聚合物PLL-g-PEG构象变化对宏观摩擦学性能的影响

通过将聚赖氨酸-聚乙二醇(PLL-g-PEG)加入至不同体积分数的HEPES-甘油混合溶液中来改变聚合物的构象,研究其构象变化对摩擦性能的影响. 利用晶体微量天平(QCM)定量表征了不良溶剂(甘油)的加入所导致聚合物刷构象发生的改变;摩擦试验结果表明在良性溶剂(HEPES)中聚合物刷高度水化作用对于摩擦磨损性能的改善起主导作用,而不良溶剂中起决定作用的是甘油的黏度效应;利用纳米级光干涉薄膜测量装置试验证实了表面修饰聚合物刷后的钢球-玻璃盘界面间的成膜特性既与聚合物刷的构象变化相关,也与流体动压效应相关,且随卷吸速度的改变二者对接触区内成膜的贡献会发生转变;对二者共同作用下的水基润滑机理进行了初步探讨,这对于拓宽水基润滑的应用具有较为重要的意义.      

聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究

利用表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ARTP)在钢球和玻璃盘摩擦副表面分别接枝亲水性聚合物刷-聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐(PSPMA),去离子水作为润滑剂,在球-盘式摩擦试验机和纳米级薄膜厚度测量装置上开展了其宏观摩擦学性能研究,探讨了流体动压效应介入下的聚合物刷水润滑机理. 利用光干涉技术观察了低卷吸速度下(4 mm/s)接触区域水膜分布情况,发现滚道两侧水膜的形状由初始状态的圆形随着时间逐渐沿着卷吸方向分布,证实了聚合物刷通过不断捕获周围的水分子形成了1层稳定的水膜;通过控制卷吸速度从1 mm/s连续增加512 mm/s实现了润滑状态的转变,低卷吸速度时处于薄膜润滑状态,膜厚不依赖于速度且稳定在35 nm左右,接触区内有效水膜的建立归功于聚合物刷的水合效应;当速度大于32 mm/s时处于弹流润滑状态,膜厚的测量值高于等黏弹膜厚公式的预测值(2~12 nm)和水合效应促成的膜厚值(约35 nm)之和,这意味着在流体动压润滑作用下聚合物刷表现出了优异的润滑增强作用, 是水合效应和流体动压效应协同作用的结果.      

金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能研究

在MM-200型摩擦磨损试验机上研究了金属氧化物填充聚四氟乙烯在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能.结果表明:在水润滑下各复合材料的摩擦系数都较在干摩擦下的有不同程度地降低,而磨损不同程度地加剧;水润滑下金属氧化物填充使PTFE的摩擦系数增大,填充Al2O3、ZnO及CdO等均使PTFE的磨损率大幅增大,这是因为填料容易吸水,导致填料与基体脱粘,使材料表面的机械强度降低,从而使磨损率大幅增大.     

炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学行为对比研究

对比考察了炭纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能，并探讨了其磨损机理。结果表明：在水润滑条件下，纤维增强PTFE复合材料的摩擦系数和磨损率均明显比干摩擦下的低，水起到了润滑和冷却作用；复合材料磨损表面可见明显的裸露纤维及纤维局部磨平，无明显微观裂纹，基体和纤维结合较好，磨损表面存在转移自偶件的铁，表现出犁削磨损特征；在干摩擦下，复合材料磨损表面存在大量的微观断裂裂纹，纤维发生断裂和破碎，表现出疲劳磨损特征。     

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究

水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.      

两类聚合物合金摩擦学特性的试验研究

采用聚合物共混技术研制了聚碳酸酯＋聚四氟乙烯，聚碳酸酯＋聚四氟乙烯＋聚苯硫醚这２类聚合物合金，并对它们的摩擦学特性进行了试验研究，用扫描电子显微镜对其磨屑和磨损表面作了观察，对聚合物合金的磨损机理进行了探讨。结果表明：随着聚四氟乙烯质量分数的增大，二元聚合物合金的摩擦因数的磨损质量损失都明显降低，当聚四氟乙烯的质量分数高于１５％后，其摩擦学性能趋于稳定；聚苯硫醚的质量分数增大对三元聚合物合金摩擦磨     

