人工关节材料的表面润滑设计与应用

人工关节的摩擦磨损问题仍然是基础研究中最重要的问题,借助表面改性技术改善假体的摩擦学性能是人工关节未来发展的必经之路。从润滑角度考虑,对假体关节材料摩擦性能的研究主要集中在表面功能化润滑结构设计以及新型仿生润滑剂研究两方面。针对功能化润滑结构,介绍表面织构设计以及聚合物刷的应用,分析表面织构参数对不同运动工况下摩擦副摩擦性能的影响,阐述表面织构的润滑机制;总结不同种类的聚合物刷结构对摩擦体系耐磨性能的调控,阐明"刷型"结构在摩擦界面的水润滑特点,提出环境介质对聚合物刷结构及性质的影响作用。针对关节润滑剂,介绍传统的关节滑液组分向聚合物仿生润滑剂的拓展。指出微/纳结构的嵌套设计与协同润滑以及润滑剂结构仿生与功能仿生的结合,将是未来的重要发展方向。     

PTFE基三层滑动轴承材料与不同材料配副时的摩擦学特性

PTFE基三层滑动轴承复合材料与不同材料组成的摩擦副有着不同的摩擦学特性,研究这些摩擦副的摩擦学特性,对于优化摩擦副配副材料具有重要的实用价值。研究PTFE基三层复合材料与钢铁材料、有色金属以及聚合物材料进行配副时的摩擦磨损性能,通过扫描电镜观察磨损表面的微观形貌,分析不同摩擦副的摩擦磨损机制,并给出摩擦副配副的优选结果。结果表明:PTFE基三层滑动轴承材料与钢铁材料以及聚合物材料配副时,其磨损机制为剥层磨损,摩擦学性能较好;而与有色金属配副时,其磨损机制为黏着磨损,摩擦学性能较差。     

水润滑硅基非氧化陶瓷摩擦学性能及其表面改性研究进展

综述了水润滑条件下硅基非氧化物陶瓷(Si3N4和SiC)摩擦学性能的研究状况,包括水润滑条件下其摩擦磨损特性以及其表面改性技术对其摩擦学性能的影响.硅基非氧化物陶瓷在水中显示出较低的摩擦因数以及良好的抗磨损能力;表面改性技术能有效地改善硅基非氧化陶瓷的水润滑摩擦磨损性能,离子注入技术是表面改性技术的一个重要发展趋势.     

改性纳米h-BN润滑油添加剂对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

在缸套-活塞环摩擦副中,当活塞在上、下止点处为零速,难以形成油膜,且在气缸的高温工况下,其他部位的油膜也会被破坏,从而造成缸套-活塞环的摩擦功耗增加和磨损加剧。采用优质润滑油是提高缸套-活塞环润滑与摩擦特性的重要手段。制备改性纳米六方氮化硼(h-BN)颗粒并将其按不同质量分数分散至聚α-烯烃（PAO10）基础油中,使用R-tec摩擦磨损试验机开展不同载荷下的往复摩擦试验,通过观测摩擦因数、磨损体积和缸套磨损表面、磨损元素及三维形貌参数,研究改性纳米h-BN添加剂对缸套材料摩擦学性能的影响以及减摩抗磨润滑机制。结果表明：加入改性纳米h-BN添加剂可以显著降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数,减少磨损量,加入质量分数0.25%的添加剂在50 N、3 Hz工况下可使摩擦因数降低33.87%,磨损体积降低23.32%;在载荷及摩擦热作用下纳米h-BN添加剂可以在磨损表面形成摩擦保护膜,可以改善缸套的表面粗糙度,创造优良的润滑环境,提升其摩擦学性能。     

