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doi: 10.16078/j.tribology.2022092
摘要:
高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗，是列车服役过程中常见的车轮失效现象，其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性. 制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件，其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响. 为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为，建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型，并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性. 然后，提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法，能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为. 基于此，研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律. 结果表明：车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈. 此外，系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大. 因此，车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响. 该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.
高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗，是列车服役过程中常见的车轮失效现象，其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性. 制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件，其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响. 为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为，建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型，并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性. 然后，提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法，能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为. 基于此，研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律. 结果表明：车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈. 此外，系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大. 因此，车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响. 该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.
2022, 42(5): 863-873.
doi: 10.16078/j.tribology.2021181
摘要:
随着纳米技术的发展，微机电系统被广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器. 单晶硅广泛应用于微机电系统，考虑微重力环境空间机构无规则碰撞的运动特性，建立刚性金刚石压头与弹性硅基体之间碰撞滑动接触的分子动力学模型，对比研究压头不同振动频率和振幅对平均摩擦力的影响. 结果表明：压头振动频率低于基体固有频率时，平均摩擦力无明显变化，而高于固有频率时，平均摩擦力随振动频率增大呈现先减小后不变的趋势；振幅的增大导致压头和基体的碰撞更加剧烈，剧烈的碰撞导致基体表面更多原子晶格结构破坏，失效原子数增多，降低了平均摩擦力；在基体表面引入纹理，发现纹理表面能够有效降低平均摩擦力.
随着纳米技术的发展，微机电系统被广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器. 单晶硅广泛应用于微机电系统，考虑微重力环境空间机构无规则碰撞的运动特性，建立刚性金刚石压头与弹性硅基体之间碰撞滑动接触的分子动力学模型，对比研究压头不同振动频率和振幅对平均摩擦力的影响. 结果表明：压头振动频率低于基体固有频率时，平均摩擦力无明显变化，而高于固有频率时，平均摩擦力随振动频率增大呈现先减小后不变的趋势；振幅的增大导致压头和基体的碰撞更加剧烈，剧烈的碰撞导致基体表面更多原子晶格结构破坏，失效原子数增多，降低了平均摩擦力；在基体表面引入纹理，发现纹理表面能够有效降低平均摩擦力.
2022, 42(5): 874-887.
doi: 10.16078/j.tribology.2021172
摘要:
预制体是复合材料的增强骨架，由成千上万根纤维束织造而成. 预制体中的纤维束由于织造过程中的交织运动会发生不同程度的摩擦损伤，而纤维的磨损会导致预制体力学性能损失率高达9%~12%. 因此，揭示纤维束在织造过程中的摩擦磨损机理对提升预制体力学性能具有重要意义. 本文中综述了近年来有关纤维束摩擦行为的研究进展：首先，概述纤维束-金属和纤维束-纤维束摩擦测试方法的优缺点；其次，分析得出摩擦角度、摩擦频率、预加张力和法向载荷对纤维束摩擦性能的影响机制；最后，总结纤维束摩擦磨损行为的理论分析模型. 本综述中对复合材料预制体成形工艺设计和纤维束摩擦损伤的量化分析具有指导意义.
预制体是复合材料的增强骨架，由成千上万根纤维束织造而成. 预制体中的纤维束由于织造过程中的交织运动会发生不同程度的摩擦损伤，而纤维的磨损会导致预制体力学性能损失率高达9%~12%. 因此，揭示纤维束在织造过程中的摩擦磨损机理对提升预制体力学性能具有重要意义. 本文中综述了近年来有关纤维束摩擦行为的研究进展：首先，概述纤维束-金属和纤维束-纤维束摩擦测试方法的优缺点；其次，分析得出摩擦角度、摩擦频率、预加张力和法向载荷对纤维束摩擦性能的影响机制；最后，总结纤维束摩擦磨损行为的理论分析模型. 本综述中对复合材料预制体成形工艺设计和纤维束摩擦损伤的量化分析具有指导意义.