仿生人工软骨材料的摩擦磨损性能及润滑机理研究

采用原位复合法制备聚乙烯醇水凝胶(PVA-H),采用模板-滤取法制备多孔超高分手量聚乙烯(UHMWPE)材料,对比研究了这2种材料在相同条件下的摩擦磨损性能,通过改变试验转速和载荷获得Stribeck曲线,并对其润滑机理进行分析.结果表明:干摩擦条件下,多孔UHMWPE和PVA-H的摩擦系数和磨损量均较大;在水润滑和牛血清润滑条件下,二者的摩擦磨损性能均得以改善,且PVA-H具有更低的磨损量.Stribeck曲线分析表明:仿生UHMWPE具有的多孔结构使得在其一定的区域内可以形成混合润滑区域;PVA-H具有更好的亲水性能和多孔结构,对应的Stribeck曲线谷底较宽,能够形成较宽的混合润滑区域和流体润滑区域,从而降低了接触区域的磨损量.     

苯并噻唑衍生物在菜籽油中的摩擦学性能研究

利用四球摩擦磨损试验机考察了所合成的苯并噻唑衍生物添加剂在菜籽油中的摩擦学性能，并用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察分析了磨斑表面的形貌和元素化学状态。结果表明：苯并噻唑氨基甲酸衍生物添加剂可以显著改善菜籽油的减摩抗磨性能和承载能力；含上述添加剂的菜籽油在摩擦过程中发生了摩擦化学反应，生成了含菜籽油甘油酯、有机硫化物、硫酸亚铁等的边界润滑膜，从而改善了菜籽油的摩擦学性能。     

季铵盐聚离子液体作为水基润滑添加剂的摩擦学性能研究

合成了含季铵阳离子的聚离子液体PPM-Cl,采用阴离子交换得到三种具有不同烷基链长羧酸根阴离子的聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa.发现聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa能够提升水基润滑剂的黏度.将聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa作为润滑添加剂溶于去离子水得到一系列水基润滑剂,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机考察了水基润滑剂的摩擦磨损性能并与含有商业增黏剂APE30的水基润滑剂进行了比较.结果发现,聚离子液体PPM-Ba, PPM-Ha, PPM-Oa对水基润滑剂的增黏效果优于商业增黏剂APE30,聚离子液体PPM-Ba,PPM-Ha, PPM-Oa作为润滑添加剂均体现出优异的减摩抗磨性能.其中,阴离子链长较长的聚离子液体PPM-Oa能够明显提升水基润滑剂的抗腐蚀性能,同时使水基润滑剂具有优异的减摩抗磨性能.利用非接触表面光学三维轮廓仪和扫描电子显微镜分析摩擦副的磨斑区域的表面形貌,发现含聚离子液体的水基润滑剂在摩擦过程中能够减缓对摩擦副表面的腐蚀并抑制黏着磨损.利用X射线光电子能谱仪分析摩擦副磨斑区域的表面化学状态,发现...     

胆固醇类油溶性类离子液体润滑添加剂的制备及摩擦学性能研究

合成制备了两种胆固醇类季磷盐油溶性类离子液体,并将其分别作为聚α烯烃PAO-10的润滑添加剂,静置试验和热重分析结果表明两种油溶性类离子液体在PAO-10中具有良好的分散稳定性和热稳定性. 微动摩擦磨损测试结果表明两种类离子液体可显著改善基础油对钢/铝摩擦副的摩擦学性能. 扫描电子显微镜(SEM)结果表明空白PAO-10润滑摩擦副时磨损类型以黏着磨损为主,以添加两种离子液体的混合油样为润滑剂时磨斑直径显著降低,此时摩擦副间磨损类型以磨粒磨损和腐蚀磨损为主. X射线光电子能谱分析(XPS)与X射线能谱仪(EDS)表明类离子液体中的活性元素在摩擦过程中可与铝基体表面发生摩擦化学反应. 两种类离子液体的润滑机理归因于类离子液体与金属基体发生摩擦化学反应生成具有减摩抗磨作用的磷酸盐和硫酸盐等耐磨化合物.      

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.      

基于界面超分子主客体识别作用的仿生自修复水润滑研究

通过界面超分子主客体识别作用,成功地将端金刚烷基聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾分子组装到接枝环糊精分子的硅片表面;通过原子力显微镜,表面元素分析,膜厚变化,表面润湿特性等手段证实该聚合物的成功组装. 通过摩擦试验证实:表面组装端金刚烷基聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾分子后,在轻载条件下,具有极低的摩擦系数,呈现流体润滑状态;而在高载荷条件下,可能是由于表面组装的聚合物被部分剪切掉而呈现较高的摩擦系数. 更重要的是,基于这种超分子作用间的可逆的非共价相互作用,该表面可呈现一种自修复的润滑效果,即在部分端金刚烷基聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾分子被剪切掉后,在客体大分子稀溶液中自组装后可再次获得低摩擦系数状态。      

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.     

