PDMS材料特性和滑动速度对黏着态下摩擦峰的影响

黏弹性体接触界面由湿变干过程中,出现的摩擦系数高于干摩擦系数的状态,称为黏着态.最大摩擦系数为摩擦峰,摩擦峰相对于干摩擦系数的增长称为摩擦峰相对增长百分比(μ%).本文中利用原位观测摩擦试验台研究了氮化硅小球与PDMS (Polydimethylsiloxane)接触界面在润湿转变过程中摩擦学行为,并分析了弹性模量及滑动速度对μ%的影响.结果表明：对于较软的PDMS,摩擦峰的削减甚至消失伴随有接触界面分离波的出现,黏弹性体的材料特性将影响甚至决定摩擦峰的出现;当PDMS较硬时,接触界面间残余水膜对黏着态摩擦峰的影响起主导作用.μ%与弹性模量的1.45次方成正比.随着滑动速度的增加,μ%逐渐降低.研究结果对于利用弹性模量以及滑动速度实现对黏弹性体摩擦峰的调控提供了理论指导.     

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响

通过直线往复摩擦磨损试验机,采用氧化铝陶瓷球作为对摩副,分别在低载和高载下研究了潮湿空气中滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响.结果表明:磷酸盐激光玻璃表面的摩擦系数随速度的增加而降低,这种降低在低载下表现得更为明显.低速滑动下,玻璃上的磨屑主要聚集在磨痕的端部;高速滑动下,由于接触粗糙峰的局部温升引发黏着磨损,磨屑更容易粘附于磨痕的中心,且载荷越大界面局部温升越大,黏着磨损更为显著.随着速度的增加,磷酸盐玻璃的磨损深度和体积减小,这是由于速度的增加导致水分子在接触界面的驻留时间变短,且高速滑动带来的温升使界面吸附水膜更难形成,因此水参与的摩擦化学磨损被削弱.相对于高载而言,低载下滑动速度对材料去除的影响更为明显,这是由于低载磨损时相对较低的摩擦温升更有利于界面水膜的稳定形成,因而水参与的摩擦化学反应对材料去除的贡献更大.     

基于微凸体接触的心盘磨耗盘摩擦行为数值模拟研究

基于微凸体接触的粗糙表面摩擦模型以材料硬度、弹性模量、剪切模量、泊松比、表面粗糙度、微凸体高度分布概率函数和正压力等为输入参数,模拟摩擦副往复运动摩擦行为,可获得摩擦力-位移(F-δ)曲线、接触界面微凸体滑移情况.利用该模型模拟了心盘磨耗盘摩擦行为,结果表明:往复行程为2μm时,F-δ曲线为椭圆形,接触微凸体为部分滑移,往复行程大于2μm时,F-δ曲线由椭圆形逐渐变为矩形,接触微凸体由部分滑移逐渐变为完全滑移;材料表面粗糙度对摩擦系数及摩擦力的影响较小,但对接触表面的微凸体滑移特性有明显影响,粗糙度越大,引起接触微凸体完全滑移所需的位移越大,相同的位移下,发生滑移的微凸体越少.     

GM-3摩擦衬垫动态滑移过程中的摩擦机理研究

采用GM-3摩擦衬垫与高强度透明钢化玻璃为摩擦副,在Rtec摩擦磨损试验机上进行往复滑动摩擦试验,使用高速显微摄像仪(VW9000)对接触摩擦界面进行实时原位观测,并利用灰度法计算接触界面的实际接触面积,探究GM-3摩擦衬垫的磨损机理.结果表明:GM-3摩擦衬垫的摩擦系数与实际接触面积呈正相关关系;其初期磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损,后期为疲劳磨损和黏着磨损;初期磨粒磨损会导致摩擦系数增加;卷筒状磨屑生成过程中摩擦系数变大,随后细小的磨屑聚集尺寸变大,数量变少,摩擦系数趋于稳定.     

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究

在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响.结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响.在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数.质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.     