不同含量盐水介质中丁腈橡胶水润滑轴承材料摩擦学特性分析

以水润滑轴承用丁腈橡胶(NBR)材料为研究对象,在CBZ-1摩擦磨损试验机上开展其在清水及不同盐分含量水介质中以及不同速度及载荷下的摩擦学试验,对比分析其摩擦因数、磨损量以及磨损表面形貌等摩擦学特性的变化规律。结果表明:盐水质量分数、速度和载荷对丁腈橡胶的摩擦学性能影响显著,其摩擦学特性的变化是盐水质量分数、载荷、速度以及丁腈橡胶的黏弹性等因素共同作用的结果;丁腈橡胶材料与锡青铜配副的摩擦因数随转速的升高而降低,随载荷的增加而降低;随着盐水质量分数的增加,摩擦副的摩擦因数和磨损量先增大而后均有所减小,这是因为盐水质量分数通过影响润滑介质的黏度来改变水润滑的效果,通过对铜盘的腐蚀作用来改变摩擦副的摩擦情况,从而在整体上影响摩擦因数和磨损量的变化。     

织构化表面设计及其摩擦学应用

织构化表面作为近年来涌现的表面摩擦学改性新技术,具有降低摩擦磨损的作用,在机械摩擦配副中得到了广泛的研究和应用。随着先进制造技术的发展,复杂、精细织构的加工制造成为了可能。与此同时,表面织构的摩擦学设计也由试验试错筛选阶段逐步走向理论优化阶段。概述了近年来表面织构化设计及其摩擦学应用的发展前沿和进展。介绍了凹形和凸形织构在加工、润滑方面的特点,以及凹形织构在不同工况下的润滑机理。探讨了近年来织构流体动压润滑和混合润滑模型的发展,并概述了织构典型规则形状的选择和不规则形状优化研究。归纳了针对不同材料和不同工况,圆形织构尺寸参数的选择和优化设计,总结了合理的参数范围。进而重点探讨了圆形织构排布影响,分析了几种典型的织构排布研究;同时概述了针对典型摩擦配副,如轴承,织构排布形式的选择和设计方法。最后,对织构化表面设计研究进行了总结,提出了表面织构设计面临的问题挑战,并对织构设计未来的发展方向进行了分析和展望。     

柴油机活塞环表面类金刚石薄膜在模拟工况下摩擦学性能

大缸径、长冲程的大功率柴油机的活塞环-缸套摩擦副易发生异常磨损,使柴油机动力性能丧失,甚至发生拉缸等重大事故,通过先进的表面处理技术可显著改善活塞环-缸套摩擦副的润滑条件,提高活塞环-缸套摩擦副的摩擦学性能。采用阴极电弧离子镀技术在铬-陶瓷复合镀(CKS)活塞环表面制备厚度为7 μm的DLC薄膜,研究CKS活塞环表面的DLC薄膜在柴油机模拟工况下的摩擦学性能。结果表明：在干摩擦、室温贫油和高温贫油的工况下,CKS活塞环表面的DLC薄膜可以显著减小活塞环-缸套摩擦副对摩的摩擦因数,降低缸套的磨损;摩擦过程中DLC薄膜与润滑油的协同润滑作用以及DLC薄膜的石墨化是改善活塞环-缸套摩擦副摩擦学性能的主要原因。     

改性尼龙水润滑轴承摩擦学性能试验研究

针对舰艇推进系统用水润滑轴承低噪声设计需求,研制改性尼龙（PA）的轴承材料及轴承样机,利用多功能摩擦磨损试验机对改性PA材料样品进行摩擦学性能试验,并与丁腈橡胶和赛龙SXL材料的摩擦学性能进行对比;在水润滑轴承试验台上开展PA轴承样机转速特性试验和载荷特性试验,获取不同比压和转速下摩擦因数和振动特性数据。研究结果表明：与丁腈橡胶和赛龙SXL材料相比,改性PA材料具有摩擦因数小、磨损率低的优点;低转速下,水润滑轴承摩擦因数随转速增大而减小,随比压增大而增大,转速增加至100 r/min后,摩擦因数变化趋势逐渐减缓;在工作转速范围内改性PA材料水润滑轴承无异常摩擦振动和噪声。研究结果为舰艇低噪声水润滑艉轴承设计提供参考。     

