小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触分析

基于粗糙表面的分形描述和适用于小Tabor数微突体的黏着弹性接触理论,采用积分方法建立了小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触模型,获得弹性接触条件下的真实接触面积和载荷表达式,在此基础上采用单因素分析法分析表面粗糙度和材料性质对分离力的影响.结果表明,当分形维数增加时,粗糙表面单位面积上的微突体数目增加且高度减小,从而导致两表面间的分离力增大;当分形粗糙度参数增大时微突体高度增加,从而导致分离力减小;当材料弹性模量增加时黏着作用减弱,从而减小了分离力,而表面黏着能的增加会使分离力急剧增大.     

车轮表面宏观形貌取向对高速轮轨水润滑黏着系数的影响

轮胎和沥青都属于低弹性模量材料,即使运动速度较低,流体动压导致的水膜也足以产生润滑作用. 对于列车轮轨这类高 弹性模量材料,只有当运行速度达到200 km/h 以上,水的润滑作用才体现出来,使轮轨黏着系数大幅降低,给高速列车运 行带来重大安全隐患. 增大表面粗糙度一般能够提高轮轨黏着系数,然而研究表明,在表面粗糙度基本相同的条件下,表面 形貌取向对混合润滑状态下的黏着系数有显著影响. 文中用统一雷诺方程模型,计算了在水润滑状态下,具有纵纹、横纹、菱形等特定形貌取向的车轮在高速运动时(最高500 km/h) 对黏着系数的影响,并将计算结果与平均流量模型计算的结果和已 有的实验结果进行了比较. 结果表明:各种形貌下,轮轨黏着系数都随速度的增大而减小,其中菱形的黏着系数大于横纹 的,而横纹的黏着系数又大于纵纹的,影响黏着系数的主要因素是固体接触压力与总压力之比. 在轮轨点接触椭 圆率$k<1$时, 接触区的侧流效应不可忽略,用平均流量模型计算会导致谬误.      

两种水基摩擦改性剂对轮轨黏着和损伤性能的影响

利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机研究了两种水基摩擦改性剂(分别记为FM1和FM2)的最佳涂敷量,分析了FM1和FM2在最佳涂敷量下对轮轨磨损和损伤的影响. 结果表明:FM1和FM2单次的最佳涂敷量分别为14和8 μl. FM1介质下轮轨试样的磨损率明显降低,仅为干态下的23%和41%;FM2介质下车轮试样的磨损率略高于干态下,钢轨试样的磨损率为干态下的64%. 干态和FM2介质下轮轨试样表面出现起皮、剥落及明显的疲劳裂纹,试样剖面出现多层裂纹、支裂纹和次表层裂纹;FM1介质下轮轨试样损伤轻微,试样表面出现轻微起皮和点蚀,试样剖面出现少量的单层微裂纹,FM1可有效减缓轮轨的磨损与损伤.      

第三介质作用下坡道对轮轨黏着特性影响

利用JD-1轮轨模拟试验机,通过设计坡道试验夹具实现了不同坡道接触条件的轮轨模拟试验,研究了第三介质条件下坡度对轮轨界面黏着特性的影响规律.结果表明:在干态、水介质和防冻液介质条件下,上下坡道工况的轮轨黏着系数均低于平直轨道工况;随坡道坡度的增加,黏着系数呈下降趋势且下坡道的黏着系数下降更为明显;与水介质相比较,轮轨界面存在防冻液时更容易引起低黏着现象;上坡道工况下,随速度和轴重的增加轮轨界面黏着系数呈略微下降的趋势.     

PDMS材料特性和滑动速度对黏着态下摩擦峰的影响

黏弹性体接触界面由湿变干过程中,出现的摩擦系数高于干摩擦系数的状态,称为黏着态.最大摩擦系数为摩擦峰,摩擦峰相对于干摩擦系数的增长称为摩擦峰相对增长百分比(μ%).本文中利用原位观测摩擦试验台研究了氮化硅小球与PDMS (Polydimethylsiloxane)接触界面在润湿转变过程中摩擦学行为,并分析了弹性模量及滑动速度对μ%的影响.结果表明：对于较软的PDMS,摩擦峰的削减甚至消失伴随有接触界面分离波的出现,黏弹性体的材料特性将影响甚至决定摩擦峰的出现;当PDMS较硬时,接触界面间残余水膜对黏着态摩擦峰的影响起主导作用.μ%与弹性模量的1.45次方成正比.随着滑动速度的增加,μ%逐渐降低.研究结果对于利用弹性模量以及滑动速度实现对黏弹性体摩擦峰的调控提供了理论指导.     