2022, 42(5): 888-899.
doi: 10.16078/j.tribology.2021095
摘要:
以氯化钠(NaCl)作为致孔剂与流变性能调节剂，碳纤维(CF)作为增强填料与流变性能调节剂，苯乙炔基封端聚酰胺酸溶液(PAA)作为基体树脂，配制适用于直书写3D打印的复合墨水，室温下打印成形后经热固化处理和NaCl刻蚀去除后制备了多孔热固性聚酰亚胺/碳纤维(TSPI/CF)复合材料. 研究表明：NaCl与CF对复合墨水的流变学性能具有好的调节作用；打印制备的TSPI/CF复合材料具有低的各向同性尺寸收缩和优异的耐热性能，且耐热性能随着CF含量的增加而提高；CF含量升高，TSPI/CF复合材料的孔隙率提高，平均孔径降低，力学性能增强；多孔TSPI/CF复合材料表现出优异的储油、出油性能以及浸油摩擦学性能.
以氯化钠(NaCl)作为致孔剂与流变性能调节剂，碳纤维(CF)作为增强填料与流变性能调节剂，苯乙炔基封端聚酰胺酸溶液(PAA)作为基体树脂，配制适用于直书写3D打印的复合墨水，室温下打印成形后经热固化处理和NaCl刻蚀去除后制备了多孔热固性聚酰亚胺/碳纤维(TSPI/CF)复合材料. 研究表明：NaCl与CF对复合墨水的流变学性能具有好的调节作用；打印制备的TSPI/CF复合材料具有低的各向同性尺寸收缩和优异的耐热性能，且耐热性能随着CF含量的增加而提高；CF含量升高，TSPI/CF复合材料的孔隙率提高，平均孔径降低，力学性能增强；多孔TSPI/CF复合材料表现出优异的储油、出油性能以及浸油摩擦学性能.
2022, 42(5): 900-912.
doi: 10.16078/j.tribology.2021097
摘要:
在自行研制的制动缩比试验台上，对中心孔填充不同材料的高速列车制动闸片摩擦粒子进行拖曳制动试验，并采用有限元分析方法进行制动系统复特征值和接触应力分析，探讨填充不同材料对磨损特性、振动噪声和热分布的影响. 结果表明：原始摩擦粒子中心孔填充材料后，对制动系统的摩擦系数和模态耦合特性未产生显著影响，但对界面磨损行为和系统振动噪声特性产生明显影响. 填充粉末冶金后排屑行为下降，磨损行为更为复杂，制动系统产生的噪声增大；而填充紫铜、石墨和铸铁后的制动噪声均有所降低，尤其填充铸铁后表面磨损相对均匀，其摩擦学性能相较于其他粒子得到一定的改善. 填充材料产生的磨屑及相应的界面磨损行为是影响制动摩擦振动噪声和表面热分布的关键因素，填充合理的材料有助于降低制动噪声和改善制动界面磨损行为及表面热分布.
在自行研制的制动缩比试验台上，对中心孔填充不同材料的高速列车制动闸片摩擦粒子进行拖曳制动试验，并采用有限元分析方法进行制动系统复特征值和接触应力分析，探讨填充不同材料对磨损特性、振动噪声和热分布的影响. 结果表明：原始摩擦粒子中心孔填充材料后，对制动系统的摩擦系数和模态耦合特性未产生显著影响，但对界面磨损行为和系统振动噪声特性产生明显影响. 填充粉末冶金后排屑行为下降，磨损行为更为复杂，制动系统产生的噪声增大；而填充紫铜、石墨和铸铁后的制动噪声均有所降低，尤其填充铸铁后表面磨损相对均匀，其摩擦学性能相较于其他粒子得到一定的改善. 填充材料产生的磨屑及相应的界面磨损行为是影响制动摩擦振动噪声和表面热分布的关键因素，填充合理的材料有助于降低制动噪声和改善制动界面磨损行为及表面热分布.
2022, 42(5): 913-924.
doi: 10.16078/j.tribology.2021125
摘要:
随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升，配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境，尤其是界面微观接触区的摩擦学特性，在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下，界面摩擦及闪温迅速突变，带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型，考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用，采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析，揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律，为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.
随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升，配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境，尤其是界面微观接触区的摩擦学特性，在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下，界面摩擦及闪温迅速突变，带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型，考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用，采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析，揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律，为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.
