火焰喷涂聚苯硫醚(PPS)复合涂层在水环境中的摩擦磨损性能研究

利用火焰喷涂技术在45#钢表面制备了炭纤维增强聚苯硫醚复合涂层并研究了其结构和力学性能,采用MM-200型摩擦磨损试验机对比考察了复合涂层同不锈钢对摩时在干摩擦与水环境中的摩擦磨损性能,并对涂层及偶件磨损表面形貌进行观察分析,采用X射线光电子能谱仪分析了偶件磨损表面典型元素的化学状态,探讨了涂层在水环境中的抗磨机理.结果表明:用火焰喷涂工艺制备聚苯硫醚复合涂层的过程中,聚苯硫醚粉末未发生明显降解与氧化;炭纤维含量影响复合涂层的粗糙度、显微硬度及与底材的结合强度;在水环境中炭纤维增强聚苯硫醚涂层表现出比聚苯硫醚涂层更优良的抗磨性能,这是由于水的冷却与冲刷作用使得复合涂层向偶件磨损表面的粘着转移明显减轻的缘故.     

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.     

ZrO_2/rGO多层复合薄膜的构筑及其摩擦学性能研究

将层层自组装(LBL)技术与原位还原过程相结合在单晶硅片表面成功构筑了与基底结合牢固、性能优异的氧化锆/还原氧化石墨烯(ZrO2/rGO)多层纳米复合薄膜.试验中,引入了具有强附着性和还原性的物质-多巴胺,使得氧化石墨烯(GO)片的表面锚固和原位还原可以一步完成.另外,ZrO2粒子的表面组装通过简单、温和的溶液沉积过程来实现.结果证明:复合薄膜中rGO和ZrO2的引入以及多层结构的构筑赋予复合薄膜许多优异的性能.在不进行热处理的情况下,所构筑的ZrO2/rGO多层薄膜表现出优异的力学性能(硬度:11.54 GPa)和摩擦学性能(摩擦系数:0.12~0.17),可作为减摩抗磨涂层被用于微/纳机电系统(MEMS/NEMS)的表面保护和其他领域.     

巴基管增强镍基自熔合金喷涂层在油润滑条件下的摩擦磨损特性

采用氧乙炔火焰喷涂法在45#钢表面制备巴基管增强镍基自熔合金复合喷涂层,并利用激光对所得喷涂层进行重熔处理,用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析复合涂层组织结构,在MHK-500型摩擦磨损试验机上测定了油润滑条件下涂层的摩擦学性能.结果表明:激光重熔巴基管增强镍基合金喷涂层均匀、致密且与基体结合牢固;巴基管可以显著提高镍基自熔合金涂层的硬度和在油润滑条件下的耐磨性能,当复合涂层中巴基管质量分数为0.5%时,其耐磨性最佳;巴基管对复合涂层的减摩效果不明显.     

Cr12MoV钢表面磁控溅射Ti/TiN涂层的摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射方法在Cr12MoV钢表面制备了厚度约为3 μm的Ti/TiN涂层,测定了涂层的显微硬度,并通过划痕试验和摩擦磨损试验考察了涂层同基体的结合强度及其摩擦磨损性能.结果表明:Ti/TiN涂层能够显著提高Cr12MoV钢的表面硬度和承载能力;涂层同Cr12MoV钢基体的结合强度较高,划痕临界载荷高于60 N;与此同时,磁控溅射Ti/TiN涂层可以显著改善Cr12MoV钢的耐磨性能.这是由于磁控溅射Ti/TiN涂层硬度高且与Cr12MoV钢基体的结合强度较高所致.     

MoS2-Zr复合涂层形貌、结构及摩擦磨损性能研究

采用中频磁控溅射和多弧离子镀相结合的工艺在硬质合金YT15刀片表面制备了MoS2-Zr复合涂层,考察了其形貌、结构和摩擦磨损性能,分析了复合涂层的减摩机理.结果表明,与纯MoS2涂层相比,MoS2-Zr复合涂层的硬度和与基体之间的结合力获得显著提高(纯MoS2涂层的硬度约为4.0 GPa,与基体之间的结合力约为49 N;MdS2-Zr复合涂层的硬度约为10.7 GPa,与基体之间的结合力约为55 N).与45#钢的对摩试验结果表明,MoS2-Zr复合涂层的摩擦系数和磨损率均小于纯MoS2涂层的摩擦系数和磨损率.MoS2-Zr复合涂层与对摩材料之间所形成的转移润滑膜是影响摩擦过程中的摩擦系数的关键因素之一.由于摩擦副间转移膜的存在,涂层和对摩材料的摩擦转变为涂层和转移膜之间的摩擦,从而降低了摩擦系数,提高了材料的耐磨损性能.     