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.     

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

页岩黏土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响

考虑储层原始含水特征,甲烷在页岩的吸附特征属于气液固三相复杂作用结果,水分在很大程度上影响页岩吸附能力,将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原因之一.鉴于页岩水分主要分布于黏土等无机矿物孔隙内部,分析了甲烷-水膜-页岩黏土三相作用特征,结果表明:甲烷在干燥黏土表面吸附满足气固界面Langmuir吸附特征,在黏土水膜表面吸附满足气液界面Gibbs吸附特征,在气液固三相作用下满足"气固"与"气液"界面混合吸附特征;同时研究还发现:不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异,部分小孔隙可以被水分充满,而大孔隙仅吸附一定厚度水膜.因此,水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面:小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力;大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征(气固界面吸附转变为气液界面吸附),以黏土样品为例,两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%.从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理,将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础.     

界面润湿性和粗糙度对橡胶滑动摩擦行为的影响

当黏弹性体接触界面介于湿和干之间时,总是捕捉到1个高于干摩擦的润湿状态,称为黏着态.该状态下最大摩擦系数称为摩擦峰.本文中利用涂覆不同材料的载玻片探究了界面润湿性(θ)和粗糙度(Ra)对摩擦峰的影响.摩擦试验发现,干燥条件下,Ra相近时,PDMS半球与θ较小的表面,摩擦更大;θ相近时,与Ra较小的表面,摩擦更大.润湿转变试验中发现,黏着态下摩擦系数最大增长百分比(Δμ%)与滞后位移增长百分比(ΔS%)之间呈较好的线性关系.摩擦系数与滞后位移的增长与接触表面间残余液滴有关.试验发现：光滑载玻片表面的Ra相近时,θ较小的表面,摩擦峰较低;θ相近时,Ra较小的表面,摩擦峰较低.该结果表明,黏着态下接触区域内微液桥的数量和形状对摩擦峰具有重要影响.     

甲烷及其氟氯代物在TATB晶体表面吸附的模

采用Discover/MaterialStudio中的分子动力学方法(COMPASS力场、NVT)及结构优化方法,模拟了甲烷及其氟氯代物(共15种化合物)在TATB超胞的(001)、(100)及(010)晶面的吸附作用。结果表明:(1)TATB晶面与大多数分子相互作用的强弱次序为:(010)(100)(001),这可能与晶面结构差异及氢键的形成有关;(2)三种晶面上,吸附能最大(为负值)的都是CH4、CF4,表明如果氟聚合物中氢或氟的含量过高均可能导致聚合物与TATB相互作用减弱。     

风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究

为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度,本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃,利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性,通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题,并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法,分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内,同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘,且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃,放置角度越大,灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间,灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础,并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．     

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.      

粗糙表面的黏着试验研究

在微机械电子系统中,表面粗糙峰的几何特征、尺寸以及形状等对表面黏着以及摩擦特性有重要作用.为了研究粗糙度对黏着力的影响,首先用KOH溶液腐蚀硅片,得到8个粗糙度不同的样品.使用原子力显微镜(AFM)来测量样品的黏着力.分别使用两种探针来模拟不同的接触几何,第一种探针针尖为一个2μm左右的平台,另一种探针为尖探针.试验分别在干燥的手套箱内以及在空气中进行.在样品表面随机选取15个测量点,每个点测量50次,然后根据计算值,确定平面的平均黏着力以及标准差.并与Robinovich模型的计算结果作比较.结果显示:当粗糙度较小的时候,随着粗糙度增大,黏着力下降很快,这与Robinovich模型变化趋势较吻合;当粗糙度较大时,随着粗糙度增大黏着力略有增加,但不是很明显,与Robinovich模型相差较大.     

