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doi: 10.16078/j.tribology.2021100
摘要:
采用超声分散法制备出纳米氮化铝/聚四氟乙烯(AlN/PTFE)复合材料. 使用线性往复摩擦磨损试验机在大气和干燥氩气中对比测试了该复合材料摩擦学性能. 结果表明：大气环境下，纳米氮化铝质量分数为5%时可以将聚四氟乙烯磨损率降低4个数量级[1×10−7 mm3/(N·m)]. 而在同样摩擦测试条件的干燥氩气环境中，使用纳米氮化铝只能将聚四氟乙烯磨损率降低2个数量级[1×10−5 mm3/(N·m)]. 利用三维轮廓仪、扫描电镜、红外光谱仪和光电子能谱仪对金属对偶表面形成转移膜的形貌和化学成分进行分析. 研究发现：大气环境的摩擦过程中，聚四氟乙烯与环境水氧发生摩擦化学反应生成了富含羧酸盐的转移膜，显著提高了复合材料耐磨性能；干燥氩气中，水氧的缺失使复合材料无法在摩擦中生成富含羧酸盐的转移膜，影响材料耐磨性能的进一步提高.
采用超声分散法制备出纳米氮化铝/聚四氟乙烯(AlN/PTFE)复合材料. 使用线性往复摩擦磨损试验机在大气和干燥氩气中对比测试了该复合材料摩擦学性能. 结果表明：大气环境下，纳米氮化铝质量分数为5%时可以将聚四氟乙烯磨损率降低4个数量级[1×10−7 mm3/(N·m)]. 而在同样摩擦测试条件的干燥氩气环境中，使用纳米氮化铝只能将聚四氟乙烯磨损率降低2个数量级[1×10−5 mm3/(N·m)]. 利用三维轮廓仪、扫描电镜、红外光谱仪和光电子能谱仪对金属对偶表面形成转移膜的形貌和化学成分进行分析. 研究发现：大气环境的摩擦过程中，聚四氟乙烯与环境水氧发生摩擦化学反应生成了富含羧酸盐的转移膜，显著提高了复合材料耐磨性能；干燥氩气中，水氧的缺失使复合材料无法在摩擦中生成富含羧酸盐的转移膜，影响材料耐磨性能的进一步提高.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021029
摘要:
a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能，使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景，而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层，对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明：增大C2H2/Ar流量比，涂层的生长率及H含量逐渐增大，但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化，a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C2H2/Ar流量比的增大而逐渐减小，但结合强度却先增大后降低. 当C2H2/Ar流量比低于4:3时，涂层表现出良好的减摩耐磨性能，当C2H2/Ar流量比高于4:3时，涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言，a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C2H2/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化，使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C2H2/Ar流量比为1:1时，a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10-8 mm3/(N·m)]，表现出最佳的力学及摩擦学性能，这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.
a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能，使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景，而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层，对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明：增大C2H2/Ar流量比，涂层的生长率及H含量逐渐增大，但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化，a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C2H2/Ar流量比的增大而逐渐减小，但结合强度却先增大后降低. 当C2H2/Ar流量比低于4:3时，涂层表现出良好的减摩耐磨性能，当C2H2/Ar流量比高于4:3时，涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言，a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C2H2/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化，使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C2H2/Ar流量比为1:1时，a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10-8 mm3/(N·m)]，表现出最佳的力学及摩擦学性能，这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021007
摘要:
为了使气浮支承的承载力动态可调，设计了一种可变节流高度气浮支承. 通过建立气浮支承计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型，利用CFD动网格技术来模拟小孔节流器的运动，研究小孔节流器的结构参数、运动参数及气浮支承的工作参数对可变节流高度气浮支承动态性能的影响. 结果表明：通过调节小孔节流器的节流高度可以明显改变气浮支承的承载力；在只考虑单一变量的前提下，气浮支承承载力的波动量随着小孔节流器的运动幅值、运动频率、节流高度、直径和气浮支承供气压强的增加而增加，但随着气膜厚度的增大而减小；当小孔节流器直径较小时，随着小孔节流器运动频率的增加，气浮支承动刚度的增幅很小，但当小孔节流器直径增大时，随着小孔节流器运动频率的增加，气浮支承动刚度的增幅会明显变大.
为了使气浮支承的承载力动态可调，设计了一种可变节流高度气浮支承. 通过建立气浮支承计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型，利用CFD动网格技术来模拟小孔节流器的运动，研究小孔节流器的结构参数、运动参数及气浮支承的工作参数对可变节流高度气浮支承动态性能的影响. 结果表明：通过调节小孔节流器的节流高度可以明显改变气浮支承的承载力；在只考虑单一变量的前提下，气浮支承承载力的波动量随着小孔节流器的运动幅值、运动频率、节流高度、直径和气浮支承供气压强的增加而增加，但随着气膜厚度的增大而减小；当小孔节流器直径较小时，随着小孔节流器运动频率的增加，气浮支承动刚度的增幅很小，但当小孔节流器直径增大时，随着小孔节流器运动频率的增加，气浮支承动刚度的增幅会明显变大.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021045
摘要:
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.
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.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021139
摘要:
采用分子动力学模拟研究了接枝改性氧化石墨烯对聚四氟乙烯(PTFE)的增强作用与摩擦学性能的影响，首先选用KH550、KH560和KH570三种硅烷偶联剂接枝氧化石墨烯(GO)，在填入纯聚四氟乙烯后计算其机械性能与摩擦性能. 对比得出KH560的增强效果最好，杨氏模量和剪切模量分别提高了205%和116%，摩擦系数提高了39.6%. 然后选用聚酰亚胺(PI)接枝氧化石墨烯，对比了接枝改性与物理共混两种方式对增强效果的影响，结果表明接枝改性的增强效果优于物理共混. 最后通过分析界面间相互作用力、结合能、原子相对浓度和原子运动速度等方式揭示了接枝氧化石墨烯对聚四氟乙烯基体的增强机理.
采用分子动力学模拟研究了接枝改性氧化石墨烯对聚四氟乙烯(PTFE)的增强作用与摩擦学性能的影响，首先选用KH550、KH560和KH570三种硅烷偶联剂接枝氧化石墨烯(GO)，在填入纯聚四氟乙烯后计算其机械性能与摩擦性能. 对比得出KH560的增强效果最好，杨氏模量和剪切模量分别提高了205%和116%，摩擦系数提高了39.6%. 然后选用聚酰亚胺(PI)接枝氧化石墨烯，对比了接枝改性与物理共混两种方式对增强效果的影响，结果表明接枝改性的增强效果优于物理共混. 最后通过分析界面间相互作用力、结合能、原子相对浓度和原子运动速度等方式揭示了接枝氧化石墨烯对聚四氟乙烯基体的增强机理.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021022
摘要:
合成了不含卤素的磺酸醇胺离子液体(S-IL)，并将其作为水基润滑添加剂进行研究. 与商用的水基润滑添加剂聚合蓖麻油酸酯(L4)进行对比，共同考察了他们在不同金属摩擦对偶上的摩擦学性能. 通过对磨斑表面的XPS测试探究了S-IL分别在钢/钢、钢/铜、钢/铝、钢/钛和钢/镁摩擦副上的润滑机理. 结果表明：所合成的磺酸醇胺离子液体在水体系中具有良好的溶解性，同时表现出一定的抗腐蚀性能. 相比于商用水基添加剂，S-IL具有优异的减摩作用和极压性能，这主要归因于离子液体分子结构中极性基团(-COO-)在金属摩擦副表面的物理/化学吸附，以及其分子结构中含有的活性元素S和N元素与金属摩擦副基底发生摩擦化学反应所形成的摩擦化学反应膜.
合成了不含卤素的磺酸醇胺离子液体(S-IL)，并将其作为水基润滑添加剂进行研究. 与商用的水基润滑添加剂聚合蓖麻油酸酯(L4)进行对比，共同考察了他们在不同金属摩擦对偶上的摩擦学性能. 通过对磨斑表面的XPS测试探究了S-IL分别在钢/钢、钢/铜、钢/铝、钢/钛和钢/镁摩擦副上的润滑机理. 结果表明：所合成的磺酸醇胺离子液体在水体系中具有良好的溶解性，同时表现出一定的抗腐蚀性能. 相比于商用水基添加剂，S-IL具有优异的减摩作用和极压性能，这主要归因于离子液体分子结构中极性基团(-COO-)在金属摩擦副表面的物理/化学吸附，以及其分子结构中含有的活性元素S和N元素与金属摩擦副基底发生摩擦化学反应所形成的摩擦化学反应膜.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021035
摘要:
正畸矫治过程中，正畸弓丝与托槽间的相对滑动趋势将产生摩擦力，进而降低有效矫治力，影响矫治的性能和效率. 针对目前正畸摩擦力预测方法量化预测精度低的问题，依据正畸弓丝与托槽间的几何关系、力学关系及物理参数，提出一种基于分力叠加原理的计及接触角度的正畸摩擦力预测模型建立方法. 探究影响正畸摩擦力的主要因素以及变化规律，提出采用有限滑动法测量正畸摩擦力，搭建了基于六维力传感器的正畸摩擦力测量系统，进行了不同弓丝-托槽组合和不同接触角度的摩擦力测量，试验数据与预测模型的理论数据间误差率处于0.55%~9.65%之间，证明该预测模型可为医师明确正畸矫治器参数-摩擦力-矫治力的关系提供理论依据，为实现数字化正畸提供理论支撑，保证个性化正畸方案的高效、高可靠性和高舒适度，最终达到轻力矫治的效果.