两步法制备固体润滑FeS薄膜的摩擦磨损性能研究

通过两步法,即射频溅射Fe膜与低温离子渗硫复合处理工艺,在非黑色金属(单晶硅)表面得到了固体润滑FeS薄膜.利用X射线衍射仪研究了单质Fe膜与FeS薄膜的相结构,利用原子力显微镜和扫描电子显微镜观察分析了FeS薄膜的表面与擦伤磨损表面的形貌,用涂层划痕仪测量了FeS薄膜与基体的结合强度,用纳米压痕仪测定了FeS薄膜的纳米硬度及弹性模量,利用DD-92型摩擦磨损试验机评价了FeS薄膜的摩擦磨损性能.结果表明,两步法制备的FeS薄膜为金属Fe与固体润滑剂FeS共同组成的复合固体润滑薄膜,与其基体结合紧密,具有适当的表面硬度;FeS薄膜具有优异的减摩耐磨抗擦伤性能,摩擦系数与磨损量明显比45#钢原始表面的低,抗擦伤载荷明显提高.     

镍涂层对碳纳米管/镁复合材料界面结合强度影响的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了镍涂覆单壁碳纳米管(SWCNTs)增强镁基复合材料的力学行为.结果表明,镍涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量显著大于未涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量,在碳纳米管表面修饰的Ni涂层可有效传递碳纳米管和Mg基体之间的载荷.此外,还研究了Ni涂层数对SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的影响.对于不同Ni涂层数,即无Ni涂层、1层Ni涂层和2层Ni涂层,涂覆1层Ni和2层Ni的SWCNT从Mg基体中完全拔出后的界面结合强度分别约为无Ni涂层SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的3.9和11.9倍.     

石墨烯改性聚苯硫醚涂层的摩擦学行为

采用氧化-分散-还原法制备亲有机性的石墨烯,X射线衍射分析表明获得预期产物. 采用喷涂法制备了聚苯硫醚（PPS）/聚四氟蜡/石墨烯复合涂层,摩擦学性能测试结果表明复合涂层的摩擦系数低于纯PPS涂层,而抗磨寿命明显高于纯PPS涂层,石墨烯的最佳添加量为0.8 Phr（g/100g）. 纯PPS涂层的磨损形式为严重的黏着磨损,而复合涂层以磨粒磨损为主,当石墨烯含量较高时出现疲劳磨损. 纯PPS涂层的对偶环表面呈现厚而不连续的转移膜且存在较多垂直滑动方向的裂纹,而复合涂层的对偶环形成均匀坚韧的转移膜,转移膜的形貌与涂层的摩擦学性能相对应.     

NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2高温自润滑耐磨涂层的制备与摩擦磨损特性

采用加压氢气还原和固相合金化技术,以BaF2·CaF2共晶、Cr3C2颗粒为核心,制备了NiCr合金包覆的NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2复合粉末,采用大气等离子喷涂技术制备相应涂层.采用扫描电子显微镜、X射线衍射和SRV摩擦磨损试验机等分析测试技术,研究了涂层组成、结构以及从室温到500 ℃涂层的摩擦磨损性能.研究结果表明:研制的NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2复合涂层是一种性能优良的高温自润滑耐磨涂层,表面包覆的致密NiCr层抑制了喷涂过程中颗粒的氧化、脱碳和烧蚀,涂层的显微硬度和结合强度较高;涂层在室温下的摩擦系数为0.74±0.02,随温度升高摩擦系数逐渐降低,500 ℃时降低为0.38±0.03,涂层和对偶球Si3N4的磨损率与室温相比显著下降.摩擦机理研究发现,高温下BaF2·CaF2共晶软化,导致涂层剪切强度比室温时明显变低,在摩擦表面形成了连续的BaF2·CaF2润滑膜.     

碳纳米管增强镍基复合镀层的形貌及摩擦磨损行为研究

利用碳纳米管作为增强相制备了镍基复合镀层 ,并对其表面形貌和摩擦磨损性能进行了探讨 .结果表明 :碳纳米管均匀地嵌镶于基体中 ,且端头露出 ,覆盖于基体表面 ;镍基复合镀层具有优良的耐磨性和自润滑性 ,可以显著改善金属表面的耐磨和减摩性能 ;复合镀层优良的耐磨和减摩性能归因于碳纳米管的超强超韧特性和自润滑性能 ,碳纳米管以网络和缠绕形态分布于复合镀层基体中 ,使复合镀层在摩擦磨损过程中不易脱落拨出     

Numerical model for composite material with polymer matrix reinforced by carbon nanotubes

Due to the high stiffness and strength, as well as their ability to act as conductors, carbon nanotubes are under intense investigation as fillers in polymeric materials. The nature of the carbon nanotube/polymer bonding and the curvature of the carbon nanotubes within the polymer have arisen as particular factors in the efficacy of the carbon nanotubes to actually provide any enhanced stiffness or strength to the nanocomposite. Here the effects of carbon nanotube curvature and interface interaction with the matrix on the nanocomposite stiffness are investigated using nanomechanical analysis. In particular, the effects of poor bonding and thus poor shear lag load transfer to the carbon nanotubes are studied. In the case of poor bonding, carbon nanotubes waviness is shown to enhance the composite stiffness.     

