薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展

介绍了近年来有机分子自组装薄膜(SAMs)、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)类金刚石薄膜(DLC)、液相法制备类金刚石薄膜、功能梯度薄膜以及绿色环保电化学沉积镀层的制备及其摩擦学研究进展,讨论了薄膜/涂层的制备方法和影响薄膜/涂层结构及其摩擦学性能的各种因素,评述了几种具代表性的薄膜/涂层摩擦磨损机理,分析并指出了SAMs、DLC、梯度薄膜和电镀镀层的摩擦学研究方向.     

基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.     

提琴声中的摩擦原理

介绍了提琴的音乐声中有关摩擦的学问,内容涉及琴弦振动中的亥姆霍 兹运动与提琴音质的关系,引发琴弦振动的摩擦粘滑现象、以及粘滑的发生机理等. 想要说 明在日常生活乃至音乐艺术中的许多现象背后都有着科学的规律,而对这些现象的科学研究 将会影响和改变我们的生活.     

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代...     

磁控溅射银层在载流润滑下的电摩擦学性能研究

采用直流磁控溅射法制备了银涂层，用XRD分析了银涂层的组织结构；制备了加入聚苯胺(PANI)作为导电润滑添加剂的聚苯胺润滑脂，利用载流摩擦磨损试验机(HFT-4000)评价了银涂层的摩擦和导电性能. 利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析评价了磨损表面. 结果表明:与商品导电润滑脂相比，聚苯胺润滑脂比商用导电润滑脂具有更好的润滑性能和低电阻，同时磁控溅射镀银层比电镀银层具有更好的摩擦学性能和导电性能，其原因归结为电流诱导的热效应和聚苯胺润滑脂在摩擦副表面的摩擦化学效应共同作用的结果.      

特征等离子喷涂参数对WC涂层结构和性能影响

采用等离子喷涂在不同的特征等离子喷涂参数(简称CPSP)条件下制备WC复合涂层,探讨了CPP对涂层显微结构、物相、力学性能和摩擦学性能的影响;采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了涂层的显微结构,通过球盘式摩擦试验机评价了涂层的摩擦磨损性能.结果表明:CPSP对粉末在熔化过程中热物理行为具有重要影响;随着CPSP降低,涂层显微结构、力学性能和摩擦磨损性能均得到了较大改善;试验证实了通过合理优化参数,等离子喷涂也可以制备出性能与超音速火焰喷涂(HVOF)相近的高质量WC涂层.     

Fe基非晶纳米晶电弧喷涂层的摩擦学性能

采用自动化高速电弧喷涂技术在AZ91镁合金基体上制备了FeCrBSiMnNbW非晶纳米晶涂层.研究了涂层材料在干摩擦条件下的摩擦学性能.采用配备有能谱分析仪（EDAX）的扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对涂层的微观组织结构进行了表征.采用显微硬度计和纳米压痕仪对涂层的力学性能进行了分析,摩擦磨损试验在UMT-2型摩擦磨损试验机上进行,并采用三维白光干涉表面形貌仪（Phase Shift MicroWAM-3D）测定磨损量.结果表明：涂层组织均匀、结构致密、氧化物含量低,涂层主要由非晶相和纳米晶相组成;涂层具有较高的硬度和弹性模量;在相同的试验条件下,非晶纳米晶合金涂层的相对耐磨性是传统3Cr13涂层的3倍;磨损机制主要为典型的脆性剥落.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

稀土对等离子喷涂镍—碳化钛陶瓷涂层摩擦学性能的影响

用销盘摩擦磨损试验机模拟齿面的相对滑动,经测定摩擦系数和上下试样的磨损体积损失、涂层的金相分析,磨痕形貌及成分的扫描微镜观察及分析,研究硅铁稀土混合物对高能等离子喷涂金属陶瓷涂层摩擦学特性的影响,试验结果表明：添加稀土使涂层致密性提高,摩擦系数有所降低,上下试样的磨损体积损失分别减小３３％和７４％,摩擦副表面温升降低,表明添加稀土有且于在涂层表面形成连续的氧化膜,从而防止胶合并提高耐磨性。     