正畸矫治过程中，正畸弓丝与托槽间的相对滑动趋势将产生摩擦力，进而降低有效矫治力，影响矫治的性能和效率. 针对目前正畸摩擦力预测方法量化预测精度低的问题，依据正畸弓丝与托槽间的几何关系、力学关系及物理参数，提出一种基于分力叠加原理的计及接触角度的正畸摩擦力预测模型建立方法. 探究影响正畸摩擦力的主要因素以及变化规律，提出采用有限滑动法测量正畸摩擦力，搭建了基于六维力传感器的正畸摩擦力测量系统，进行了不同弓丝-托槽组合和不同接触角度的摩擦力测量，试验数据与预测模型的理论数据间误差率处于0.55%~9.65%之间，证明该预测模型可为医师明确正畸矫治器参数-摩擦力-矫治力的关系提供理论依据，为实现数字化正畸提供理论支撑，保证个性化正畸方案的高效、高可靠性和高舒适度，最终达到轻力矫治的效果.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021043
摘要:
采用激光复合工程技术对Ti6Al4V基体表面进行强化耐磨处理，首先在Ti6Al4V合金表面进行激光氮化[Ti(N)]和氧氮化[Ti(N,O)]处理，然后在纯氩气气氛中分别对Ti(N)层和Ti(N,O)层进行激光重熔处理，制备了组织分布更为均匀的重熔氮化层[Re-Ti(N)]和重熔氮氧化层[Re-Ti(N,O)]. 组织结构分析揭示了Re-Ti(N)层主要由富氮αˊ-Ti和TiNx组成，而Re-Ti(N,O)层则主要由富氧αˊ-Ti和TiNxOy组成. 相对于Ti6Al4V基体，Re-Ti(N)层和Re-Ti(N,O)层的硬度、弹性模量和磨损量降低了2倍以上，然而激光复合处理前后材料均表现出较大的摩擦系数. 相对于Re-Ti(N)层，氧原子的加入，不仅能够有效细化组织和提升强韧度，而且显著抑制了摩擦界面的黏着磨损. 通过磨屑结构分析进一步验证了基体黏着磨损机制和重熔改性层磨粒磨损机制.
采用激光复合工程技术对Ti6Al4V基体表面进行强化耐磨处理，首先在Ti6Al4V合金表面进行激光氮化[Ti(N)]和氧氮化[Ti(N,O)]处理，然后在纯氩气气氛中分别对Ti(N)层和Ti(N,O)层进行激光重熔处理，制备了组织分布更为均匀的重熔氮化层[Re-Ti(N)]和重熔氮氧化层[Re-Ti(N,O)]. 组织结构分析揭示了Re-Ti(N)层主要由富氮αˊ-Ti和TiNx组成，而Re-Ti(N,O)层则主要由富氧αˊ-Ti和TiNxOy组成. 相对于Ti6Al4V基体，Re-Ti(N)层和Re-Ti(N,O)层的硬度、弹性模量和磨损量降低了2倍以上，然而激光复合处理前后材料均表现出较大的摩擦系数. 相对于Re-Ti(N)层，氧原子的加入，不仅能够有效细化组织和提升强韧度，而且显著抑制了摩擦界面的黏着磨损. 通过磨屑结构分析进一步验证了基体黏着磨损机制和重熔改性层磨粒磨损机制.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021081
摘要:
为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制，使用超声振动空蚀试验装置对45#钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究，使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面，对空蚀坑的数量分布及微观结构进行了分析. 结果表明空蚀破坏程度与SiO2悬浊液浓度有重要关联. SiO2悬浊液存在1个临界浓度，小于临界浓度时，空蚀破坏程度随浓度的增加而增大；大于临界浓度时，空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱. 空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱，但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大. 相比于纯水介质，添加SiC、Al2O3、SiO2微颗粒均会加剧空蚀破坏程度，其中，SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著. 相比之下，Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱，起到了抑制超声空蚀的作用，这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.
为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制，使用超声振动空蚀试验装置对45#钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究，使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面，对空蚀坑的数量分布及微观结构进行了分析. 结果表明空蚀破坏程度与SiO2悬浊液浓度有重要关联. SiO2悬浊液存在1个临界浓度，小于临界浓度时，空蚀破坏程度随浓度的增加而增大；大于临界浓度时，空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱. 空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱，但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大. 相比于纯水介质，添加SiC、Al2O3、SiO2微颗粒均会加剧空蚀破坏程度，其中，SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著. 相比之下，Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱，起到了抑制超声空蚀的作用，这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.
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doi: 10.16078/j.tribology.2020260
摘要:
针对汽车发动机主轴承中类似打字机的无规律异常噪声，利用自行研制的平行板挤压油膜试验机模拟发动机主轴承在动态耦合作用下的油膜噪声试验. 在试验机可以实现声音、位移、振动、拉压力和油膜空穴图像同步采集基础上，探究了不同固体粉末添加剂对油膜空穴噪声的影响，其中包括碳粉、多孔质硅铝酸盐、荧光剂(油溶性与非油溶性)和二硫化钼粉末. 结果显示碳粉、多孔质硅铝酸盐粉和非油溶性荧光剂粉有抑制油膜空穴噪声的作用，其平均降噪率分别为50 %、70 %和75 %，这表明后两者具有更优的降噪效果. 随着加入量的增加，碳粉和多孔质硅铝酸盐粉的抑制噪声作用先增强后趋向平稳，而非油溶性荧光剂粉的抑制噪声作用先增强后减弱. 这三者抑制油膜空穴噪声的机理主要是由于其特殊的多孔结构能够增加液体中的成核粒子，形成不易聚集的小空穴，降低了与大气连通的可能性，从而减少了油膜空穴噪声出现的频率.
针对汽车发动机主轴承中类似打字机的无规律异常噪声，利用自行研制的平行板挤压油膜试验机模拟发动机主轴承在动态耦合作用下的油膜噪声试验. 在试验机可以实现声音、位移、振动、拉压力和油膜空穴图像同步采集基础上，探究了不同固体粉末添加剂对油膜空穴噪声的影响，其中包括碳粉、多孔质硅铝酸盐、荧光剂(油溶性与非油溶性)和二硫化钼粉末. 结果显示碳粉、多孔质硅铝酸盐粉和非油溶性荧光剂粉有抑制油膜空穴噪声的作用，其平均降噪率分别为50 %、70 %和75 %，这表明后两者具有更优的降噪效果. 随着加入量的增加，碳粉和多孔质硅铝酸盐粉的抑制噪声作用先增强后趋向平稳，而非油溶性荧光剂粉的抑制噪声作用先增强后减弱. 这三者抑制油膜空穴噪声的机理主要是由于其特殊的多孔结构能够增加液体中的成核粒子，形成不易聚集的小空穴，降低了与大气连通的可能性，从而减少了油膜空穴噪声出现的频率.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021061
摘要:
制动系统在工作时，往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响，这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性，一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型，引入了新的受限颗粒体摩擦模型，提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在某些参数下，当此系数为0时，制动片的切向振动为周期运动；但是当此系数不为0时，制动片的切向振动呈现拟周期或混沌运动，此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化，甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内，受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.
制动系统在工作时，往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响，这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性，一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型，引入了新的受限颗粒体摩擦模型，提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在某些参数下，当此系数为0时，制动片的切向振动为周期运动；但是当此系数不为0时，制动片的切向振动呈现拟周期或混沌运动，此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化，甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内，受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021037
摘要:
采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置，观察了纯滚条件下近接触区油池形态随供油量和卷吸速度的变化过程. 结果表明，油池在低速、中速和高速下分别呈现出闭合态、半开放态和分离态3种状态. 闭合态油池内气穴长度随卷吸速度增加而增加，且存在使尾部油池分离的临界速度. 气穴区表面张力作用使气穴长度预测值和测量值出现差别；卷吸作用和压差作用是油池变形的原因；供油量和卷吸速度决定了润滑剂的供-失平衡态，影响了油池侧宽的变化趋势.
采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置，观察了纯滚条件下近接触区油池形态随供油量和卷吸速度的变化过程. 结果表明，油池在低速、中速和高速下分别呈现出闭合态、半开放态和分离态3种状态. 闭合态油池内气穴长度随卷吸速度增加而增加，且存在使尾部油池分离的临界速度. 气穴区表面张力作用使气穴长度预测值和测量值出现差别；卷吸作用和压差作用是油池变形的原因；供油量和卷吸速度决定了润滑剂的供-失平衡态，影响了油池侧宽的变化趋势.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021065
摘要:
轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一，而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统，受到各种自然环境因素的影响，如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物，而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展，分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征，重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理，并提出了轮轨黏着的未来研究方向.
轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一，而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统，受到各种自然环境因素的影响，如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物，而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展，分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征，重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理，并提出了轮轨黏着的未来研究方向.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021090
摘要:
汽车涡轮增压器广泛采用浮环轴承支承的小型轻质转子系统，以实现100 000~300 000 r/min的工作转速，提高发动机功率和动力性能，并降低燃油消耗和排放. 在此超高速工况下，动压油膜的强非线性作用和转子固有的不平衡效应使该系统呈现出复杂的动力学现象，其中油膜涡动、振荡、跳跃、倍周期分岔和混沌等非线性动力学行为对增压器的健康运转意义重大，因而备受关注. 本文作者从摩擦学动力学耦合的角度出发，基于流体动压轴承润滑理论和有限差分法计算非稳态油膜压力，结合达朗贝尔原理和传递矩阵法建立了转子离散化动力学方程，提出了一种由双油膜浮环支承的涡轮增压器转子系统动力学模型，并从转子轨迹、轴承偏心率、频谱响应、庞加莱映射和分岔特性等方面比较分析，描述了该非线性轴承-转子系统的不平衡效应及油膜失稳特征. 结果表明：转子一般在相对低速下作稳定的单周期不平衡振动，在高转速下其被油膜失稳引起的次同步涡动所抑制，但不平衡量的增加可阻碍转子以拟周期运动通向混沌运动的路径；适当不平衡补偿下，由于内、外油膜间交互的非线性刚度和阻尼作用，在油膜失稳区间之间的中高速区会出现适合增压器健康运转的稳定区间.
汽车涡轮增压器广泛采用浮环轴承支承的小型轻质转子系统，以实现100 000~300 000 r/min的工作转速，提高发动机功率和动力性能，并降低燃油消耗和排放. 在此超高速工况下，动压油膜的强非线性作用和转子固有的不平衡效应使该系统呈现出复杂的动力学现象，其中油膜涡动、振荡、跳跃、倍周期分岔和混沌等非线性动力学行为对增压器的健康运转意义重大，因而备受关注. 本文作者从摩擦学动力学耦合的角度出发，基于流体动压轴承润滑理论和有限差分法计算非稳态油膜压力，结合达朗贝尔原理和传递矩阵法建立了转子离散化动力学方程，提出了一种由双油膜浮环支承的涡轮增压器转子系统动力学模型，并从转子轨迹、轴承偏心率、频谱响应、庞加莱映射和分岔特性等方面比较分析，描述了该非线性轴承-转子系统的不平衡效应及油膜失稳特征. 结果表明：转子一般在相对低速下作稳定的单周期不平衡振动，在高转速下其被油膜失稳引起的次同步涡动所抑制，但不平衡量的增加可阻碍转子以拟周期运动通向混沌运动的路径；适当不平衡补偿下，由于内、外油膜间交互的非线性刚度和阻尼作用，在油膜失稳区间之间的中高速区会出现适合增压器健康运转的稳定区间.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021088
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为探究低温环境下矿井缠绕提升钢丝绳之间的滑动摩擦磨损特性，使用自制的低温环境钢丝绳摩擦磨损试验装置，以6×19+FC钢丝绳为研究对象，探究低温环境下干摩擦和水油润滑状态下钢丝绳的摩擦磨损特性. 研究结果表明：干摩擦时，摩擦系数随环境温度的降低小幅增大，在−25 ℃时达到最大值，约0.85. 油水润滑状态时，摩擦系数、磨损面积和磨损深度均明显小于干摩擦状态，平均磨损面积减小了约3倍，平均磨损深度减小了约7倍，平均摩擦系数随环境温度的降低先增大后减小，在−15 ℃时达到最大值，约0.35. 此外，随着温度的降低，干摩擦状态时钢丝绳的磨损机理由氧化磨损和磨粒磨损转变为疲劳磨损和黏着磨损；油水润滑状态时，钢丝绳的氧化磨损减弱，黏着磨损先加重后减弱.
为探究低温环境下矿井缠绕提升钢丝绳之间的滑动摩擦磨损特性，使用自制的低温环境钢丝绳摩擦磨损试验装置，以6×19+FC钢丝绳为研究对象，探究低温环境下干摩擦和水油润滑状态下钢丝绳的摩擦磨损特性. 研究结果表明：干摩擦时，摩擦系数随环境温度的降低小幅增大，在−25 ℃时达到最大值，约0.85. 油水润滑状态时，摩擦系数、磨损面积和磨损深度均明显小于干摩擦状态，平均磨损面积减小了约3倍，平均磨损深度减小了约7倍，平均摩擦系数随环境温度的降低先增大后减小，在−15 ℃时达到最大值，约0.35. 此外，随着温度的降低，干摩擦状态时钢丝绳的磨损机理由氧化磨损和磨粒磨损转变为疲劳磨损和黏着磨损；油水润滑状态时，钢丝绳的氧化磨损减弱，黏着磨损先加重后减弱.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021114
摘要:
多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质，具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响；考虑气-液界面的弯月面力作用，研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果，采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质，进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应，孔隙深度较低会使得润滑升力不足，孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环，削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后，在孔隙中形成气-液二相受压承载，其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳，但孔隙深度越小，对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势，与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度，能优化多孔储液介质的润滑性能.
多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质，具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响；考虑气-液界面的弯月面力作用，研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果，采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质，进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应，孔隙深度较低会使得润滑升力不足，孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环，削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后，在孔隙中形成气-液二相受压承载，其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳，但孔隙深度越小，对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势，与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度，能优化多孔储液介质的润滑性能.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021049
摘要:
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承材料在低速重载工况下常发生严重磨损，通过添加改性填料能够显著提升其摩擦学性能. 凹凸棒土(ATP)作为一种改性填料能够增强基体材料的机械性能进而改善其摩擦特性，但是ATP作为填料往往会因为团聚效应而降低材料的补强效果. 通过对ATP进行表面改性处理可克服团聚效应，实现ATP与基体间的均匀共混. 通过表面化学包覆改性法制备由硅烷偶联剂KH570改性处理的ATP，与UHMWPE共混制成复合材料，并与纯UHMWPE材料作对照试验. 利用RTEC摩擦试验机研究复合材料在水润滑条件下摩擦系数随载荷和转速的变化，以及材料填充含量对复合材料在低速重载(v=0.55 m/s、Fz=55 N)工况下磨损性能的影响. 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)与电子万能材料试验机分别对ATP改性效果、熔融结晶行为及复合材料的重要力学性能进行表征测试. 试验结束后，利用表面轮廓仪与激光共聚焦显微镜观察复合材料表面形貌并分析其磨损机理. 结果表明：硅烷偶联剂KH570对ATP的改性效果良好，填充改性ATP能提高材料的邵氏硬度，且材料的拉伸性能随填充含量的提高呈下降趋势；对比纯UHMWP材料，复合材料的摩擦系数更低，适量的ATP填充能改善材料磨损性能，减小体积磨损率；试验中改性ATP质量分数为1%的复合材料其摩擦学性能最优，在低速重载时的摩擦系数及体积磨损率与纯UHMWPE相比分别降低了52.45%和37.58%.
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承材料在低速重载工况下常发生严重磨损，通过添加改性填料能够显著提升其摩擦学性能. 凹凸棒土(ATP)作为一种改性填料能够增强基体材料的机械性能进而改善其摩擦特性，但是ATP作为填料往往会因为团聚效应而降低材料的补强效果. 通过对ATP进行表面改性处理可克服团聚效应，实现ATP与基体间的均匀共混. 通过表面化学包覆改性法制备由硅烷偶联剂KH570改性处理的ATP，与UHMWPE共混制成复合材料，并与纯UHMWPE材料作对照试验. 利用RTEC摩擦试验机研究复合材料在水润滑条件下摩擦系数随载荷和转速的变化，以及材料填充含量对复合材料在低速重载(v=0.55 m/s、Fz=55 N)工况下磨损性能的影响. 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)与电子万能材料试验机分别对ATP改性效果、熔融结晶行为及复合材料的重要力学性能进行表征测试. 试验结束后，利用表面轮廓仪与激光共聚焦显微镜观察复合材料表面形貌并分析其磨损机理. 结果表明：硅烷偶联剂KH570对ATP的改性效果良好，填充改性ATP能提高材料的邵氏硬度，且材料的拉伸性能随填充含量的提高呈下降趋势；对比纯UHMWP材料，复合材料的摩擦系数更低，适量的ATP填充能改善材料磨损性能，减小体积磨损率；试验中改性ATP质量分数为1%的复合材料其摩擦学性能最优，在低速重载时的摩擦系数及体积磨损率与纯UHMWPE相比分别降低了52.45%和37.58%.