聚合物复合材料自润滑体系内外因素的摩擦学相互作用

从聚合物基复合材料在不同无润滑工况下的设计角度,讨论了高温、高压、高速、对偶、气体介质等外部因素对不同材料摩擦磨损性能的影响,分析了摩擦磨损机制,分析得出:由于填料、聚合物基体、对偶、工作介质之间存在着复杂的非线性相互作用,摩擦化学反应的程度与类型不同,不同填料填充聚合物基复合材料都有各自适用的摩擦系统,没有任何一种材料能适用于所有摩擦系统;指出目前摩擦学理论多建立在常温低压低速体系下,这与工程应用实际相脱节,对于复合材料在极端工况下的摩擦学机制、内外因素相互作用的研究,还有待进一步深入展开。     

钢铁材料表面锰磷化膜的耐磨性研究

研究了钢铁材料表面锰磷化膜的摩擦学特性及其影响因素，分析指出了磷化膜提高耐磨性的原因有：降低磷化件表面粗糙度，增加摩擦副润滑效果；防止承载状态下的摩擦副表面粘着等。试验结果表明，针对不同的摩擦副材料，综合控制锰磷化处理工艺，磷化件的表面状态及润滑条件，可有效地提高摩擦副的耐磨性。     

辐照对高分子材料基本性能及摩擦学特性影响的研究进展

随着空间高科技的发展,对高分子材料不断地提出更高的要求,除要求其具有良好的物理和力学性能外,还要求具有耐辐照性能。在总结了照对高分子材料基本性能及摩擦学牡性的影响的研究的同时,介绍了辐照分子材料摩磨损机理方面的初步结果。针对辐照高分子材料摩擦学研究现状,为深入研究辐照后高分子材料摩擦磨损性能变化的规律及高分子材料在辐照环境下的应用提供理论依据是很有意义的工作。     

类金刚石薄膜水润滑摩擦学特性研究进展

综述类金刚石薄膜水润滑摩擦学特性的研究进展,评述薄膜在水环境中的摩擦磨损特性,分析薄膜种类、元素掺杂、对摩材料以及微结构对DLC薄膜水润滑摩擦学特性的影响,并阐述DLC薄膜在水中的摩擦磨损机制。指出:DLC薄膜水润滑摩擦学特性受薄膜制备参数和摩擦试验环境影响,通过与微结构的耦合可以进一步改善类金刚石薄膜的摩擦学特性。同时还展望了类金刚石薄膜水润滑摩擦学未来研究方向。     

滑动干摩擦的热机理浅析

分析了在高速滑动干摩擦过程中热的产生和扩散机理、摩擦温度的测定与分析，讨论了摩擦热效应对配副材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在摩擦过程中，摩擦热的形成是显著的；由粗糙表面产生的摩擦热作用在粗糙表面进而影响粗糙表面的形貌；摩擦热是影响摩擦副摩擦性能变化的主要因素；在研制摩擦材料时应充分考虑配副材料的耐热性与散热性等物性，进行优化选材。     

不同润湿组合配流副的摩擦磨损试验研究

为调控配流副表面润湿性以提高摩擦学性能，采用低面能修饰法制备具有不同润湿性的上试样超级双相不锈钢SAF2507和下试样碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)组成配流副，利用MMD-5A标准摩擦磨损试验机测试并分析其在蒸馏水、海水、L-HM46抗磨液压油3种润滑条件下的摩擦磨损特性。结果表明：低面能修饰使配流副上试样与下试样由亲水表面转变为疏水表面，上下试样表面虽仍保持亲油性但其油接触角明显增大；同种配流副在油、海水、水介质中摩擦因数依次减小；在水、海水、油介质下双疏水表面配流副较双亲水表面配流副摩擦因数分别减小8.2%、38.2%、24.4%；同种配流副在水、海水、油介质中磨痕深度依次减小。配流副的摩擦主要以犁沟效应和黏着磨损为主，双低表面能组合配流副能有效减小摩擦过程中的黏着磨损，从而表现出较好的摩擦学性能。     

气氛环境下材料摩擦磨损行为研究进展

综述了国内外近年来气氛苛刻环境条件下材料摩擦磨损行为研究成果,总结了金属及合金材料、复合材料、陶瓷材料、涂层材料等在气氛环境下的摩擦学性能及磨损机制,阐述了气氛环境材料磨损机制分析方法,提出了研究中存在的问题和今后的研究方向.     