2022, 42(5): 925-934.
doi: 10.16078/j.tribology.2021153
摘要:
针对MoS2在潮湿环境易氧化和润滑失效的问题，从增强离子键强度的角度探索改善其抗氧化以及润滑湿度适应性. 选择了离子键更强的NbSe2进行对比，采用磁控溅射法分别制备了NbSe2和MoS2薄膜，研究了两种薄膜在不同湿度下的摩擦学性能，对比其在摩擦稳定阶段的结构和化学组成，探讨了NbSe2在大气高湿度环境下的优势与作用机理. 结果表明：NbSe2薄膜在大气环境下的摩擦表现出更佳的湿度适应性，在20% RH、35% RH和55% RH下摩擦系数稳定在0.08左右，直到75% RH下摩擦系数才开始增大，而MoS2薄膜在35% RH下面临润滑性能快速失效的问题，进一步结合XPS和XRD等表征结果发现：相较于MoS2，NbSe2在大气摩擦条件下更难氧化，其层层滑移状态能较好维持，能保持长时间的润滑性能，这为大气高湿度服役润滑材料的改进提供了新的思路.
针对MoS2在潮湿环境易氧化和润滑失效的问题，从增强离子键强度的角度探索改善其抗氧化以及润滑湿度适应性. 选择了离子键更强的NbSe2进行对比，采用磁控溅射法分别制备了NbSe2和MoS2薄膜，研究了两种薄膜在不同湿度下的摩擦学性能，对比其在摩擦稳定阶段的结构和化学组成，探讨了NbSe2在大气高湿度环境下的优势与作用机理. 结果表明：NbSe2薄膜在大气环境下的摩擦表现出更佳的湿度适应性，在20% RH、35% RH和55% RH下摩擦系数稳定在0.08左右，直到75% RH下摩擦系数才开始增大，而MoS2薄膜在35% RH下面临润滑性能快速失效的问题，进一步结合XPS和XRD等表征结果发现：相较于MoS2，NbSe2在大气摩擦条件下更难氧化，其层层滑移状态能较好维持，能保持长时间的润滑性能，这为大气高湿度服役润滑材料的改进提供了新的思路.
2022, 42(5): 935-944.
doi: 10.16078/j.tribology.2021118
摘要:
通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为，分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明：施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内，车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%，轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低；施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果，摩擦系数降低至0.1以下，磨损率降低85%以上，但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”，导致严重的滚动接触疲劳损伤，而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.
通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为，分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明：施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内，车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%，轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低；施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果，摩擦系数降低至0.1以下，磨损率降低85%以上，但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”，导致严重的滚动接触疲劳损伤，而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.
2022, 42(5): 945-953.
doi: 10.16078/j.tribology.2021092
摘要:
利用激光激发荧光技术对球-盘弹流接触区附近以及自由表面上的润滑油分布进行了试验观察，探究了离心力作用下接触区附近以及自由表面上润滑油分布的变化规律. 结果表明：随着速度增大，内外两侧油池及自由表面上的油量分布均有所减少，其中外侧油池及自由表面上外侧油带的变化较明显；在一定工况条件下，外侧油池的大小存在极限，因此速度较大时外侧油池宽度对供油量变化不显著，而该极限由离心力作用和毛细力作用共同决定；在离心力作用下，自由表面上的油带有向外侧铺展的趋势，而接触区周围的油池分布对自由表面上的油带分布起决定作用.
利用激光激发荧光技术对球-盘弹流接触区附近以及自由表面上的润滑油分布进行了试验观察，探究了离心力作用下接触区附近以及自由表面上润滑油分布的变化规律. 结果表明：随着速度增大，内外两侧油池及自由表面上的油量分布均有所减少，其中外侧油池及自由表面上外侧油带的变化较明显；在一定工况条件下，外侧油池的大小存在极限，因此速度较大时外侧油池宽度对供油量变化不显著，而该极限由离心力作用和毛细力作用共同决定；在离心力作用下，自由表面上的油带有向外侧铺展的趋势，而接触区周围的油池分布对自由表面上的油带分布起决定作用.
2022, 42(5): 954-965.
doi: 10.16078/j.tribology.2021135
摘要:
核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳，导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂，从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律，开展690合金管管材的微动疲劳试验，获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线，并与相关研究数据进行对比分析，以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测，分析磨损表面的损伤机理；对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征，分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损；690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源，裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展，最终导致断裂；其断裂形式为解理疲劳断裂.
核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳，导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂，从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律，开展690合金管管材的微动疲劳试验，获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线，并与相关研究数据进行对比分析，以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测，分析磨损表面的损伤机理；对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征，分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损；690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源，裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展，最终导致断裂；其断裂形式为解理疲劳断裂.