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doi: 10.16078/j.tribology.2021031
摘要:
采用真空热压烧结工艺制备了石墨相形态为粉体(粒径约5 μm)、鳞片状(粒径445~636 μm)和近球形颗粒状(粒径200~300 μm)的铜/石墨复合材料，考察了以Al2O3陶瓷为摩擦副条件下石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦磨损性能及作用机制的影响，并探讨了材料在外载作用下的可靠性. 结果表明：石墨相形态不同时，石墨相和金属铜在材料中的分布方式也随之改变，进而影响到材料的摩擦学性能和力学性能. 在保持复合材料中石墨相含量不变的基础上，将石墨相形态从微米级粉体转变为各向异性的大块鳞片状石墨，再转变为各向同性较好的大尺寸近球形颗粒状石墨时，石墨相在材料中与金属铜形成的弱界面含量逐渐减小，金属铜的三维连续性变得更好. 材料在受到外载破坏时，从石墨相与铜基体界面萌生裂纹的扩展应力可被连续金属铜及时吸收钝化，使材料抵抗裂纹破坏能力明显提高. 当石墨相为近球形颗粒状时，材料的抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和冲击韧性分别高达155.4±3.6 MPa、353.5±24.7 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0±0.4 J/cm2. 此外，石墨相形态对材料的摩擦学性能也有重要影响，当石墨相以粉体形态存在时，石墨相与金属铜间形成的弱界面越多，铜基体的连续程度被石墨显著割裂，在摩擦力作用下割裂的铜颗粒易被剥离进入摩擦界面，与摩擦副形成“三体”磨损，导致材料的大量磨损. 当石墨相以鳞片状形态存在时，石墨相的聚集程度相对增加，使得金属铜的连续程度相对提高，可避免类似复合粉体形态石墨的材料磨损过程的发生. 但是，鳞片状石墨呈大块片层状，形状各向异性，随着材料表面鳞片石墨的摩擦损耗，或者垂直于材料表面的鳞片石墨较多时，将造成摩擦副间摩擦系数较大的波动. 当石墨相为近球形颗粒状时，较为均匀的石墨相空间分布状态、三维连续结构的铜基体和润滑相/承载基体呈现的软/硬交替结构使得铜/石墨复合材料具有低且平稳的摩擦系数以及优异的减摩抗磨性能. 本文中以Al2O3栓为摩擦对偶时，复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.13±0.02和5.4×10−6 mm3/(N·m).
采用真空热压烧结工艺制备了石墨相形态为粉体(粒径约5 μm)、鳞片状(粒径445~636 μm)和近球形颗粒状(粒径200~300 μm)的铜/石墨复合材料，考察了以Al2O3陶瓷为摩擦副条件下石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦磨损性能及作用机制的影响，并探讨了材料在外载作用下的可靠性. 结果表明：石墨相形态不同时，石墨相和金属铜在材料中的分布方式也随之改变，进而影响到材料的摩擦学性能和力学性能. 在保持复合材料中石墨相含量不变的基础上，将石墨相形态从微米级粉体转变为各向异性的大块鳞片状石墨，再转变为各向同性较好的大尺寸近球形颗粒状石墨时，石墨相在材料中与金属铜形成的弱界面含量逐渐减小，金属铜的三维连续性变得更好. 材料在受到外载破坏时，从石墨相与铜基体界面萌生裂纹的扩展应力可被连续金属铜及时吸收钝化，使材料抵抗裂纹破坏能力明显提高. 当石墨相为近球形颗粒状时，材料的抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和冲击韧性分别高达155.4±3.6 MPa、353.5±24.7 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0±0.4 J/cm2. 此外，石墨相形态对材料的摩擦学性能也有重要影响，当石墨相以粉体形态存在时，石墨相与金属铜间形成的弱界面越多，铜基体的连续程度被石墨显著割裂，在摩擦力作用下割裂的铜颗粒易被剥离进入摩擦界面，与摩擦副形成“三体”磨损，导致材料的大量磨损. 当石墨相以鳞片状形态存在时，石墨相的聚集程度相对增加，使得金属铜的连续程度相对提高，可避免类似复合粉体形态石墨的材料磨损过程的发生. 但是，鳞片状石墨呈大块片层状，形状各向异性，随着材料表面鳞片石墨的摩擦损耗，或者垂直于材料表面的鳞片石墨较多时，将造成摩擦副间摩擦系数较大的波动. 当石墨相为近球形颗粒状时，较为均匀的石墨相空间分布状态、三维连续结构的铜基体和润滑相/承载基体呈现的软/硬交替结构使得铜/石墨复合材料具有低且平稳的摩擦系数以及优异的减摩抗磨性能. 本文中以Al2O3栓为摩擦对偶时，复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.13±0.02和5.4×10−6 mm3/(N·m).
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doi: 10.16078/j.tribology.2021149
摘要:
基于第一性原理提出了自动构建计算构型-自动提交计算任务-智能分析计算数据的固体界面摩擦性能自动化计算方法，并通过并发-并行同时计算约1 000个计算任务，实现了固体界面摩擦性能的高通量计算. 以石墨烯/石墨烯滑动体系为例，测试了高通量计算方法的可靠性. 结果表明：通过该方法计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致，摩擦系数也与试验结果相符合，从而验证了该方法的可靠性. 该方法能够极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间.
基于第一性原理提出了自动构建计算构型-自动提交计算任务-智能分析计算数据的固体界面摩擦性能自动化计算方法，并通过并发-并行同时计算约1 000个计算任务，实现了固体界面摩擦性能的高通量计算. 以石墨烯/石墨烯滑动体系为例，测试了高通量计算方法的可靠性. 结果表明：通过该方法计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致，摩擦系数也与试验结果相符合，从而验证了该方法的可靠性. 该方法能够极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间.
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2022, 42(2): 225-233.
doi: 10.16078/j.tribology.2020268
摘要:
在铜基底上制备了磁控溅射银膜，采用激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等分析技术对载流摩擦试验后的磨斑微结构进行了分析. 结果表明：磨斑表面较平滑，可见犁沟、微坑及塑性流动等形貌，磨斑边缘存在堆积和剥落. 磨斑表面颗粒形态为短棒状和球状，颗粒尺寸为20~150 nm. 磨斑微结构中存在(012)和有利的(111)择优取向，晶粒平均粒度为582 nm，多数晶粒极细小，起到细晶强化作用. 在磨斑微结构中发现大量孪晶，(111)取向孪晶占比达到93.5%，这种高密度孪晶夹杂非孪晶的微结构，有利于材料内部的滑移和提高耐磨性. 在孪晶界发现存在大量{111}晶面族层错结构，有利于材料晶粒间滑移并提升宏观摩擦性能.
在铜基底上制备了磁控溅射银膜，采用激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等分析技术对载流摩擦试验后的磨斑微结构进行了分析. 结果表明：磨斑表面较平滑，可见犁沟、微坑及塑性流动等形貌，磨斑边缘存在堆积和剥落. 磨斑表面颗粒形态为短棒状和球状，颗粒尺寸为20~150 nm. 磨斑微结构中存在(012)和有利的(111)择优取向，晶粒平均粒度为582 nm，多数晶粒极细小，起到细晶强化作用. 在磨斑微结构中发现大量孪晶，(111)取向孪晶占比达到93.5%，这种高密度孪晶夹杂非孪晶的微结构，有利于材料内部的滑移和提高耐磨性. 在孪晶界发现存在大量{111}晶面族层错结构，有利于材料晶粒间滑移并提升宏观摩擦性能.
2022, 42(2): 234-241.
doi: 10.16078/j.tribology.2021046
摘要:
润滑油在轴承内的分布及其变化规律对轴承的润滑性能有显著影响. 在本文中搭建了滚动轴承模拟试验台，基于激光诱导荧光方法实现了滚动轴承内钢球-外圈接触区附近润滑油分布的观察与测量，获得了润滑油供给油层分布的三维形貌图，研究了不同供油量和转速对轴承内部供给油层分布的影响规律. 试验结果表明充分润滑条件下相邻钢球-外圈接触区供给油池之间会形成相互连接的油带；在高速情况下，钢球-外圈接触区供给油层厚度受前一个接触区尾部空穴影响而减小；供油量的增加会增大表观油池，但并不意味着入口有效供油层的增加.
润滑油在轴承内的分布及其变化规律对轴承的润滑性能有显著影响. 在本文中搭建了滚动轴承模拟试验台，基于激光诱导荧光方法实现了滚动轴承内钢球-外圈接触区附近润滑油分布的观察与测量，获得了润滑油供给油层分布的三维形貌图，研究了不同供油量和转速对轴承内部供给油层分布的影响规律. 试验结果表明充分润滑条件下相邻钢球-外圈接触区供给油池之间会形成相互连接的油带；在高速情况下，钢球-外圈接触区供给油层厚度受前一个接触区尾部空穴影响而减小；供油量的增加会增大表观油池，但并不意味着入口有效供油层的增加.