面接触条件下海藻酸钠的水基润滑

以海藻酸钠作为水基润滑添加剂,研究面接触条件下石英玻璃片摩擦副的摩擦学特性.采用红外光谱仪分析海藻酸钠的分子结构,采用3D表面轮廓仪测量试样的表面形貌,在微摩擦磨损试验机上测试不同摩擦副的摩擦系数.结果表明:面接触条件下,下试样表面粗糙度Ra值为0.555 nm时,上试样表面粗糙度大于下试样表面粗糙度时方可相对滑动,上试样表面粗糙度越大,摩擦系数越大.上下试样表面粗糙度合理搭配可保证海藻酸钠溶液能形成稳定的润滑膜,获得极低的摩擦系数.加入饱和氯化物破坏海藻酸钠水合分子层,摩擦系数急剧增大.海藻酸钠水基润滑层包括水分子层和海藻酸钠水合分子层,其中海藻酸钠水合分子层起主要作用.     

干燥气氛下速度对钠钙玻璃磨损性能的影响

以硼硅酸盐玻璃球为对摩副，在摩擦磨损试验机上研究了干燥气氛下滑动速度和载荷对钠钙玻璃表面磨损性能的影响规律与作用机理. 研究发现，随着滑动速度从0.25 mm/s逐渐增大到8 mm/s，钠钙玻璃在高载下(2 N)的稳态摩擦系数略微降低，当载荷降低为1 N时，速度对钠钙玻璃摩擦系数的影响并不明显. 随着滑动速度的增加，钠钙玻璃表面的磨损深度和磨损体积逐渐增加，钠钙玻璃在低载下(1 N)的磨损体积增大了21.5倍，而在高载下(2 N)的磨损体积增大了12.5倍. 低速时，钠钙玻璃接触界面温升较小，磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主，并伴有少量脆性剥落. 随着速度的增加，磨屑逐渐转移到对摩副pyrex球表面并参与到磨损过程，钠钙玻璃的磨损机理转变为黏着磨损和犁沟去除. 相对于高载而言，低载下滑动速度对钠钙玻璃材料去除的影响更为显著，这是由于随着速度的增加，低载下玻璃界面的温升增长率大于高载下.      

载荷和电压对纯铜滚动载流摩擦学性能的影响

基于FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机,研究了纯铜滚动载流摩擦副在不同载荷和外加电压下的性能变化规律,并利用扫描电子显微镜、白光干涉三维形貌仪等对摩擦表面进行微观分析,揭示了稳态运行时性能变化的机理.研究表明:增加载荷和增加电压均促进粗糙接触表面发生形变,真实接触面积的增加降低了接触电阻,摩擦区域粗糙度的改善提高了动态摩擦系数和动态电阻的稳定性.但电阻热促进材料黏着,因而同一载荷下载流摩擦系数高于单纯机械摩擦系数,且随外加电压的增加持续增加.     

配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈摩擦学特性的影响

UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶O型圈/316L不锈钢粗糙表面配副为研究对象,系统研究了配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶摩擦学行为的影响,重点探讨了不同表面粗糙度下摩擦系数和磨损体积的变化规律、揭示了不同表面粗糙度下橡胶表面的损伤机制.结果表明:表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈的摩擦磨损有重要影响;随着表面粗糙度的增加,稳定阶段的摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势.当表面粗糙度在Ra为0.1μm左右时,丁腈橡胶表现出较低的摩擦系数和材料磨耗,磨损表面呈现出典型的花纹磨损特征;而过高或过低的表面粗糙度下丁腈橡胶均表现出较高的摩擦系数和材料磨耗,其磨损机制以黏着磨损和疲劳磨损为主.     

微观加工形貌对三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的影响

齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关,针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式,采用三维线接触混合润滑分析模型,结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法,系统分析了高速到极低速工况下,界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响,以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律.研究表明:全膜润滑状态下,界面摩擦对疲劳寿命的影响较小,各类组合表面的摩擦系数基本一致,但各组合表面疲劳寿命差异较大,抛光组合表面的疲劳寿命最优;在混合润滑状态下,各类组合表面的摩擦系数变化差异明显,而相对疲劳寿命差异明显减小,其中,磨削组合表面摩擦系数较大,抛光组合表面摩擦系数最小;值得注意的是,研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数,不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.     

