封面图片说明——2010,33(1)

 抗热震陶瓷表面的纳米肋结构. 利用等离子刻蚀技术和酸腐蚀方法,在ZrB2-20\% SiCp-5\%AlN陶瓷表面制备出仿蜻蜓翼膜表面的超疏水纳米结构. 这种结构使在陶瓷的热震过程 中其表面能够自动地覆盖一层空气膜,增加了陶瓷表面热阻近万倍,极大地提高了陶瓷的抗热 震性能.     

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

表面纳米化吸能薄壁多胞结构的数值模拟与设计

采用局部表面纳米化技术和数值模拟方法,对金属薄壁多胞结构的吸能问题开展有限元数值分析和优化设计.结果 显示,局部表面纳米化布局可诱导结构的屈曲变形,并能大幅度提高结构的能量吸收.优化结果还发现,在多胞外壁呈交错矩形格状表面纳米化格局和内附加结构呈均布框架式矩形格状表面纳米化布局情况下,结构屈曲变形稳定且吸能效果最优.该研究为吸能结构的设计提供了依据.     

利用 AFM 机械刻蚀技术在OTS自组装单分子膜表面制备纳米图案及其力学性能研究

在羟基化Si(111)表面制备十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装单分子膜,利用AFM机械刻蚀技术,通过自编程序设计针尖走向,以金刚石针尖作为加工工具,在OTS自组装单分子膜的Si(111)表面刻蚀不同结构的纳米图案,通过预设针尖移动距离和扫描头Z向位移等参数控制纳米结构的大小和深度.结果表明:利用原子力显微镜(AFM)机械刻蚀技术在OTS自组装单分子膜的Si(111)表面加工出大小、深度可控的纳米图案,其中载荷与加工深度基本呈线性关系;所获得的纳米图案结构清晰,刻蚀试验的重复性较好;经过刻蚀后的图案化区域为裸露的SiO2/Si表面,与OTS覆盖区域相比其摩擦力和粘附力较大,其表面性质具有明显的可分辨性.     

堆焊熔敷层表面纳米晶层摩擦磨损性能研究

用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层.利用TEM、SEM分析技术研究表面纳米晶层微观结构,利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察在干摩擦条件下堆焊层表面纳米晶层的摩擦磨损性能.结果表明堆焊修复层表面经表面纳米化处理后,表面形成厚度约为10μm(晶粒尺寸小于100 nm)的纳米晶层,最表面层平均晶粒尺寸约为10 nm.纳米压痕试验表明纳米晶层的硬度提高,最表面纳米晶层的硬度约为原始堆焊层硬度的3倍.与原始堆焊试样相比,表面纳米化试样的摩擦系数降低了10%,磨损体积降低了25%~30%左右.表面纳米化样品的磨损机制由原始堆焊层的磨粒磨损和黏着磨损转变为磨粒磨损,分析表明晶粒细化导致的高硬度、低塑性是摩擦磨损性能改善和磨损机制改变的主要原因.     

具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.     

Cr/Ag纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在AISI 440C钢表面制备了不同调制周期的Cr/Ag纳米多层薄膜.通过X射线衍射仪（XRD）及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析表征了纳米多层薄膜的微观组织结构,通过划痕试验机与真空球-盘摩擦试验机分别测试了纳米多层薄膜膜-基结合强度及真空摩擦学性能,并与纯Ag薄膜及Cr/Ag双层薄膜进行了对比.结果表明：纳米多层结构可以显著提高Ag基固体润滑薄膜膜-基结合强度,Cr/Ag纳米多层薄膜在较高转速及载荷条件下表现出明显优于纯Ag及Cr/Ag双层薄膜的摩擦学性能.Cr薄膜层与钢基体表面良好结合以及纳米多层薄膜内良好的层间结合性能是纳米多层薄膜膜-基结合强度提高的主要原因.     

生物形态木质陶瓷的摩擦学性能研究

采用甘蔗渣浸渍环氧树脂后真空烧结制备生物形态木质陶瓷.研究了木质陶瓷的孔径分布及孔隙度,采用摩擦磨损试验机评价了木质陶瓷在干摩擦状态下的摩擦学性能,分析了木质陶瓷磨损后的表面形貌,简要讨论了木质陶瓷的磨损机理.研究表明：木质陶瓷的磨损机理主要以磨粒磨损和黏着磨损共同作用.木质陶瓷能够在磨损表面形成1层碳膜,具有良好的自润滑作用.甘蔗渣含量较高时,孔隙度较大,摩擦系数较大,磨损率较高,木质陶瓷的磨损主要表现为严重磨粒磨损,磨损表面无法形成碳膜.     