2022, 42(5): 966-977.
doi: 10.16078/j.tribology.2021101
摘要:
采用激光熔覆技术成功制备了CoCrFeNiNbx (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层，研究了Nb元素对高熵合金涂层微观组织和显微硬度的影响，分析了CoCrFeNiNb0.75涂层在25~800 ℃的摩擦磨损性能和机制. 结果表明：CoCrFeNiNbx高熵合金涂层主要由FCC (面心立方)相与具有HCP晶格结构的Laves相组成. 随着Nb摩尔含量的增加，CoCrFeNiNbx的微观组织由单一的胞状晶FCC固溶体相(x=0)向亚共晶组织(x=0.25)、共晶组织(x=0.5)和过共晶组织(x=0.75，1.0)逐步发生演变. CoCrFeNiNb0.75涂层具有最高的平均硬度(574 HV)，表明适量的Nb元素的掺杂能有效提高涂层的显微硬度，这是固溶强化、第二相强化以及层片共晶组织中产生的大量新界面阻碍位错运动的边界强化相互作用的结果. CoCrFeNiNb0.75涂层在室温下的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损，而在400和800 ℃下均为氧化磨损. 在800 ℃时，磨损表面形成了致密的氧化物釉质层，起到了良好的减摩抗磨作用，使高熵合金在高温环境下表现出了优异的摩擦磨损性能.
采用激光熔覆技术成功制备了CoCrFeNiNbx (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层，研究了Nb元素对高熵合金涂层微观组织和显微硬度的影响，分析了CoCrFeNiNb0.75涂层在25~800 ℃的摩擦磨损性能和机制. 结果表明：CoCrFeNiNbx高熵合金涂层主要由FCC (面心立方)相与具有HCP晶格结构的Laves相组成. 随着Nb摩尔含量的增加，CoCrFeNiNbx的微观组织由单一的胞状晶FCC固溶体相(x=0)向亚共晶组织(x=0.25)、共晶组织(x=0.5)和过共晶组织(x=0.75，1.0)逐步发生演变. CoCrFeNiNb0.75涂层具有最高的平均硬度(574 HV)，表明适量的Nb元素的掺杂能有效提高涂层的显微硬度，这是固溶强化、第二相强化以及层片共晶组织中产生的大量新界面阻碍位错运动的边界强化相互作用的结果. CoCrFeNiNb0.75涂层在室温下的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损，而在400和800 ℃下均为氧化磨损. 在800 ℃时，磨损表面形成了致密的氧化物釉质层，起到了良好的减摩抗磨作用，使高熵合金在高温环境下表现出了优异的摩擦磨损性能.
2022, 42(5): 978-989.
doi: 10.16078/j.tribology.2021128
摘要:
采用阴极弧等离子沉积技术在高速钢(HSS)和硬质合金钢(WC-Co)基体上制备TiN涂层，利用往复摩擦磨损试验机、轮廓仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析了不同法向载荷下TiN涂层的摩擦磨损特性和失效过程，建立了涂层磨损寿命图. 研究结果表明：TiN涂层/HSS试样摩擦系数随循环次数增加呈上升趋势；TiN涂层/WC-Co试样在30 N法向载荷下的摩擦系数随循环次数呈上升趋势，在60~120 N法向载荷下摩擦系数波动较大. 涂层试样的磨损深度随法向载荷与循环次数的增加而增加. TiN涂层/HSS试样在30 N法向载荷的主要失效形式是磨粒磨损、轻微黏着磨损和氧化磨损，在60~120 N法向载荷的主要失效形式是涂层断裂、磨粒磨损和剥层磨损. TiN涂层/WC-Co试样在30~50 N法向载荷下的主要失效形式是磨粒磨损，在60~120 N法向载荷下的主要失效形式是严重剥层. TiN涂层的磨损寿命图可以分为两部分：涂层工作区和涂层失效区. 接触应力越大，涂层磨损寿命越短. 基体材料抵抗变形的能力越强，涂层磨损寿命越长. TiN涂层/HSS基体具有良好的抵抗法向载荷的能力和较长的磨损寿命.