基于田口方法的PEEK/AISI 630在海水环境中的磨损敏感性试验研究

海水液压元件摩擦副材料的表面粗糙度、接触载荷、滑动速度等因素对其摩擦磨损性能具有重要影响,而各因素之间又存在着摩擦磨损交互作用。基于田口方法对PEEK/AISI 630摩擦副进行摩擦磨损试验设计,研究了摩擦副的表面粗糙度、接触载荷和滑动速度对其磨损交互性、敏感性的影响。采用极差分析确定3因素在PEEK/AISI 630摩擦学行为中的相互关系和影响主次顺序;利用方差分析得到3因素对摩擦系数、磨损率影响的显著程度和贡献率;最后,对试验数据进行回归分析,从而获得表面粗糙度、接触载荷、滑动速度分别与摩擦系数、体积磨损量之间的经验公式(又称回归方程),并对回归模型进行可靠性分析。     

Advances in tribology: the materials point of view

The application of advanced materials in various areas of contemporary technology can lead to improvements in the function, quality and performance of engineering components and systems. In this paper, an overview of the developments in high performance materials, both organic and inorganic based, is given. This includes thin hard coatings because of their increasing importance in tribological improvements. For these types of materials the requirements for tribo-engineering applications are analysed. Research results from BAM concerning ceramics and ceramic composites, polymers and polymer composites as well as hard coatings illustrate the friction and wear behaviour of these materials and their potential for tribo-engineering applications.     

改性碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能

采用双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(Si69)和乙烯基三乙氧基硅烷(A151)对PAN基碳纤维(CF)进行表面改性处理,利用SEM、FTIR、EDX对改性前后的CF进行表征,测量接触角和表面能、力学性能和界面性能;通过湿法成形技术,制备不同改性CF增强聚酰亚胺纸基摩擦材料,并测试其孔隙率和摩擦学性能。结果表明:与未改性CF相比,Si69和A151能够有效地增加CF表面粗糙度,且新基团的引入使接触角变小,提高了CF表面活性,改善了纤维与树脂之间的结合力,使得A151-CF表面能增加了37.3%,Si69-CF表面能增加了109.4%,A151-CF/聚酰亚胺复合材料界面性能增加了19.1%,Si69-CF/聚酰亚胺复合材料界面性能提高了45.3%;相比未改性CF,Si69改性CF使纸基摩擦材料孔隙率下降了20.2%,A151改性CF使纸基摩擦材料孔隙率下降了8.8%;表面改性CF能够提高纸基摩擦材料的摩擦学性能,其中Si69改性CF增强纸基摩擦材料摩擦学性能优于A151改性CF增强纸基摩擦材料。     

载流摩擦磨损研究进展

载流摩擦磨损是摩擦副在有电流通过时的接触行为。载流摩擦副在工作过程中受力、电、热等多种因素耦合作用,损伤机制复杂多变。综述载流摩擦中的摩擦磨损机制,重点分析服役工况对载流摩擦磨损性能和导电性能的影响,阐述电弧产生的原因及影响因素,并对载流摩擦中的温度场及其仿真模拟研究成果进行归纳,总结载流摩擦材料的应用现状。概括载流摩擦的研究现状及其存在的问题,并指出未来应加强接触副材料在多环境下、多因素耦合作用下的摩擦磨损行为和失效机制研究,并有针对性地研发新型复合材料,以满足具体的工作条件和特殊的性能要求。