蛇纹石矿物作为润滑油添加剂对锡青铜摩擦学行为的影响

采用SRV滑动磨损试验机考察了蛇纹石天然矿物粉体作为添加剂对油润滑条件下与钢对磨时锡青铜摩擦磨损的影响. 借助扫描电镜、能谱仪、X射线光电子能谱仪、纳米压痕仪等对磨损表面形貌、元素组成与化学状态,以及纳米力学性能进行了分析,探讨了蛇纹石添加剂改善锡青铜摩擦学性能的作用机制. 结果表明:蛇纹石矿物在锡青铜表面形成了1层由金属氧化物、氧化物陶瓷、石墨和有机物构成的复合摩擦反应膜,其纳米硬度和弹性模量呈表面低、内部高的梯度变化,从而显著改善了油润滑条件下锡青铜的摩擦学性能.      

钢基铝镀层陶瓷氧化膜的摩擦磨损特性研究

对Q235钢表面铝镀层进行不同时间的微弧氧化处理从而在铝镀层表面获得不同厚度的陶瓷氧化膜.采用硬度测试仪、摩擦磨损试验机和扫描电子显微镜分别研究了氧化时间对陶瓷氧化膜厚度、表面硬度、摩擦磨损特性以及磨损试验后的磨痕形貌和微观结构的影响规律.结果表明:随微弧氧化时间的延长,铝镀层陶瓷氧化膜的厚度和硬度迅速增加,经微弧氧化处理30min后铝镀层的表面硬度较处理前增加了近7倍;在干摩擦条件下,铝镀层陶瓷氧化膜的磨痕宽度和磨损体积随微弧氧化时间的延长逐渐减小,而摩擦系数逐渐下降,表明耐磨性随微弧氧化时间的延长逐渐提高.铝镀层的磨损形式为表面压溃和锉削式磨粒磨损,处理时间为20min和30min的磨损形式为低应力擦伤性磨粒磨损,而处理10min的磨损形式介于上述二者之间.     

影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素

利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响，并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响．结果表明：对Si3N4针尖而言，表面净电荷对摩擦特性有一定的影响，不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同，正电荷影响相对较大；在较小载荷和粘附力的条件下，针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关；单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大，分子沉积膜的表面高度同摩擦力，即时测量值并不存在对应关系，摩擦力受表面形貌的影响较小．     

氧化铝/钼自润滑结构陶瓷表面三维复合润滑层的制备与摩擦学性能研究

应用先进的激光表面加工技术,在Al_2O_3/Mo层状自润滑结构陶瓷表面制备了微坑型织构.将织构图案作为固体润滑剂的贮存槽,通过在其中引入固体润滑剂形成三维复合润滑层.考察了复配润滑剂对织构化氧化铝/钼复合陶瓷在室温至800℃连续加热过程中的协同润滑作用,并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的润滑机理.结果表明:通过集成固体润滑剂优异的减摩抗磨性能和微织构特殊的结构特征,可使氧化铝/钼复合陶瓷在室温、中温区域的摩擦学性能得到显著改善,实现了材料在较宽温度范围内的连续润滑.复合Graphite/BaSO_4/CaF_2-BaF_2的表面在室温至800℃温度范围内的摩擦系数均保持在0.45以下.     

纳米复相陶瓷及其摩擦学研究进展

介绍了纳米复相陶瓷的结构和分类、制备方法和力学性能以及纳米复相陶瓷的强韧化机理,评述了纳米复相陶瓷的摩擦学研究进展,分析了影响纳米复相陶瓷摩擦磨损性能的主要因素,指出当前纳米复相陶瓷摩擦学研究领域存在的问题及有待于研究的课题.     

模拟正常刹车条件下C／C复合材料的摩擦表面结构分析

采用MM-1000型摩擦磨损试验机评价粗糙层基体炭C/C复合材料在模拟正常刹车条件下的摩擦磨损性能,借助扫描电子显微镜、微区拉曼光谱仪和红外光谱仪分别研究复合材料摩擦表面的形貌、微区石墨化度及其结构,并通过热失重曲线比较摩擦前后复合材料表面在惰性气氛中的升温失重.结果表明:在模拟正常刹车试验时,C/C复合材料的摩擦系数为0.32,线性磨损量和磨损质量损失分别为0.48 μm和2.12 mg;刹车试验后,摩擦表面由纳米级粒子聚集并压制而成,且摩擦表面炭微晶结构发生变化;在暗灰色的摩擦膜区域,炭微晶的R值从摩擦前的0.207升至1.03,而在白色区域,因炭微晶的接触压力提高而发生应力石墨化,R值降至0.084;摩擦表面能够吸附更多水分,即使在惰性气氛下也比未摩擦表面的升温失重大.     