不同水介质润滑下GCr15钢的微动磨损特性

采用液压高精度材料试验机考察了平面-球面接触GCr15钢摩擦副在海水、酸性水和洁净水等3种不同水介质润滑下的微动磨损性能．用激光扫描显微镜(LSM)观察了磨痕表面形貌．结果表明：3种水介质对钢-钢摩擦副具有明显的润滑作用，其中酸性水的润滑作用最明显；磨损体积损失同介质的润滑作用和腐蚀作用相关，在洁净水和海水介质润滑下的磨损体积损失较小，在酸性水介质润滑下的磨损体积损失较大；在海水润滑下的GCr15钢磨损表面呈现明显的点蚀特征．     

计入油膜惯性作用椭圆接触弹流润滑性能研究

基于计入惯性项的Navier-Stokes方程和连续性方程,建立了计入油膜惯性作用的椭圆接触弹性流体润滑模型,研究了油膜惯性对椭圆接触弹流润滑性能的影响. 弹性变形通过快速傅里叶变换(FFT)计算,而油膜压力通过复合直接迭代法求解. 数值结果表明:在计入油膜惯性作用后,润滑膜的二次压力峰增大,入口区的油膜速度减小,且逆流区范围扩大;考虑油膜惯性作用后油膜厚度有所增大,当载荷从300 N增加到700 N时,中心膜厚最大增加了5.14%. 试验结果也表明,考虑油膜惯性作用后的中心膜厚数值解与试验结果更加接近.      

点接触弹塑性流体动力润滑研究

建立了点接触混合润滑模型,根据下表面应力分布迭代求解出下表层的塑性应变,将下表面塑性应变等效转化为本征应变,结合半无限体内本征应变对弹性场的应力扰动解法求解残余应力,表面塑性变形根据本征应变采用半解析方法求解.计算结果表明:本混合润滑模型在塑性计算模块、弹塑性流体动力润滑计算均表现出了很好的准确性以及高效性;本模型能够模拟真实机加工粗糙表面下弹塑性混合润滑问题;能够模拟由全膜润滑、混合润滑、边界润滑以及干接触全工况下的润滑情况,当滚动速度逐渐减小时,平均油膜厚度逐渐减小,接触区由全膜润滑转变为混合润滑,最终演变干接触.     

Bending of Soft Micropatterns in Elastohydrodynamic Lubrication Tribology

Background

Soft tribology is increasingly important in the design and engineering of materials used in robotics, haptics, and biomechanics studies. When patterned surfaces are part of a lubricated tribopair that undergoes sliding and compressive deformation, the patterns experience a bending strain that affects the lubrication film thickness and elastohydrodynamic friction. The contribution of bending patterns to soft tribology is not well understood because earlier studies focused on hard tribopairs with effectively flat surfaces.

Objective

We investigate and model the differences in lubricated friction for poly(dimethyl siloxane) (PDMS) elastomer and PEGDA/alginate double network hydrogel patterns in order to determine the effect of height-to-width aspect ratio and bending angle on the elastohydrodynamic friction.

Methods

Photoresists of two different viscosities are spin coated onto silicon substrates to fabricate molds with pattern heights ranging from 20 μm to 50 μm.

Results

Tribological characterization of the tribopairs in the elastohydrodynamic lubrication regime shows that the patterns generate a friction peak that is independent of aspect ratio for short patterns but displays a “power-law fit” decrease with increasing aspect ratio for taller patterns. Two independent models are used to estimate the theoretical bending and deflection angles for the tribopairs.

Conclusions

The decrease in lubricated friction is attributed to taller patterns having large bending angles and a reduced effective surface for fluid load bearing. Results suggest that the bending of micropatterns could be harnessed to engineer lubricated friction in a variety of applications.

     

薄膜润滑中的应力偶效应

利用应力偶理论计算了薄膜润滑的膜厚特性.计算结果表明:应力偶的作用相当于增加润滑剂粘度,其可以增加油膜厚度,提高承载能力;同时应力偶作用依赖于油膜尺寸,润滑油膜越低,其影响越明显.