采用阴极弧等离子沉积技术在高速钢(HSS)和硬质合金钢(WC-Co)基体上制备TiN涂层，利用往复摩擦磨损试验机、轮廓仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析了不同法向载荷下TiN涂层的摩擦磨损特性和失效过程，建立了涂层磨损寿命图. 研究结果表明：TiN涂层/HSS试样摩擦系数随循环次数增加呈上升趋势；TiN涂层/WC-Co试样在30 N法向载荷下的摩擦系数随循环次数呈上升趋势，在60~120 N法向载荷下摩擦系数波动较大. 涂层试样的磨损深度随法向载荷与循环次数的增加而增加. TiN涂层/HSS试样在30 N法向载荷的主要失效形式是磨粒磨损、轻微黏着磨损和氧化磨损，在60~120 N法向载荷的主要失效形式是涂层断裂、磨粒磨损和剥层磨损. TiN涂层/WC-Co试样在30~50 N法向载荷下的主要失效形式是磨粒磨损，在60~120 N法向载荷下的主要失效形式是严重剥层. TiN涂层的磨损寿命图可以分为两部分：涂层工作区和涂层失效区. 接触应力越大，涂层磨损寿命越短. 基体材料抵抗变形的能力越强，涂层磨损寿命越长. TiN涂层/HSS基体具有良好的抵抗法向载荷的能力和较长的磨损寿命.
2022, 42(5): 990-1000.
doi: 10.16078/j.tribology.2021197
摘要:
以钛酸四丁酯为前驱体，凹凸棒石(ATP)为载体，分别采用溶胶凝胶法和蒸汽法制备了两种不同形貌的凹凸棒石-二氧化钛(ATP-TiO2)杂化材料，并以质量分数为5%的含量填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE). 通过对比相同微动摩擦条件下超高分子量聚乙烯、凹凸棒石及凹凸棒石-二氧化钛杂化填料填充超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦学性能，探究了凹凸棒石-二氧化钛杂化材料微观形貌影响复合材料微动磨损性能的机理. 结果表明：杂化材料的耐热性能较凹凸棒石有显著提升；蒸汽法制备ATP-TiO2杂化材料的比表面积更大，在基体中分散更均匀，与基体的界面结合性更好，在摩擦过程中能够有效地承载，并促进转移膜的生成，其改性的复合材料表现出最低的摩擦系数和磨损率.
以钛酸四丁酯为前驱体，凹凸棒石(ATP)为载体，分别采用溶胶凝胶法和蒸汽法制备了两种不同形貌的凹凸棒石-二氧化钛(ATP-TiO2)杂化材料，并以质量分数为5%的含量填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE). 通过对比相同微动摩擦条件下超高分子量聚乙烯、凹凸棒石及凹凸棒石-二氧化钛杂化填料填充超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦学性能，探究了凹凸棒石-二氧化钛杂化材料微观形貌影响复合材料微动磨损性能的机理. 结果表明：杂化材料的耐热性能较凹凸棒石有显著提升；蒸汽法制备ATP-TiO2杂化材料的比表面积更大，在基体中分散更均匀，与基体的界面结合性更好，在摩擦过程中能够有效地承载，并促进转移膜的生成，其改性的复合材料表现出最低的摩擦系数和磨损率.
2022, 42(5): 1001-1011.
doi: 10.16078/j.tribology.2021200
摘要:
采用激光加工技术在空气介质与辅助液相(无水乙醇与双氧水体积比为50:1)下对YT15硬质合金表面进行了交叉扫描织构加工，制备出了两组织构试样. 借助Quanta 200扫描电子显微镜及能谱对织构硬质合金表面形貌与元素含量进行了测量，并用SDC-100接触角测量仪表征了润湿性，最后在MWF-500往复式摩擦磨损试验机上进行了干摩擦、润滑油及润滑油与MoS2颗粒润滑的摩擦和磨损对比试验. 研究结果表明：相比空气介质激光加工试样，液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀，无明显的氧化及熔融物重铸现象，表面接触角最小(55°)；三种工况下液相辅助激光加工表面织构的摩擦系数最小，磨损量有一定改善. 分析表明：辅助液体对激光加工表面起到了冷却及保护作用，固-液界面快速产生的气泡散射了激光光束，使激光光束的作用区域发生干涉，同时携带出加工熔融物. 因此，润滑介质更容易在界面间渗入及铺展，改善了界面摩擦学特性.