含污染物油润滑条件下n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的摩擦学性能研究

采用电刷镀技术制备了n-Al2O3／Ni复合镀层，在T-11型球一盘式摩擦磨损试验机上对比考察了快速镍镀层及纳米复合刷镀层在含污染物油润滑条件下的摩擦学性能．结果表明，由于纳米颗粒的强化作用，n-Al2O3/Ni复合镀层的硬度及含污染物油润滑条件下的耐磨性比快速镍镀层分别提高了60％和30％，其磨损机理在低载下以磨粒磨损为主，在高载下以粘着磨损为主。     

Multi-Scale Experiments and Interfacial Mechanical Modeling of Carbon Nanotube Fiber

The multi-scale deformation and interfacial mechanical behavior of carbon nanotube fibers with multi-level structures are investigated by experimental and theoretical methods. Multi-scale experiments including uniaxial tensile testing, in situ Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy are conducted to measure the mechanical response of multi-level structures within the fiber under tension. A two-level interfacial mechanical model is then presented to analyze the interfacial bonding strength of mesoscopic bundles and microscopic nanotubes. The evolution characteristics of multi-scale deformation of the fiber are described based on experimental characterization and interfacial strength analysis. The strengthening mechanism of the fiber is further studied. Comprehensive analysis shows that the property of multi-level interfaces is a critical factor for the fiber strength and toughness. Finally, the method of improving the mechanical properties of fiber-based materials is discussed. The result can be used to guide multi-level interface engineering of carbon nanotube fibers and fiber-based composites to produce high performance materials.     

典型纳尺度结构的热振动

热振动是一定温度下纳尺度结构的固有运动,对其动力学行为有着重要的影响.当空间进入纳米尺度,结构呈现离散性,量子效应、边界效应、范德华力等变得不可忽略,纳尺度结构在热噪声随机激励下的动力学行为表现出众多异乎寻常的特性.以碳纳米管和石墨烯为代表的纳尺度碳材料具有优良的力学、电学和化学性质.在此介绍多种针对纳尺度结构热振动问题的研究方法、及碳纳米管和石墨烯的低温热振动、碳纳米管的非线性热振动研究进展.     

石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究

采用溶胶-凝胶技术制备石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜,用场发射扫描电镜(FESEM)对其表面形貌进行表征,用X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-vis)对其组成成分进行分析,利用高速往复式摩擦磨损试验仪考察石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜的表面摩擦学性能.试验表明:石墨烯存在于陶瓷膜表面及层间;陶瓷薄膜经过热处理后,石墨烯并未发生氧化.陶瓷薄膜具有良好的减摩特性,其摩擦系数可低于0.1;随石墨烯含量上升,摩擦系数呈降低趋势;同时其耐磨性良好,36 000次往复摩擦后,陶瓷薄膜保持其完整性.     

稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响

采用CSEM THT07-135高温摩擦试验机,研究了不同温度下碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为,重点考察了稀土改性对复合材料摩擦学性能的影响.结果表明;稀土改性处理可以提高复合材料在测试温度范围内的减摩耐磨性能.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纤维改性前后的形貌进行分析,发现稀土溶液对纤维表面具有一定的刻蚀作用,进而提高了其比表面积;通过XPS测试分析,发现改性后的碳纤维表面的O、N含量增加,从而提高了纤维表面的极性,最终提高了纤维与树脂间的界面结合强度和材料的耐磨性能.     

球形金属表面球磨制备石墨烯薄膜摩擦特性研究

采用球磨的方法实现了在钢球表面制备大面积连续的石墨烯薄膜,考察其随球磨时间变化,石墨烯薄膜在钢球表面的包裹程度、形貌变化、结构演变过程、结合性能及摩擦学性能. 研究表明:随着球磨时间的增加,石墨烯在钢球表面团聚减少,包裹更加均一,结构趋于有序;当球磨时间达到50 h时,在钢球表面形成分布均匀且大面积连续的石墨烯薄膜,使与含氢类金刚石碳薄膜组成配伍的平均摩擦系数从裸钢球的0.043降至0.022,磨痕深度和宽度都显著降低. 经胶带粘取100次或乙醇中超声清洗30 min后球磨制备石墨烯薄膜仍然粘附于钢球表面,在氩气环境下石墨烯薄膜表现出优于钢球的摩擦磨损性能.      

化学镀耐磨自润滑Ni-P复合镀层的摩擦磨损性能

利用化学复合镀技术制备了Ni-P-碳纳米管(Ni-P-CNTs)和Ni-P-无机类富勒烯WS2[Ni-P-(IF-WS2)]复合镀层,考察了复合镀层的减摩抗磨性能.结果表明,Ni-P-CNTs和Ni-P-(IF-WS2)复合镀层的减摩抗磨性能优于化学镀Ni-P和Ni-P-石墨镀层,其原因在于Ni-P-CNTs化学复合镀层中的碳纳米管具有优异力学性能和同轴石墨纳米管结构,而Ni-P-(IF-WS2)化学复合镀层中的IF-WS2具有封闭层状类富勒烯球形结构,二者均具有优异的自润滑性能.