偏压对高功率脉冲磁控溅射法沉积MoN涂层结构及性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)方法在9Cr18钢基材上制备了MoN涂层.系统研究了不同偏压对其结构、力学性能以及摩擦学性能的影响，并优化出耐磨性优异的MoN涂层.采用场发射扫描电镜分析涂层的表面和截面形貌，采用X-射线衍射仪分析涂层的晶相结构，采用纳米压痕仪测量涂层的硬度和弹性模量，采用摩擦磨损试验机(CSM)评价涂层的摩擦磨损性能.结果表明：随着偏压的增加，涂层由柱状晶体结构向致密无特征晶体结构转变，相结构以面心立方Mo₂N相为主. HiPIMS方法制备的MoN涂层均表现出较高的硬度(28 GPa以上)和较好的膜基结合力(60 N左右).摩擦学性能方面，在120 V偏压下沉积得到的涂层摩擦系数最低，为0.24；而在160 V偏压下沉积的涂层磨损率最低，为1.4×10^-8 mm³/(N·m).     

等离子喷涂Al2O3/TiO2陶瓷涂层在液态石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究

利用纳米和微米结构Al2O3/TiO2喂料制备出2种陶瓷涂层,考察了这2种涂层在液体石蜡润滑下与不锈钢球摩擦副的摩擦磨损性能,并探讨了2种涂层的磨损机理.结果表明:液态石蜡润滑能有效降低纳米Al2O3/TiO2涂层与不锈钢球摩擦副的摩擦系数和磨损率,但是对微米涂层的润滑效果不明显.纳米涂层的摩擦系数仪为微米涂层的1/3,而磨损率则降低了70倍以上.纳米涂层的磨损机制在低载荷下是轻微的黏着磨损,高载荷下则是摩擦抛光,而微米涂层的磨损机制是晶粒脆性断裂.     

超声马达梯度涂层摩擦材料研究

超声马达摩擦材料应同时具有良好的摩擦学特性和一定的接触变形要求,目前所用单一均质结构摩擦材料较难满足这一要求,需要研制新型摩擦材料.本文从摩擦学的减摩结构模型反推出一种增摩结构模型,针对超声马达对摩擦材料的要求,提出梯度涂层摩擦材料的设计思想,采用表面黏涂法研制了一种具有梯度结构的涂层摩擦材料.利用超声马达模拟试验装置考察了涂层厚度对超声马达性能的影响,初步验证了模型的正确性.在本文的试验条件下,当涂层材料表层厚度为1mm,底层厚度为0.7mm左右时,超声马达具有较好的性能.与其它种类的摩擦材料相比较,梯度涂层摩擦材料可以满足超声马达的使用要求,可望提升超声马达的性能,具有良好的发展前景.     

织构化表面NbSe2涂层的真空载流摩擦学行为

针对航天器滑动电接触部件特殊的真空载流服役要求,利用建立的真空载流摩擦试验平台,探索铜基材织构化表面喷涂NbSe₂涂层作为空间新型导电润滑材料的可能性. 研究条状和网状不同织构以及各自在不同织构密度条件下喷涂NbSe₂涂层的真空载流摩擦学性能和影响作用规律;对比现役电镀金涂层,探讨其在真空载流条件下摩擦学和电接触行为优势. 结果表明:网格状较条状织构表面喷涂NbSe₂涂层的载流摩擦学性能更好,而且随织构密度的增加,减摩耐磨性能得到提高. 织构间距为200 μm的网格状织构表面喷涂的NbSe₂涂层展现出最佳的真空载流摩擦学性能. 相较于现役的金电镀层,其在真空载流摩擦条件下展现出更加优异的摩擦学和电接触性能,摩擦系数由0.25降至0.05,接触电压与现役材料处于同一量级,电噪音波动明显改善,由0.09V降至0.04V.      

超声波电机用摩擦材料的研究进展

归纳并探讨超声波电机摩擦材料的基本要求与国内外研究进展.基于行波型超声波电机驱动特点及运行规律,从摩擦学、接触力学和材料学3个方面对超声波电机用摩擦材料的特殊要求进行探讨,初步得出超声波电机摩擦材料应具有优良的摩擦学、一定的接触变形和一定的结构特性3个方面的特殊要求.最后,针对超声波电机摩擦材料研究中存在的问题,提出一些超声波电机摩擦材料值得重视的研究方向,即建立更为完善的接触模型、研制针对多种环境下使用的多种系列摩擦材料、开发考察摩擦材料性能的专门试验设备与测试技术方法和寿命预测技术方法等.     