2022, 42(2): 242-253.
doi: 10.16078/j.tribology.2021036
摘要:
通过真空热压烧结方法制备Ni/Ti2AlC复合材料，并对材料进行热处理，考察了两种不同热处理工艺对复合材料的显微组织和室温及800 ℃下摩擦学性能的影响. 结果表明：烧结后，Ni/10%Ti2AlC复合材料包含Ni基固溶体、TiCx、Ni3Al和少量Al2O3，而Ni/50%Ti2AlC主要由Ni2TiAl、TiCx、Ti3NiAl2C和少量Al2O3组成. 分别于1 200和1 350 ℃热处理16 h后，Ni/10%Ti2AlC中的Ni3Al相和Ni/50%Ti2AlC中的Ti3NiAl2C相消失. 热处理导致TiCx相的生长，复合材料显微组织得到优化，同时材料保持了高度致密性. 热处理后，两种复合材料的维氏硬度下降，这主要归结于Ni3Al强化相的消失和碳化物的长大. 随着热处理温度的升高，室温下复合材料的磨损率降低，这主要归结于热处理优化了显微组织，提高了两相结合强度，进而抑制了TiCx颗粒的脱出，减少了磨粒磨损的发生；800 ℃摩擦条件下，热处理前后，复合材料均表现出较低的摩擦系数和磨损率，这主要归结于高温下磨损表面形成的由TiO2、NiO和NiTiO3组成的润滑膜所起到的减摩抗磨作用，此外，热处理使得显微组织更均匀，更有利于磨损表面TiO2和NiTiO3润滑相的形成，对摩擦学性能有利.
通过真空热压烧结方法制备Ni/Ti2AlC复合材料，并对材料进行热处理，考察了两种不同热处理工艺对复合材料的显微组织和室温及800 ℃下摩擦学性能的影响. 结果表明：烧结后，Ni/10%Ti2AlC复合材料包含Ni基固溶体、TiCx、Ni3Al和少量Al2O3，而Ni/50%Ti2AlC主要由Ni2TiAl、TiCx、Ti3NiAl2C和少量Al2O3组成. 分别于1 200和1 350 ℃热处理16 h后，Ni/10%Ti2AlC中的Ni3Al相和Ni/50%Ti2AlC中的Ti3NiAl2C相消失. 热处理导致TiCx相的生长，复合材料显微组织得到优化，同时材料保持了高度致密性. 热处理后，两种复合材料的维氏硬度下降，这主要归结于Ni3Al强化相的消失和碳化物的长大. 随着热处理温度的升高，室温下复合材料的磨损率降低，这主要归结于热处理优化了显微组织，提高了两相结合强度，进而抑制了TiCx颗粒的脱出，减少了磨粒磨损的发生；800 ℃摩擦条件下，热处理前后，复合材料均表现出较低的摩擦系数和磨损率，这主要归结于高温下磨损表面形成的由TiO2、NiO和NiTiO3组成的润滑膜所起到的减摩抗磨作用，此外，热处理使得显微组织更均匀，更有利于磨损表面TiO2和NiTiO3润滑相的形成，对摩擦学性能有利.
2022, 42(2): 254-264.
doi: 10.16078/j.tribology.2020237
摘要:
合成了以季铵盐、季鏻盐和烷基咪唑为阳离子，琥珀酸二异辛酯磺酸为阴离子的五种多库酯类离子液体，考察了其理化性能，研究其作为钢-镁合金摩擦副润滑剂的摩擦学性能，并与常规离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(L-F104)作对比. 结果表明：该类离子液体具有良好的黏温性能和热稳定性，并且与L-F104相比，对镁合金腐蚀较轻，且具有优异的减摩抗磨性能；接触电阻和磨斑表面元素分析结果表明该类离子液体能够在镁合金表面形成有效的吸附膜，且摩擦试验过程中形成了MgSO4和MgO等物质的摩擦化学反应膜，能够阻止摩擦过程中金属表面间的直接接触，从而起到减摩抗磨效果.
合成了以季铵盐、季鏻盐和烷基咪唑为阳离子，琥珀酸二异辛酯磺酸为阴离子的五种多库酯类离子液体，考察了其理化性能，研究其作为钢-镁合金摩擦副润滑剂的摩擦学性能，并与常规离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(L-F104)作对比. 结果表明：该类离子液体具有良好的黏温性能和热稳定性，并且与L-F104相比，对镁合金腐蚀较轻，且具有优异的减摩抗磨性能；接触电阻和磨斑表面元素分析结果表明该类离子液体能够在镁合金表面形成有效的吸附膜，且摩擦试验过程中形成了MgSO4和MgO等物质的摩擦化学反应膜，能够阻止摩擦过程中金属表面间的直接接触，从而起到减摩抗磨效果.
2022, 42(2): 265-274.
doi: 10.16078/j.tribology.2021047
摘要:
采用一步水热法设计制备了二硫化钼/硫化锌(MoS2/ZnS)纳米杂化体，并利用热压成型技术得到聚酰亚胺/二硫化钼/硫化锌(PI/MoS2/ZnS)复合材料. 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及光电子能谱仪对所制备材料的形貌和化学组成进行表征，结果表明MoS2纳米薄片均匀致密地包覆在ZnS纳米颗粒表面. 热重分析和差示扫描量热曲线结果表明，MoS2/ZnS纳米杂化体的引入显著地提升了PI基体的热稳定性能. 摩擦磨损测试结果表明，三种填料(MoS2，ZnS和MoS2/ZnS)均能有效改善PI基体的摩擦学性能，其中MoS2/ZnS纳米杂化体的增强效应最为显著，这主要归因于MoS2纳米片和ZnS纳米粒子之间的协同增强效应. 当MoS2/ZnS纳米杂化体的质量分数为1.5%时， PI/MoS2/ZnS复合材料的摩擦学性能达到最优，相较于纯的PI，复合材料的摩擦系数和磨损率分别下降了15. 9%和34. 3%.
采用一步水热法设计制备了二硫化钼/硫化锌(MoS2/ZnS)纳米杂化体，并利用热压成型技术得到聚酰亚胺/二硫化钼/硫化锌(PI/MoS2/ZnS)复合材料. 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及光电子能谱仪对所制备材料的形貌和化学组成进行表征，结果表明MoS2纳米薄片均匀致密地包覆在ZnS纳米颗粒表面. 热重分析和差示扫描量热曲线结果表明，MoS2/ZnS纳米杂化体的引入显著地提升了PI基体的热稳定性能. 摩擦磨损测试结果表明，三种填料(MoS2，ZnS和MoS2/ZnS)均能有效改善PI基体的摩擦学性能，其中MoS2/ZnS纳米杂化体的增强效应最为显著，这主要归因于MoS2纳米片和ZnS纳米粒子之间的协同增强效应. 当MoS2/ZnS纳米杂化体的质量分数为1.5%时， PI/MoS2/ZnS复合材料的摩擦学性能达到最优，相较于纯的PI，复合材料的摩擦系数和磨损率分别下降了15. 9%和34. 3%.
2022, 42(2): 275-282.
doi: 10.16078/j.tribology.2021021
摘要:
在本文中初步探讨了一种永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性，以期获得一种对固定目标区域精准支撑与润滑的方法，并实现低摩擦. 以3D打印树脂材料为基底，在其表面嵌入正方形点阵排布的永磁环阵列，分别在各磁体表面注入特定体积的磁流体，使其在各永磁环表面形成封闭的液体结构. 采用自行设计的支撑力测试系统及往复式摩擦磨损试验机分别对该液体结构支撑及润滑性能进行测试. 结果表明：在磁场作用下的磁流体，除自身磁化和内聚产生液体支撑力外，被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力；而对于该磁环阵列结构而言，被吸附于其表面的磁流体支撑能力随着磁铁间距的增加而减小，并逐渐趋于稳定，同时磁极排布方式对支撑力也会有所影响；当磁流体密封结构的支撑能力大于外载荷时，即摩擦对偶完全被磁流体支撑，此时可获得0.005的低摩擦系数. 可见该磁流体液环密封结构所形成的液-气混合支撑力显著高于单一液体支撑，而磁环阵列结构可进一步提升总体支撑能力，当该支撑力高于负载时可避免摩擦副间的直接接触，在静止或低速状态下实现低摩擦. 该研究结果对于解决精密低速滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象具有一定应用价值.
在本文中初步探讨了一种永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性，以期获得一种对固定目标区域精准支撑与润滑的方法，并实现低摩擦. 以3D打印树脂材料为基底，在其表面嵌入正方形点阵排布的永磁环阵列，分别在各磁体表面注入特定体积的磁流体，使其在各永磁环表面形成封闭的液体结构. 采用自行设计的支撑力测试系统及往复式摩擦磨损试验机分别对该液体结构支撑及润滑性能进行测试. 结果表明：在磁场作用下的磁流体，除自身磁化和内聚产生液体支撑力外，被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力；而对于该磁环阵列结构而言，被吸附于其表面的磁流体支撑能力随着磁铁间距的增加而减小，并逐渐趋于稳定，同时磁极排布方式对支撑力也会有所影响；当磁流体密封结构的支撑能力大于外载荷时，即摩擦对偶完全被磁流体支撑，此时可获得0.005的低摩擦系数. 可见该磁流体液环密封结构所形成的液-气混合支撑力显著高于单一液体支撑，而磁环阵列结构可进一步提升总体支撑能力，当该支撑力高于负载时可避免摩擦副间的直接接触，在静止或低速状态下实现低摩擦. 该研究结果对于解决精密低速滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象具有一定应用价值.