采用激光加工技术在空气介质与辅助液相(无水乙醇与双氧水体积比为50:1)下对YT15硬质合金表面进行了交叉扫描织构加工，制备出了两组织构试样. 借助Quanta 200扫描电子显微镜及能谱对织构硬质合金表面形貌与元素含量进行了测量，并用SDC-100接触角测量仪表征了润湿性，最后在MWF-500往复式摩擦磨损试验机上进行了干摩擦、润滑油及润滑油与MoS2颗粒润滑的摩擦和磨损对比试验. 研究结果表明：相比空气介质激光加工试样，液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀，无明显的氧化及熔融物重铸现象，表面接触角最小(55°)；三种工况下液相辅助激光加工表面织构的摩擦系数最小，磨损量有一定改善. 分析表明：辅助液体对激光加工表面起到了冷却及保护作用，固-液界面快速产生的气泡散射了激光光束，使激光光束的作用区域发生干涉，同时携带出加工熔融物. 因此，润滑介质更容易在界面间渗入及铺展，改善了界面摩擦学特性.
2022, 42(5): 1012-1023.
doi: 10.16078/j.tribology.2021194
摘要:
通过在微动循环一定周次后清除磨屑和制备表面织构储存磨屑，研究磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响. 结果表明：与以往认识不同，清除磨屑会导致摩擦系数和系统形变量随周次的变化曲线出现突降，最大降幅分别可达63%和41%，微动循环图也相应发生改变. 循环一定周次后，磨屑的产生和排出重新达到平衡，摩擦系数与系统形变量又恢复到清除磨屑之前的水平. 当在TC4钛合金表面制备垂直于微动方向的沟槽状表面织构后，大量的磨屑被沟槽束缚在接触区域，造成接触面之间磨屑较多，进而导致摩擦系数和系统形变量比无织构时更大，最大增幅分别可达21%和47%. 收集磨屑后用扫描电子显微镜观察，发现磨屑呈松散的颗粒状，尺寸集中在0.2~1.5 μm，并且多数呈现团聚状.
通过在微动循环一定周次后清除磨屑和制备表面织构储存磨屑，研究磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响. 结果表明：与以往认识不同，清除磨屑会导致摩擦系数和系统形变量随周次的变化曲线出现突降，最大降幅分别可达63%和41%，微动循环图也相应发生改变. 循环一定周次后，磨屑的产生和排出重新达到平衡，摩擦系数与系统形变量又恢复到清除磨屑之前的水平. 当在TC4钛合金表面制备垂直于微动方向的沟槽状表面织构后，大量的磨屑被沟槽束缚在接触区域，造成接触面之间磨屑较多，进而导致摩擦系数和系统形变量比无织构时更大，最大增幅分别可达21%和47%. 收集磨屑后用扫描电子显微镜观察，发现磨屑呈松散的颗粒状，尺寸集中在0.2~1.5 μm，并且多数呈现团聚状.
2022, 42(5): 1024-1035.
doi: 10.16078/j.tribology.2021187
摘要:
基于特斯拉阀结构的单向导通特性，提出一种集聚点更多和高压区域面积更大的新型(特斯拉阀型)干气密封槽型结构，该结构可获得比经典对数螺旋槽型更佳的密封效果. 通过建立特斯拉阀密封槽型的几何模型和数学模型，采用Fluent软件对不同几何参数和工况参数的密封性能进行系统数值仿真，获得密封开启力、气膜刚度和泄漏量等稳态性性能参数及瞬态膜压波动幅值方差. 分析了主阀道、支阀道和阀槽半径等参数对密封性能的影响规律，对比研究对数螺旋槽与特斯拉阀槽型在不同工况条件下的性能特性. 结果表明：相较于经典对数螺旋槽，同一工况下的特斯拉阀槽型具有更佳的开启力和刚度特性，尤其在高速、高压、小膜厚和大槽深时的开启力提升效果更加显著；在干气密封气膜稳定运行区间(h=3~6 μm)，特斯拉阀槽型的气膜刚度较螺旋槽提升近20%；在高转速时(N>30000 r/min)，特斯拉阀槽型的稳定性更好，且具有更小的压力波动.