等离子体电解沉积的研究现状

等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术．本文详细介绍了等离子体电解沉积的机理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用．其基本原理是：当两极之间的电势差达到一定程度时，电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度，可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质，使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、化学反应，从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层．在结构材料的应用方面，可以利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能．选择含有钙、磷元素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理，可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合．选择适当的电解液，可以制备BaTiO3、SrTiO3、NaTaO3、SrZrO3等钙钛矿结构电子薄膜．利用有机溶液高电压电解，可以制备类金刚石(DLC)薄膜、氮化碳等高性能的材料．文中对PED涂层的残余应力、涂层与基体的结合力、界面断裂韧性、微观缺陷对宏观性能的影响等力学问题进行了讨论．等离子体电解沉积在轻金属特别是铝合金表面制备陶瓷层已经取得了成功，在钢铁材料的表面处理、DLC薄膜和氮化碳的制备等方面有一些初步进展，在生物活性陶瓷薄膜和电子薄膜方面也有应用前景．     

聚多巴胺辅助两性离子聚合物界面组装制备水润滑纳米涂层

亲水和低摩擦表面涂层在生物植入体及医疗器械方面有着很广泛的应用,为发展简单、通用的涂层制备方法,本文作者采用聚多巴胺辅助共沉积技术,将壳聚糖基两性离子共聚物组装到材料表面,制备了超亲水、低摩擦和抗污染水润滑纳米涂层,考察了聚合物浓度对共沉积复合涂层的厚度、亲水性和润滑性的影响. 结果表明:随着聚合物浓度的增大,涂层厚度略有下降;该涂层在纯水及不同生物介质中表现出优异的润滑性能(摩擦系数μ为0.015)和抗污染性能. 该方法适用于多种惰性材料表面(金属、陶瓷和聚合物等),有望用于生物植入体、医用导管等表面制备多功能水润滑纳米涂层.      

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 .     

压电纳米板中SH型导波的传播特性

压电纳米材料具有机电耦合性强、功耗低和反应灵敏等独特性能,且能满足工程对压电器件微型化的要求,从而在传感、微纳米机电系统和柔性电子器件等领域展现出了广阔的应用前景. 高比表面积引起的表面效应是压电纳米材料最重要的结构特征之一,其对材料的整体力学性质起着决定性的作用.表面效应会导致应力和电位移在压电表面的两侧出现间跃,故传统的力电场连续性条件将不再适用.考虑表面为不计厚度却拥有独立材料参数的薄层,采用表面压电模型计及表面弹性、表面压电性、表面介电性和表面密度的影响,本文研究了压电纳米板中SH型导波的传播特性,给出了板边界处的非典型力电平衡条件,得到了频散方程的解析表达,并结合数值算例详细讨论了表面材料参数和结构尺寸对对称和反对称频散模态的影响.结果表明:SH型导波在压电纳米板中的传播具有明显的尺寸相关性,即当板厚很小时,表面效应会显著改变其频散行为,而随着板厚的增大,表面效应的影响会不断减弱直至可忽略不计.      

NiAl-Cr(Mo)-Cr_xS_y自润滑复合材料的摩擦磨损特性

采用滑动磨损试验方法测试了NiAl-Cr(Mo)-CrxSy自润滑复合材料与SiC陶瓷配副在110～960℃的摩擦磨损特性.结果表明:200～400℃,纳米CrxSy晶粒在复合材料摩擦表面形成较完整的润滑膜,产生自润滑性能;700～900℃,复合材料摩擦表面生成了1～3μm厚、完整的玻璃陶瓷润滑膜,产生了自润滑耐磨性能.2种润滑膜材料均可向SiC表面转移,消除了复合材料/SiC的摩擦状态.随着温度的升高,2种润滑膜材料的强度降低,SiC微凸体压入润滑膜,导致润滑膜的剥落加剧,复合材料的摩擦系数与磨损率升高.     

十八烯反应膜的制备及其微观摩擦学性能研究

通过紫外激发在氢终止的单晶硅表面制得了十八烯的反应膜 ,并采用接触角测定仪、红外光谱仪、椭圆偏光仪及原子力显微镜等表征了薄膜的结构和摩擦学特性 .结果表明 ,在紫外光照射下 ,十八烯在硅表面通过键合生成有序反应膜 ,从而降低硅表面的粘着能和减小摩擦