近方程．通过将缺日顶端场划分为收缩角区和扩张角区，得到了顶端场的解．该解表明，奇异特性与本构参数和缺口角度有关，这一结论得到了数值解的证实．     

多孔质铝阳极氧化膜的结构及其摩擦学性能研究

多也质铝阳极氧化膜具有质硬、耐磨和抗腐蚀等诸多优点，是目前广泛的工程材料之一，籽探讨这类的摩擦学性能与其结构摧在联系，利用透射电子显微镜以因硫酸和草酸是解液中生成的多孔质铝阳极氧化的结构进行了观察分析，产对其在干摩擦下的摩擦学性能作了考察，观察发现，在选定的制膜工艺条件下，分别于硫酸和草酸电解液中生成的铝阳极氧化膜具有多孔质结构，在阳极氧化膜的中有一层由致密的氧化物质组成的“障壁层”，摩擦试验结果     

桁架结构重分析的一种新方法

本文依据有限元的原理，建立了杆单元基本位移的计算方法，给出了在桁架结构拓扑优化重分析中的新方法，该方法将优化计算的结构设计变量与性态参数之间的关系以显式的形式表达出来，故在结构拓扑优化过程中，不需要再反复地用有限元方法对新产生的拓扑结构进行重分析，节省了大量的计算时间，同时，由于采用了相对基础结构的基本位移修正的方法，不仅减少计算的累积误差，也避免了由于可能出现的几何可变情况而使拓扑优化计算过程中     

相结构对氮化钛硼薄膜摩擦磨损性能的影响

采用直流非平衡磁控溅射系统在单晶硅片表面制备TiBxNy薄膜,采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱议测定TiBxNy薄膜的相结构和成分,采用销-盘式摩擦磨损试验机研究TiBxNy薄膜的滑动干摩擦磨损性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪表征薄膜的磨痕表面结构及其化学特征.研究表明:TiBxNy薄膜的相结构与N含量有关,在TiB0.65薄膜中加入N能够促使纳米晶TiN的形成;薄膜的摩擦系数和磨损率与其相结构有关,随着薄膜中TiN的体积分数增加,摩擦系数增大,磨损率降低;当薄膜中N含量约为37at.%时,TiN的体积分数和摩擦系数最高,磨损率最低;增加N含量促使h-BN相形成,且h-BN相的体积分数随N含量的增加而增大,h-BN相的形成降低了摩擦系数,增加了磨损率;在摩擦过程中磨屑发生氧化而生成钛的氧化物TiO、Ti2O3、TiO2以及少量硼(B)的氧化物.     

薄膜结构的几何非线性分析

使用动力松弛法对薄膜结构进行静载分析，并提出一种方法处理皱折单元以确保荷载分析的可靠性。薄膜结构如果在某膜单元的单向应力方向发生皱折，其单元本身仍然能够继续承受荷载，因此提出索松弛单元和膜皱折单元处理薄膜的索松弛和膜皱折问题。就索网结构和薄膜结构分类给出算例进行静载分析，算例表明本文的方法可以有效处理索松弛单元和膜皱折单元，确保荷载分析的准确性。     

薄膜横向振动的有限元分析

构造了一种3节点三角形膜单元,以适用于平面薄膜横向振动的有限元分析.在给出单元形函数的基础上,根据最小势能原理建立了薄膜自由振动方程,并推导了单元刚度矩阵和单元质量矩阵.研究结果表明,单元刚度矩阵和单元质量矩阵形式简单,且自由度少;通过两个典型算例,证明3节点三角形膜单元的计算结果非常接近理论解,同时可以达到很高的精度...     

用等离子体增强化学气相沉积技术制备类金刚石碳薄膜的摩擦磨损性能研究

利用射频-直流等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积类金刚石碳薄膜,采用激光拉曼光谱仪和原子力显微镜对薄膜的结构和表面形貌进行表征,采用纳米压痕仪测定薄膜的硬度,并用UMT型微摩擦磨损试验机考察了薄膜在不同试验条件下的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜表面光滑致密且硬度较高;在干摩擦条件下与GCr15钢球或Al2O3球配副时显示出良好的减摩抗磨性能,摩擦系数较低,耐磨寿命较长,而在水润滑条件下同Al2O3球配副时发生灾难性磨损.     