2022, 42(2): 283-293.
doi: 10.16078/j.tribology.2021030
摘要:
针对空间滑动电接触金基润滑涂层在制备方法以及失效机理认识方面存在的不足，探索采用绿色磁控溅射法制备金薄膜. 研究了偏压对薄膜微观结构、力学以及真空载流摩擦学性能的影响规律；建立了真空载流服役工况摩擦试验评价条件，可实现接触电流噪音的实时监测，进一步对比传统电镀金涂层，研究了其真空载流摩擦磨损行为差异、主要影响因素及作用机制. 结果表明：在适中的偏压下，薄膜晶粒尺寸小，结构致密光滑，具有高的结合力、硬度、耐磨性以及低的接触电流噪音. 相比于电镀法，磁控溅射法制备的金膜表现出明显光滑致密的结构特征，硬度、磨损率和接触电流噪音大幅改善. 其中光滑致密的结构是抑制微电弧产生的关键因素，可有效减少电弧侵蚀失效.
针对空间滑动电接触金基润滑涂层在制备方法以及失效机理认识方面存在的不足，探索采用绿色磁控溅射法制备金薄膜. 研究了偏压对薄膜微观结构、力学以及真空载流摩擦学性能的影响规律；建立了真空载流服役工况摩擦试验评价条件，可实现接触电流噪音的实时监测，进一步对比传统电镀金涂层，研究了其真空载流摩擦磨损行为差异、主要影响因素及作用机制. 结果表明：在适中的偏压下，薄膜晶粒尺寸小，结构致密光滑，具有高的结合力、硬度、耐磨性以及低的接触电流噪音. 相比于电镀法，磁控溅射法制备的金膜表现出明显光滑致密的结构特征，硬度、磨损率和接触电流噪音大幅改善. 其中光滑致密的结构是抑制微电弧产生的关键因素，可有效减少电弧侵蚀失效.
2022, 42(2): 294-304.
doi: 10.16078/j.tribology.2021033
摘要:
借助微弧氧化技术在TC4钛合金表面构筑了高硬度氧化物薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)及拉曼光谱等手段对膜层结构进行了分析，考察了二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)作为聚α烯烃PAO6润滑添加剂对微弧氧化薄膜的摩擦学性能的影响. 结果表明：经过微弧氧化处理后得到的钛合金试样展现了优异的减摩抗磨性能，与未处理的TC4样品相比，在含质量分数为2% MoDTC的PAO6油润滑下，摩擦系数降低了87.4%，磨损率下降了3个数量级. 这主要是因为经微弧氧化处理后，TC4钛合金表面形成的TiO2薄膜具有较高硬度与耐磨性，同时促进了MoDTC添加剂在边界润滑条件下的摩擦化学反应，在接触区表面生成含有MoS2的润滑层.
借助微弧氧化技术在TC4钛合金表面构筑了高硬度氧化物薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)及拉曼光谱等手段对膜层结构进行了分析，考察了二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)作为聚α烯烃PAO6润滑添加剂对微弧氧化薄膜的摩擦学性能的影响. 结果表明：经过微弧氧化处理后得到的钛合金试样展现了优异的减摩抗磨性能，与未处理的TC4样品相比，在含质量分数为2% MoDTC的PAO6油润滑下，摩擦系数降低了87.4%，磨损率下降了3个数量级. 这主要是因为经微弧氧化处理后，TC4钛合金表面形成的TiO2薄膜具有较高硬度与耐磨性，同时促进了MoDTC添加剂在边界润滑条件下的摩擦化学反应，在接触区表面生成含有MoS2的润滑层.
2022, 42(2): 305-313.
doi: 10.16078/j.tribology.2021002
摘要:
针对目前缺少滚动直线导轨副摩擦系数试验研究的现状，首先基于动力学分析，推导了滚动直线导轨副预加载荷与摩擦系数的关系式；然后创新性设计了一种预加载荷调节装置，构建了一种预加载荷与预紧拖动力同步在线测量系统，实现了不同载荷和速度下滚动直线导轨副动态摩擦系数的精确测量. 试验结果表明：速度一定时，摩擦系数随预加载荷增大而增大；预加载荷一定时，摩擦系数随速度增大先减小后增大；预加载荷越大，摩擦系数受速度影响程度越小.
针对目前缺少滚动直线导轨副摩擦系数试验研究的现状，首先基于动力学分析，推导了滚动直线导轨副预加载荷与摩擦系数的关系式；然后创新性设计了一种预加载荷调节装置，构建了一种预加载荷与预紧拖动力同步在线测量系统，实现了不同载荷和速度下滚动直线导轨副动态摩擦系数的精确测量. 试验结果表明：速度一定时，摩擦系数随预加载荷增大而增大；预加载荷一定时，摩擦系数随速度增大先减小后增大；预加载荷越大，摩擦系数受速度影响程度越小.
2022, 42(2): 314-325.
doi: 10.16078/j.tribology.2021012
摘要:
盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率，滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损，而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响，因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验，并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明：随着结构刚度的增大，压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用，摩擦副在滑动区接触时间增长，H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势，相应地，磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态，深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理，可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用，并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.
盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率，滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损，而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响，因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验，并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明：随着结构刚度的增大，压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用，摩擦副在滑动区接触时间增长，H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势，相应地，磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态，深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理，可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用，并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.
2022, 42(2): 326-337.
doi: 10.16078/j.tribology.2021032
摘要:
为探索碳纤维束-圆辊的接触机制，本文中采用自制摩擦模拟试验装置，结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌，研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律. 结果表明：碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度是影响接触面积的关键因素，当接触角度从60°增加到170°时，纤维束取向度逐渐减小，碳纤维束-圆辊接触面积也逐渐减小，且接触角度为60°时的接触面积是170°时的22倍；当预加张力从0.19 N增加到1.47 N时，纤维束取向度逐渐增大，碳纤维束-圆辊接触面积逐渐增大，且预加张力为1.47 N时的接触面积是0.19 N时的2倍. 在Hertz接触理论的基础上，考虑纤维束取向度建立碳纤维束-圆辊接触面积的理论预测模型，通过试验数据验证了该模型能够准确预测碳纤维束-圆辊的接触面积.
为探索碳纤维束-圆辊的接触机制，本文中采用自制摩擦模拟试验装置，结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌，研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律. 结果表明：碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度是影响接触面积的关键因素，当接触角度从60°增加到170°时，纤维束取向度逐渐减小，碳纤维束-圆辊接触面积也逐渐减小，且接触角度为60°时的接触面积是170°时的22倍；当预加张力从0.19 N增加到1.47 N时，纤维束取向度逐渐增大，碳纤维束-圆辊接触面积逐渐增大，且预加张力为1.47 N时的接触面积是0.19 N时的2倍. 在Hertz接触理论的基础上，考虑纤维束取向度建立碳纤维束-圆辊接触面积的理论预测模型，通过试验数据验证了该模型能够准确预测碳纤维束-圆辊的接触面积.
2022, 42(2): 338-346.
doi: 10.16078/j.tribology.2021044
摘要:
利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成，对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程，分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度，揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明：相较于纯铝，BAMC的纳米硬度提高了约24%，总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%，黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之，复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化，进而增强了应变硬化，使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升，并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理，可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响，并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.
利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成，对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程，分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度，揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明：相较于纯铝，BAMC的纳米硬度提高了约24%，总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%，黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之，复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化，进而增强了应变硬化，使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升，并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理，可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响，并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.
2022, 42(2): 347-357.
doi: 10.16078/j.tribology.2020264
摘要:
针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应，在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程，建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程，研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明：数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变，侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律，高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.
针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应，在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程，建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程，研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明：数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变，侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律，高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.
2022, 42(2): 358-365.
doi: 10.16078/j.tribology.2020274
摘要:
研究了一种微量第二润滑介质辅助的增强水润滑方案. 在水润滑环境下，测量了丁腈橡胶块-不锈钢环接触入口区短时(10 s)注入微量乳化油(100 μL)时的摩擦力特性. 结果表明：在试验工况下短时注入微量乳化油降低了橡胶块磨损. 低速时，摩擦副处于混合润滑状态，短时注入的乳化油减摩效果明显；速度升高时，短时注入的乳化油使轴承特性系数增加，会引起摩擦力增加. 此外，在水环境下利用线接触光干涉技术揭示了乳化油以离水展着的方式形成承载润滑膜. 研究工作为应对短时恶劣工况下的水润滑失效提供新的思路，为水环境下微量乳化油的辅助润滑调控提供数据支持.