粗糙表面的弹塑性接触研究

建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型,考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段,数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变.分析了实际接触面积与法向载荷的关系,并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响.建立了结点增长模型,分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化.结果表明:随着法向载荷增大,实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著;椭圆参数越大,实际接触面积越小,选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力;结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大;表面剪切作用力使最大Mises应力值升高,疲劳裂纹的发生源向表面靠近;重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用，使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外，进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大；下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大；分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

皮肤往复摩擦条件下的损伤研究

选用成年健康活体兔皮肤替代残肢皮肤,在UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机上通过模拟残肢皮肤/接收腔界面间的黏着和中间过渡摩擦行为,对兔皮肤的摩擦系数、Ft-D曲线、能量损耗以及这两种摩擦行为所引起的兔皮肤摩擦损伤机理进行了研究.结果表明:在0.5或3.5 N法向力作用下,随着往复摩擦位移从±2.5 mm增加到±5 mm,兔皮肤的摩擦行为从黏着状态转变到中间过渡状态,往复摩擦过程中的能量损耗增加;由于中间过渡状态下的兔皮肤摩擦系数较高,能量损耗较大,因而造成的皮肤损伤程度比黏着状态严重;与人体手掌或脚掌皮肤相比,兔皮肤的角质层较薄,很难形成摩擦水泡.     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响

使用滚动载流摩擦试验机研究了水环境下转速对纯铜滚动载流摩擦性能和表面损伤的影响. 转速从30 r/min增至480 r/min,水下摩擦系数从1.06降低至0.49,且水下摩擦系数远高于干态摩擦系数;水下接触电阻从0.57 Ω升高至6.4 Ω,且水下接触电阻比干态下更高. 分析可能的机制如下:低转速时水主要表现出毛细作用,导致摩擦系数较高,材料表面发生明显的层片状剥落;高转速时水体现出部分润滑作用,摩擦系数降低,但“水压”作用导致材料表面发生疲劳剥落. 不同转速下疲劳损伤形式转变是摩擦系数降低和水压作用增强竞争的结果. 本文试验条件下表面损伤形式转变的临界转速在200~240 r/min之间. 载流摩擦表面发生了电化学氧化,但由于低转速表面剥落严重,导致表面O: Cu原子个数比较低,接触电阻较低.      

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

水分对核废料硼硅酸盐玻璃摩擦磨损性能的影响

使用环境可控的摩擦磨损试验机，以不锈钢球作为对摩副，探究了不同水分环境下(干燥、相对湿度RH20%、RH50%、RH70%和液态水) 核废料硼硅酸盐玻璃的磨损规律和机理. 研究发现:硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球的稳态摩擦系数、磨损量和次表面损伤随着环境湿度的增加逐渐减小，而在液态水环境中，玻璃界面的稳态摩擦系数、磨损量以及次表面损伤深度均远小于干燥和潮湿空气. 核废料硼硅酸盐玻璃在干燥环境下的磨损形式以黏着磨损和磨粒磨损为主；在潮湿和液态水环境下，玻璃的磨损行为由水分诱导的摩擦化学磨损主导. 玻璃表面吸附水分子诱导的摩擦化学作用和润滑作用，造成了玻璃在液态水环境中的磨损量和次表面损伤均远小于干燥和潮湿环境下.      

丁腈橡胶紫外线臭氧照射亲水改性及其水润滑性能研究

以丁腈橡胶为基底，采用紫外线-臭氧照射进行亲水/超亲水表面改性，通过接触角测量仪、光学显微镜对亲水改性表面的接触角、接触角滞后和微观形貌等特性进行表征，分析了表面亲水性的改性机理，并采用MFT-5000型摩擦磨损试验机测试了丁腈橡胶亲水表面的机械耐久性和保持性. 研究结果表明:采用紫外线臭氧照射丁腈橡胶10 min，就能得到完全润湿的超亲水表面，且在紫外线臭氧照射下，丁腈橡胶与臭氧发生反应生成氧化膜，使亲水改性后的丁腈橡胶，在干摩擦和水润滑状态下均表现出较小的摩擦系数和较好的耐磨性