纳米弹性复合DLC薄膜的制备及其摩擦性能研究

利用磁过滤阴极真空弧沉积系统在硅片及以硅片为基底的2种弹性体材料表面沉积厚度为2.7 nm的DLC膜,采用原子力显微镜和拉曼光谱仪对薄膜的形貌及成分进行分析,用纳米力学测试系统测量薄膜的弹性模量和硬度,用UMT-2型多功能微摩擦磨损试验机考察其摩擦性能.结果表明,以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(187)为偶联剂的薄膜试样表面比以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)为偶联剂的薄膜试样表面更致密且粗糙度更低,薄膜的最上层为DLC膜.在硅表面沉积DLC薄膜可以显著降低其表面的摩擦系数(0.117～0.137),在低载荷条件下,含偶联剂及弹性体的DLC薄膜的摩擦系数低于硅表面沉积DLC的薄膜,且以187为偶联剂的薄膜试样的摩擦性能更佳;在高载荷条件下,硅表面沉积DLC的薄膜具有更优异的摩擦性能.     

磁控溅射制备BCN薄膜纳米力学和摩擦磨损行为的研究

利用直流磁控溅射技术制备三元BCN薄膜，通过改变N2／Ar流量比（0．0～0．3）得到不同含氮量的薄膜．采用X射线光电子能谱仪和傅立叶红外光谱仪分析薄膜的成分和结构，采用纳米压入仪分析薄膜的纳米力学性能和纳米摩擦磨损特性，分别采用连续刚度测量法和横向力测量法测试薄膜的硬度和划痕行为．结果表明：薄膜中氮含量随N2／Ar流量比增加而增大并趋于稳定；反应气体中的氮优先与硼结合生成B—N键，当N2／Ar流量比超过一定值后，部分氮与碳结合生成C=N键；薄膜的纳米硬度和弹性模量随薄膜中氮含量的增加而下降；BCN薄膜的划痕深度与薄膜的结构密切相关，而摩擦系数受薄膜结构的影响不明显；在相同载荷下薄膜的划痕深度随薄膜中氮含量增加而增大；对于同一试样，薄膜在未破裂之前摩擦系数基本保持在0．10左右，薄膜破裂后摩擦系数迅速增至0．46．     

表面力仪的改进及超薄膜流变特性的实验研究

在对原表面力仪进行较大改进的基础上 ,以 5 0 0 SN基础油和十六烷为研究对象 ,进行了超薄膜流变特性的实验研究 .结果表明 :在超薄膜润滑条件下 ,5 0 0 SN和十六烷均表现出明显的非牛顿剪切响应 ,即剪切稀释现象 ;摩擦力幅值随剪切速度的增大急剧上升到最大值 ,然后下降至某一固定值附近并产生波动 ;剪切挤压下的临界膜厚小于静态挤压的临界膜厚 ,剪切运动对吸附层有序结构产生破坏作用     

石墨氧化物分子沉积膜的制备及其摩擦学行为研究

采用分子沉积技术制备了石墨氧化物（GO）－聚二丙烯二甲铵（PDDA）多层超薄膜，用紫外和红外光谱对超薄膜的结构进行了分析，用原了力显微镜考察了薄膜的表面形貌及纳米摩擦学行为。结果表明：石墨氧化物分子沉积膜可以降低玻璃表面的摩擦系数；其摩擦系数随载荷增大而降低；该分子沉积薄膜良好的润滑性能归因于其较低的表面剪切强度。     

A New Methodology for Uniaxial Tensile Testing of Free-Standing Thin Films at High Strain-Rates

The investigation of strain-rate effects on the mechanical response and characteristics of thin free-standing films is crucial for the design and fabrication of more reliable MEMS devices. It is also of high interest from the scientific and materials engineering views. In this paper we present a novel apparatus and a procedure for tensile testing of thin free-standing films under a wide range of strain rates from quasistatic to high, almost comparable with those obtained in Hopkinson bar tests. To provide this capability, a unique displacement measurement method is applied and a micro device which meets several strict requirements is implemented. We describe recent results of quasistatic experiments performed on pure aluminum free-standing thin films. A high rate experiment which demonstrates the setup capabilities is also presented. The micro-device measured properties are compared with finite element analysis results.     

缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价,忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态,提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法,建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先,基于能量法和临界面理论,借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面,建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次,以临界面上特定路径为积分方向,将缺口件三维问题转化为线性问题,简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度,建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后,通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度,并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

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.     

结构分析的光塑性法

本文围绕光塑性的模型理论、模型材料和应力—光学规律等基本问题的研究工作进行论述,提出一个可供实际应用的结构分析的光塑性方法,并在实际中作了初步应用。     

微结构片外弯曲测试装置及试样设计

硅是微电子机械系统（简称微机电系统）中最常见的功能结构材料,可靠性是制约硅微构件小尺度加工和大规模制造的瓶颈问题．为研究硅微构件的力学特性,本文开发了一套以压电驱动、微力测量、位移检测为核心组件的片外测试系统．设计了一种将四个弯曲测试梁集于一体的微结构,借助有限元方法确定其尺寸,并用理论方法验证有限元分析的合理性．本文着重确保了四个关键设计目标：一、每根测试梁最大应力应位于其与外框架结合处;二、未断裂测试梁的最大应力受其他梁的断裂的影响应足够小;三、各个测试梁的最大应力的差别应足够小;四、支撑梁的最大应力应明显小于测试梁．最后测试了试样的弯曲强度,实验加载曲线和有限元分析基本吻合,表明测试装置和试样设计是合理的,为后续的硅微构件可靠性测试奠定了基础．     

离子束增强沉积和磁控溅射硫化钼薄膜的摩擦磨损性能研究

在离子束增强沉积的Ｓｉ３Ｎ４膜和ＴｉＮ膜的表面，分别利用离子增强沉积法和磁控溅射法制取了ＭｏＳｘ薄膜。在ＳＲＶ摩擦磨损试验机上，对几种薄膜试样与５２１００钢板样作了对比试验研究。结果表明，两种ＭｏＳｘ薄膜都具有良好的摩擦磨损性能。     

脂肪酸及表面修饰MoS_2纳米微粒LB膜在摩擦过程中结构变化的XPS研究

用 X射线光电子能谱 ( XPS)研究了玻璃基体上沉积脂肪酸及二烷基二硫代磷酸 ( DDP)修饰的 Mo S2 纳米微粒LB膜摩擦前后的结构变化 .结果表明 :二十酸 LB膜经一定次数摩擦后其结构发生明显变化 ,摩擦后 C— H链的比例降低 ,而极性基团的比例显著增加 ,这可归因于其在摩擦力作用下发生诸如转移及有序化转变等一系列摩擦化学变化 .表面修饰 Mo S2 纳米微粒 LB膜摩擦前后结构不发生明显变化 ,且经一定次数摩擦后其磨痕上仍可检测到Mo S2 ,说明正是由于无机纳米核的高承载作用而使其表现出比脂肪酸 LB膜更优异的抗磨性能 .     

两步法制备固体润滑FeS薄膜的摩擦磨损性能研究

通过两步法,即射频溅射Fe膜与低温离子渗硫复合处理工艺,在非黑色金属(单晶硅)表面得到了固体润滑FeS薄膜.利用X射线衍射仪研究了单质Fe膜与FeS薄膜的相结构,利用原子力显微镜和扫描电子显微镜观察分析了FeS薄膜的表面与擦伤磨损表面的形貌,用涂层划痕仪测量了FeS薄膜与基体的结合强度,用纳米压痕仪测定了FeS薄膜的纳米硬度及弹性模量,利用DD-92型摩擦磨损试验机评价了FeS薄膜的摩擦磨损性能.结果表明,两步法制备的FeS薄膜为金属Fe与固体润滑剂FeS共同组成的复合固体润滑薄膜,与其基体结合紧密,具有适当的表面硬度;FeS薄膜具有优异的减摩耐磨抗擦伤性能,摩擦系数与磨损量明显比45#钢原始表面的低,抗擦伤载荷明显提高.