研究了一种微量第二润滑介质辅助的增强水润滑方案. 在水润滑环境下，测量了丁腈橡胶块-不锈钢环接触入口区短时(10 s)注入微量乳化油(100 μL)时的摩擦力特性. 结果表明：在试验工况下短时注入微量乳化油降低了橡胶块磨损. 低速时，摩擦副处于混合润滑状态，短时注入的乳化油减摩效果明显；速度升高时，短时注入的乳化油使轴承特性系数增加，会引起摩擦力增加. 此外，在水环境下利用线接触光干涉技术揭示了乳化油以离水展着的方式形成承载润滑膜. 研究工作为应对短时恶劣工况下的水润滑失效提供新的思路，为水环境下微量乳化油的辅助润滑调控提供数据支持.
2022, 42(2): 366-377.
doi: 10.16078/j.tribology.2020131
摘要:
本文中报道了一类制备方法简单且成本较低的双组份超分子凝胶，其具有良好的减摩抗磨性能. 双组份凝胶的两种凝胶因子选择的是对甲苯酚(p-cresol)和琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)，它们在基础油中共同作用形成凝胶，将该双组份凝胶因子简称为p-cresol-AOT. 该双组份凝胶因子具有很强的自组装能力，可以凝胶化多种润滑油，包括矿物润滑油、合成润滑油和全配方商品润滑油等. 本文中通过氢谱核磁共振、红外光谱和RS6000旋转流变仪对凝胶的自组装机理和流变学进行研究，结果显示凝胶因子通过分子间非共价键作用发生超分子自组装. 采用微动摩擦磨损试验机(SRV-IV)对超分子凝胶润滑剂进行摩擦学评价，结果显示，p-cresol-AOT在不同的基础润滑油中形成的凝胶均能提高该基础油的耐极压，减摩和抗磨性能. 该凝胶润滑剂之所以具备良好的润滑性能主要归结于凝胶因子起到了润滑添加剂的作用，在摩擦过程中形成有效的边界保护膜从而减少了摩擦副的直接接触，起到了良好的润滑保护作用.
本文中报道了一类制备方法简单且成本较低的双组份超分子凝胶，其具有良好的减摩抗磨性能. 双组份凝胶的两种凝胶因子选择的是对甲苯酚(p-cresol)和琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)，它们在基础油中共同作用形成凝胶，将该双组份凝胶因子简称为p-cresol-AOT. 该双组份凝胶因子具有很强的自组装能力，可以凝胶化多种润滑油，包括矿物润滑油、合成润滑油和全配方商品润滑油等. 本文中通过氢谱核磁共振、红外光谱和RS6000旋转流变仪对凝胶的自组装机理和流变学进行研究，结果显示凝胶因子通过分子间非共价键作用发生超分子自组装. 采用微动摩擦磨损试验机(SRV-IV)对超分子凝胶润滑剂进行摩擦学评价，结果显示，p-cresol-AOT在不同的基础润滑油中形成的凝胶均能提高该基础油的耐极压，减摩和抗磨性能. 该凝胶润滑剂之所以具备良好的润滑性能主要归结于凝胶因子起到了润滑添加剂的作用，在摩擦过程中形成有效的边界保护膜从而减少了摩擦副的直接接触，起到了良好的润滑保护作用.
2022, 42(2): 378-385.
doi: 10.16078/j.tribology.2020232
摘要:
随着人们环保意识的逐渐增强，对可能存在污染或破坏环境且造成资源浪费的生产活动以及设备的更新升级提出了新的更高的要求. 对于介质润滑领域，尤其是应用广泛且节能环保的水润滑领域，相比传统的润滑油，水作为润滑剂除了安全性高和具有冷却作用外，最大特点就是绿色环保、节约资源且成本低廉. 但是，纯水本身具有一些不足之处，比如黏度低、耐极压能力差、承载和润滑性能差等，导致纯水不适合直接作为润滑剂，这在很大程度上限制了涉及水润滑相关产业的发展. 基于此，在本文中以柠檬酸和尿素为原料，采用一步水热法合成了羽状氮化碳材料. 此方法的特点在于可将氮化碳原位分散于水中，制成水基润滑剂，既实现了溶质的均匀分散和有效抑制团聚，同时可以制备微米级分布的水溶性氮化碳材料. 将其作为水润滑剂，利用环-块摩擦磨损试验机，以逐滴滴加的方式考察了不同质量分数羽状氮化碳对环氧树脂-不锈钢配副在苛刻边界润滑条件下的摩擦学性能. 材料的微观形貌表征结果表明：体相氮化碳在水热条件下直接发生了层间剥离，生成了层间结构蓬松的羽状结构材料. 由于水热条件下的高温和高压环境，导致其层间结合强度显著降低. 同时，蓬松的层间结构有利于氮化碳材料在摩擦过程中向界面转移，在界面形成薄而连续的转移膜. 界面转移物质的拉曼分析结果表明：相较于单纯去离子水，以羽状氮化碳为水润滑剂时，金属对偶表面转移的含碳物质的有序化程度显著提高，而且有序化程度随着水润滑剂中氮化碳含量的增加而逐步提高，间接表明氮化碳材料在界面形成了结构有序的转移膜. 而且氮化碳基转移膜的承载能力和润滑性能俱佳，它可有效保护环氧树脂(EP)-不锈钢配副，避免单纯去离子水润滑时因其承载和润滑性能差导致EP严重磨损的发生. 纯去离子水作为润滑剂时，配副的摩擦系数和EP磨损量分别为0.56和2.92×10−4 mm3/(N·m). 而逐滴添加质量分数20%的羽状氮化碳水润滑剂，上述配副的摩擦系数和EP磨损量分别下降了71.4%和78.1%. 原位水基羽状氮化碳作为一种新型绿色环保水润滑剂，在聚合物-金属配副的润滑设计和使用寿命延长方面具有一定的研究价值和应用潜力.
随着人们环保意识的逐渐增强，对可能存在污染或破坏环境且造成资源浪费的生产活动以及设备的更新升级提出了新的更高的要求. 对于介质润滑领域，尤其是应用广泛且节能环保的水润滑领域，相比传统的润滑油，水作为润滑剂除了安全性高和具有冷却作用外，最大特点就是绿色环保、节约资源且成本低廉. 但是，纯水本身具有一些不足之处，比如黏度低、耐极压能力差、承载和润滑性能差等，导致纯水不适合直接作为润滑剂，这在很大程度上限制了涉及水润滑相关产业的发展. 基于此，在本文中以柠檬酸和尿素为原料，采用一步水热法合成了羽状氮化碳材料. 此方法的特点在于可将氮化碳原位分散于水中，制成水基润滑剂，既实现了溶质的均匀分散和有效抑制团聚，同时可以制备微米级分布的水溶性氮化碳材料. 将其作为水润滑剂，利用环-块摩擦磨损试验机，以逐滴滴加的方式考察了不同质量分数羽状氮化碳对环氧树脂-不锈钢配副在苛刻边界润滑条件下的摩擦学性能. 材料的微观形貌表征结果表明：体相氮化碳在水热条件下直接发生了层间剥离，生成了层间结构蓬松的羽状结构材料. 由于水热条件下的高温和高压环境，导致其层间结合强度显著降低. 同时，蓬松的层间结构有利于氮化碳材料在摩擦过程中向界面转移，在界面形成薄而连续的转移膜. 界面转移物质的拉曼分析结果表明：相较于单纯去离子水，以羽状氮化碳为水润滑剂时，金属对偶表面转移的含碳物质的有序化程度显著提高，而且有序化程度随着水润滑剂中氮化碳含量的增加而逐步提高，间接表明氮化碳材料在界面形成了结构有序的转移膜. 而且氮化碳基转移膜的承载能力和润滑性能俱佳，它可有效保护环氧树脂(EP)-不锈钢配副，避免单纯去离子水润滑时因其承载和润滑性能差导致EP严重磨损的发生. 纯去离子水作为润滑剂时，配副的摩擦系数和EP磨损量分别为0.56和2.92×10−4 mm3/(N·m). 而逐滴添加质量分数20%的羽状氮化碳水润滑剂，上述配副的摩擦系数和EP磨损量分别下降了71.4%和78.1%. 原位水基羽状氮化碳作为一种新型绿色环保水润滑剂，在聚合物-金属配副的润滑设计和使用寿命延长方面具有一定的研究价值和应用潜力.
2022, 42(2): 386-395.
doi: 10.16078/j.tribology.2021057
摘要:
结合颗粒物质力学理论，通过离散元法实现铁粉末压制过程模拟并通过压制方程进行验证，针对粉末体系中的力链演化问题，提出力链特征定量分析方式，进一步通过分析不同颗粒间摩擦系数、侧壁摩擦系数与颗粒运动状态转变的方式，探讨摩擦特性对力链量化特征的影响，从而建立摩擦行为与力链演化间的联系. 研究结果表明：随颗粒间摩擦系数增大，整体力链数目变少，力链方向系数、承载不均匀度及单位屈曲度均变大，而随侧壁摩擦系数增大，力链特征差异较小，则颗粒间摩擦系数较侧壁摩擦系数对力链特征演化具有更显著影响. 同时发现，颗粒接触状态的改变与力链特征演化间具有对应性. 研究成果将进一步拓展粉末压制中考虑摩擦行为及力链演化过程在内的粉体致密化行为理论.