冲击载荷下蛋白质水溶液吸附成膜的润滑试验研究

利用球盘接触形式的光干涉膜厚测量试验机,研究了周期冲击载荷作用下蛋白质水溶液在材料表面的吸附膜生长特性.对比了溶液蛋白质组分、亲疏水对偶表面和冲击条件对球盘接触区蛋白质吸附膜厚的影响.结果显示动态冲击下蛋白质的吸附膜厚要远高于静态吸附,吸附膜不断在接触区生长,之后趋于稳定.金属钢球比陶瓷球、疏水盘表面比亲水盘面,均更有利于蛋白质吸附膜的生长.同时发现吸附膜厚与单一蛋白质的浓度关系不大,却和蛋白质种类关系很大,球蛋白比白蛋白具有更好的吸附成膜性能.     

Adhesion between elastic cylinders based on the double-Hertz model

A cohesive zone model for two-dimensional adhesive contact between elastic cylinders is developed by extending the double-Hertz model of Greenwood and Johnson (1998). In this model, the adhesive force within the cohesive zone is described by the difference between two Hertzian pressure distributions of different contact widths. Closed-form analytical solutions are obtained for the interfacial traction, deformation field and the equilibrium relation among applied load, contact half-width and the size of cohesive zone. Based on these results, a complete transition between the JKR and the Hertz type contact models is captured by defining a dimensionless transition parameter μ, which governs the range of applicability of different models. The proposed model and the corresponding analytical results can serve as an alternative cohesive zone solution to the two-dimensional adhesive cylindrical contact.     

线接触状态下激光加工微造型表面摩擦特性研究

为了研究表面形貌对线接触弹流状态下摩擦副摩擦特性的影响,采用激光微造型技术,通过控制微造型的形状、深度、间距和面积占有率等参数制造了两组表面高度算术平均值Sa分别相同的试件.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量,采用ISO25178参数及连通性系数Us对测量表面进行表征,最后在JPM-1型双盘摩擦磨损试验机上对试件进行富油摩擦试验,得到不同转速、不同载荷工况下的摩擦系数.结果表明:线接触状态下,微造型形状、方向及深度均会对表面的摩擦特性产生影响,顺向箭头微造型表面表现出了最优的摩擦特性;试件摩擦系数随着转速的增大呈线性增长趋势,随着载荷的增大而减小,减小的幅度随载荷的增大逐渐变得缓慢;表面形貌三维表征参数Ssk、Sku、Vvv、Vvc、Us与摩擦特性均有一定的关联性.     

流体润滑条件下BSA水溶液吸附膜的光干涉测量

利用面接触流体润滑光干涉测量装置,对BSA水溶液的润滑和吸附特性进行了试验研究.试验中润滑接触副由静止的钢块和旋转的玻璃盘组成,结果表明润滑膜厚度随速度的增加而增加,随载荷的增加而减小.BSA在钢滑块表面形成两种类型的吸附,一为连续的薄膜层,二为离散的蛋白质凝聚团簇.同时证实了钢块表面微观腐蚀的发生,并由入口区向出口区扩展,该腐蚀促进吸附膜的增长.吸附层的形成受润滑膜剪应变率和压力的影响,高的剪应变率和低的载荷有利于吸附膜的增长.     

粗糙表面法向接触刚度的分形模型

提出了以往有关粗糙表面法向接触刚度理论研究工作的缺陷与不足,并在一定的前提假设下,基于球体与平面的接触理论和粗糙表面的分形接触理论,从理论上给出了具有尺度独立性的粗糙表面法向接触刚度分形模型,并进行了数字仿真研究。     

Averaged Reynolds Equation for Flows between Rough Surfaces in Sliding Motion

The flow between rough surfaces in sliding motion with contacts between these surfaces, is analyzed through the volume averaging method. Assuming a Reynolds (lubrication) approximation at the roughness scale, an average flow model is obtained combining spatial and time average. Time average, which is often omitted in previous works, is specially discussed. It is shown that the effective transport coefficients, traditionally termed flow factors in the lubrication literature, that appear in the average equations can be obtained from the solution to two closure problems. This allows for the numerical determination of flow factors on firmer bases and sheds light on some arguments to the literature. Moreover, fluid flows through fractures form an important subset of problems embodied in the present analysis, for which macroscopisation is given.