食管黏膜组织在轴向延伸下的摩擦特性研究

对食管黏膜组织沿轴向分别以不同的延伸率进行延伸,再通过往复摩擦试验近似模拟内镜前端进入食管的过程,研究了食管黏膜组织在不同轴向延伸率伸长下的摩擦性能变化.结果表明:从轴向无延伸到延伸率达到80%时,内镜前端与食管黏膜组织间的摩擦运行行为从食管黏膜组织只发生弹性变形的黏着状态变化到黏着和滑移的混合状态,摩擦阻力和能耗增大,摩擦系数增加.食管黏膜组织的摩擦学性能与其表面结构和力学性能密切相关.在沿轴向延伸率逐渐增加的延伸状态下,食管黏膜表面的皱褶被拉平,维持黏液润滑的特性变差;随着食管黏膜组织轴向延伸率的增加,黏膜组织的弹性模量增加,抵抗摩擦变形的能力增强,摩擦阻力增大.研究结果为临床胃镜诊疗的安全操作提供了理论依据.     

石墨烯/碳纳米管增强氧化铝陶瓷涂层的制备及摩擦学性能的研究

对碳纳米管进行混杂功能化处理,并与石墨烯,氧化铝按一定配比制成骨料,与胶黏剂混合充分,采用手工涂覆,低温固化的方法在304不锈钢表面制备复合陶瓷涂层.对混杂碳纳米管分子组成进行了表征;对涂层的微观结构,石墨烯和碳纳米管的分散性,涂层的显微硬度、断裂韧性、涂层与基体的结合强度及摩擦学性能进行了分析.结果表明:混杂处理的碳纳米管表面既接枝了活性基团同时也包覆了表面活性剂,复合涂层结构致密,石墨烯和混杂处理的碳纳米管均匀分散在涂层中,且复合涂层的硬度、断裂韧性、结合强度和耐磨减摩性能明显提高.     

P110油管钢表面镀Cu与镀Ni-P摩擦磨损性能的比较

在P110油管钢表面分别制备了Cu镀层和Ni-P镀层,采用SEM、EDS和STM等方法对比研究了P110油管钢基体、Cu镀层和Ni-P镀层的摩擦磨损性能,分析了磨痕形貌、磨损率和摩擦系数的异同,探讨了磨损机理.结果表明:Cu镀层和Ni-P镀层的耐磨性均明显优于P110油管钢基体,且Ni-P镀层的耐磨性优于Cu镀层;P110油管钢基体的磨痕呈磨坑形貌,磨损机理为剥层磨损和磨粒磨损;Cu镀层的磨痕表面附着Cu磨屑,磨屑受压发生塑形变形,磨损机理为疲劳磨损和黏着磨损;Ni-P镀层的磨痕呈细小的犁沟形貌,磨损机理为轻微磨粒磨损.     

挡板尺寸对电弧离子镀TiAlN涂层微观结构和摩擦学性能的影响

利用电弧离子镀技术,采用Ti50Al50合金靶,在304不锈钢基体上沉积TiAlN涂层.在Ti50Al5合金靶和基体挂架中间设置直径分别为80、100和120 mm圆形挡板,并与无挡板沉积的TiAlN涂层对比,采用SEM/EDS、XRD研究挡板尺寸对涂层微观结构、成分的影响,通过显微硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验研究挡板尺寸对TiAlN涂层力学性能及摩擦学性能的影响.结果表明：随着挡板尺寸增大,TiAlN涂层中Ti含量逐渐降低,Al含量逐渐升高,涂层表面熔滴数量显著减少,沉积速率降低.增大挡板尺寸后,涂层硬度下降,膜基结合力减小.添加挡板后TiAlN涂层表面凹坑缺陷增多,摩擦系数增大,与无挡板的TiAlN涂层相比,耐磨性显著提高.     

微载荷含油轴承摩擦性能研究Ⅰ.摩擦试验机设计

研制了1种针对径向轴承的微载荷摩擦试验机,介绍了其工作原理及结构,即利用外加载荷抵消浮动测试架重量以施加微小载荷,并利用激光位置传感器(PSD传感器)实现无接触位移测量;同时测量了摩擦副的转动角度并计算出摩擦系数;采用摩擦转角测量法和外加力矩平衡摩擦法测量微载荷下的摩擦性能,以测量时间末端位置作为位置基准,通过极限偏载平衡进行载荷标定.结果表明:微载荷摩擦试验机可应用于径向轴承在微小载荷下的摩擦力测量;可以通过在较大范围内设置结构参数来研究径向轴承的摩擦特性;并可利用数据采集技术研究速度和载荷连续变化条件下的摩擦性能.