结合颗粒物质力学理论，通过离散元法实现铁粉末压制过程模拟并通过压制方程进行验证，针对粉末体系中的力链演化问题，提出力链特征定量分析方式，进一步通过分析不同颗粒间摩擦系数、侧壁摩擦系数与颗粒运动状态转变的方式，探讨摩擦特性对力链量化特征的影响，从而建立摩擦行为与力链演化间的联系. 研究结果表明：随颗粒间摩擦系数增大，整体力链数目变少，力链方向系数、承载不均匀度及单位屈曲度均变大，而随侧壁摩擦系数增大，力链特征差异较小，则颗粒间摩擦系数较侧壁摩擦系数对力链特征演化具有更显著影响. 同时发现，颗粒接触状态的改变与力链特征演化间具有对应性. 研究成果将进一步拓展粉末压制中考虑摩擦行为及力链演化过程在内的粉体致密化行为理论.
2022, 42(2): 396-407.
doi: 10.16078/j.tribology.2021019
摘要:
分别以铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元，采用放电等离子烧结技术制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料. 在对两种材料进行微观组织、力学及物理性能检测和对比之后，利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台测试了不同条件下两者的制动摩擦磨损性能，并通过对试验后两种材料的摩擦表面及其三维形貌特征、表面及近表层主要元素分布特点、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析，研究了石墨表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响，并结合热力学相关理论解释了引起两种材料制动摩擦学行为差异的原因. 结果表明：石墨表面经铜包覆处理后，会使烧结时石墨与Cu基体间的界面结合得到明显改善，且材料的硬度、致密度和导热系数也可显著提高. 随着制动速度的提高，两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低；在相同的制动条件下，采用铜包覆石墨作润滑剂时，材料的平均摩擦系数和磨损率均较低，同时材料摩擦表面的几何质量较好. 提高制动速度均能够促进两种材料表面形成摩擦膜，但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时，材料表面摩擦膜的形成机制存在明显差异. 采用铜包覆石墨时，材料表面主要形成氧化膜，而采用普通石墨时，由于材料表面存在的较多石墨对氧化反应具有较强的抑制作用，而使得此时表面主要形成石墨膜，且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.
分别以铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元，采用放电等离子烧结技术制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料. 在对两种材料进行微观组织、力学及物理性能检测和对比之后，利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台测试了不同条件下两者的制动摩擦磨损性能，并通过对试验后两种材料的摩擦表面及其三维形貌特征、表面及近表层主要元素分布特点、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析，研究了石墨表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响，并结合热力学相关理论解释了引起两种材料制动摩擦学行为差异的原因. 结果表明：石墨表面经铜包覆处理后，会使烧结时石墨与Cu基体间的界面结合得到明显改善，且材料的硬度、致密度和导热系数也可显著提高. 随着制动速度的提高，两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低；在相同的制动条件下，采用铜包覆石墨作润滑剂时，材料的平均摩擦系数和磨损率均较低，同时材料摩擦表面的几何质量较好. 提高制动速度均能够促进两种材料表面形成摩擦膜，但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时，材料表面摩擦膜的形成机制存在明显差异. 采用铜包覆石墨时，材料表面主要形成氧化膜，而采用普通石墨时，由于材料表面存在的较多石墨对氧化反应具有较强的抑制作用，而使得此时表面主要形成石墨膜，且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.
2022, 42(2): 408-425.
doi: 10.16078/j.tribology.2021094
摘要:
传统的油基润滑剂在使用过程中通常存在冷却性能差，易造成环境污染等问题，近年来绿色环保的水基润滑逐渐受到科学家们的关注. 水由于自身黏度低且易挥发等特点，其作为润滑剂时润滑效果不佳，因此亟待发展高效的水基润滑添加剂来改善其摩擦磨损性能. 在本文中，作者综述了近年来石墨烯基纳米材料的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的最新研究进展，总结了其在摩擦过程中的润滑机理，并对目前石墨烯水基润滑添加剂存在的问题及今后重点研究内容进行了展望.
传统的油基润滑剂在使用过程中通常存在冷却性能差，易造成环境污染等问题，近年来绿色环保的水基润滑逐渐受到科学家们的关注. 水由于自身黏度低且易挥发等特点，其作为润滑剂时润滑效果不佳，因此亟待发展高效的水基润滑添加剂来改善其摩擦磨损性能. 在本文中，作者综述了近年来石墨烯基纳米材料的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的最新研究进展，总结了其在摩擦过程中的润滑机理，并对目前石墨烯水基润滑添加剂存在的问题及今后重点研究内容进行了展望.
2022, 42(2): 426-445.
doi: 10.16078/j.tribology.2021025
摘要:
铁谱法是用于装备故障诊断的1种重要方法，其中铁谱法的重点是铁谱图像的分析，即磨损磨粒分析. 卷积神经网络是当下最流行的深度学习算法之一，其广泛应用于图像识别领域，使得图像识别领域得到突破. 随着卷积神经网络的快速发展，磨损颗粒在智能识别方面的技术取得了重大的突破. 本文中首先简述了卷积神经网络与磨粒智能识别的发展历史，针对基于卷积神经网络的磨粒识别方法进行了从图像数据集处理到模型优化技术方面的介绍，并详细说明了这些技术在磨粒识别中的具体应用实例. 然后从现有网络和自设计网络两方面分类，整理了近年来卷积神经网络应用于磨粒智能识别的代表性文献，综述了这些工作所提出的模型结构和特点，分析并阐述了各个模型主要的识别原理，各个网络结构存在的优缺点，以及它们的数据采用情况等，并对未来磨粒智能识别的主要研究方向进行了展望. 最后肯定了卷积神经网络方法在磨粒智能识别方面的重要性，同时指出了基于此方法的磨粒识别模型的缺点，并提出了应紧跟图像识别领域的最新技术以促进磨粒智能识别水平提高等建议，对磨粒智能识别的发展具有一定的意义.
铁谱法是用于装备故障诊断的1种重要方法，其中铁谱法的重点是铁谱图像的分析，即磨损磨粒分析. 卷积神经网络是当下最流行的深度学习算法之一，其广泛应用于图像识别领域，使得图像识别领域得到突破. 随着卷积神经网络的快速发展，磨损颗粒在智能识别方面的技术取得了重大的突破. 本文中首先简述了卷积神经网络与磨粒智能识别的发展历史，针对基于卷积神经网络的磨粒识别方法进行了从图像数据集处理到模型优化技术方面的介绍，并详细说明了这些技术在磨粒识别中的具体应用实例. 然后从现有网络和自设计网络两方面分类，整理了近年来卷积神经网络应用于磨粒智能识别的代表性文献，综述了这些工作所提出的模型结构和特点，分析并阐述了各个模型主要的识别原理，各个网络结构存在的优缺点，以及它们的数据采用情况等，并对未来磨粒智能识别的主要研究方向进行了展望. 最后肯定了卷积神经网络方法在磨粒智能识别方面的重要性，同时指出了基于此方法的磨粒识别模型的缺点，并提出了应紧跟图像识别领域的最新技术以促进磨粒智能识别水平提高等建议，对磨粒智能识别的发展具有一定的意义.
2022, 42(2): 446-460.
doi: 10.16078/j.tribology.2020242
摘要:
实现黏附可控是解决微/纳机械产品黏附失效问题和发展先进黏附材料及新型微操作/微装配技术等的有效途径. 基于该研究背景，针对干燥不带电系统，对近年来发展的几类黏附调控方法进行了综述，从表面改形、材料改性及外场控制三方面介绍了织构、涂层/薄膜和复合材料、速度、温度、外力和磁场在黏附调控方面的研究进展，分析和总结了各类方法的黏附调控机理、关键影响因素和特点，并指出了应用领域，介绍了多手段复合调控黏附方法的最新研究成果. 最后，探讨了当前黏附调控方面存在的问题和未来可能的发展方向.
实现黏附可控是解决微/纳机械产品黏附失效问题和发展先进黏附材料及新型微操作/微装配技术等的有效途径. 基于该研究背景，针对干燥不带电系统，对近年来发展的几类黏附调控方法进行了综述，从表面改形、材料改性及外场控制三方面介绍了织构、涂层/薄膜和复合材料、速度、温度、外力和磁场在黏附调控方面的研究进展，分析和总结了各类方法的黏附调控机理、关键影响因素和特点，并指出了应用领域，介绍了多手段复合调控黏附方法的最新研究成果. 最后，探讨了当前黏附调控方面存在的问题和未来可能的发展方向.
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