基于特斯拉阀结构的单向导通特性，提出一种集聚点更多和高压区域面积更大的新型(特斯拉阀型)干气密封槽型结构，该结构可获得比经典对数螺旋槽型更佳的密封效果. 通过建立特斯拉阀密封槽型的几何模型和数学模型，采用Fluent软件对不同几何参数和工况参数的密封性能进行系统数值仿真，获得密封开启力、气膜刚度和泄漏量等稳态性性能参数及瞬态膜压波动幅值方差. 分析了主阀道、支阀道和阀槽半径等参数对密封性能的影响规律，对比研究对数螺旋槽与特斯拉阀槽型在不同工况条件下的性能特性. 结果表明：相较于经典对数螺旋槽，同一工况下的特斯拉阀槽型具有更佳的开启力和刚度特性，尤其在高速、高压、小膜厚和大槽深时的开启力提升效果更加显著；在干气密封气膜稳定运行区间(h=3~6 μm)，特斯拉阀槽型的气膜刚度较螺旋槽提升近20%；在高转速时(N>30000 r/min)，特斯拉阀槽型的稳定性更好，且具有更小的压力波动.
2022, 42(5): 1036-1043.
doi: 10.16078/j.tribology.2021160
摘要:
针对混合澄清槽搅拌装置运行工况的特殊要求，以改善其滑动轴承使用性能及寿命为目标，选用和研制WC-VC-Ni-Cr-Mo金属陶瓷复合材料(WN20)和铁-镍-铬-石墨-二硫化钼自润滑复合材料(FC13). 考察了复合材料的微观组织、力学和摩擦学性能，结果表明WN20金属陶瓷复合材料具有优异的力学性能，FC13金属基自润滑复合材料在干摩擦状态下具有良好的自润滑和抗磨损性能，是滑动轴承组件摩擦副轴瓦的合适材料. 根据固体润滑滑动轴承的设计原则，设计滑动轴承组件结构及相应的润滑方式. 采用C13金属基自润滑复合材料制造轴瓦，并通过嵌入特种润滑剂的方式进行辅助润滑，与WN20金属陶瓷轴组成摩擦副时，滑动轴承组件表现出优异的摩擦磨损性能，经过250 h摩擦试验，摩擦系数和轴瓦温度无显著变化，摩擦系数为0.08，轴瓦径向磨损量为3.8 μm，均满足混合澄清槽搅拌装置的使用要求.
针对混合澄清槽搅拌装置运行工况的特殊要求，以改善其滑动轴承使用性能及寿命为目标，选用和研制WC-VC-Ni-Cr-Mo金属陶瓷复合材料(WN20)和铁-镍-铬-石墨-二硫化钼自润滑复合材料(FC13). 考察了复合材料的微观组织、力学和摩擦学性能，结果表明WN20金属陶瓷复合材料具有优异的力学性能，FC13金属基自润滑复合材料在干摩擦状态下具有良好的自润滑和抗磨损性能，是滑动轴承组件摩擦副轴瓦的合适材料. 根据固体润滑滑动轴承的设计原则，设计滑动轴承组件结构及相应的润滑方式. 采用C13金属基自润滑复合材料制造轴瓦，并通过嵌入特种润滑剂的方式进行辅助润滑，与WN20金属陶瓷轴组成摩擦副时，滑动轴承组件表现出优异的摩擦磨损性能，经过250 h摩擦试验，摩擦系数和轴瓦温度无显著变化，摩擦系数为0.08，轴瓦径向磨损量为3.8 μm，均满足混合澄清槽搅拌装置的使用要求.
2022, 42(5): 1044-1052.
doi: 10.16078/j.tribology.2021202
摘要:
人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行，易出现由磨损导致的故障，为此，三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响，以三峡人字闸门底枢为研究对象，依据计算结果设计销/盘配对副面结构，在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究，并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析，结果表明：在试验条件下，聚四氟乙烯的摩擦系数最小，石墨次之，二硫化钼的摩擦系数最大；磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼；石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损，二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径，综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验，得到其摩擦系数和磨损量的变化规律，为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.
人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行，易出现由磨损导致的故障，为此，三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响，以三峡人字闸门底枢为研究对象，依据计算结果设计销/盘配对副面结构，在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究，并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析，结果表明：在试验条件下，聚四氟乙烯的摩擦系数最小，石墨次之，二硫化钼的摩擦系数最大；磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼；石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损，二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径，综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验，得到其摩擦系数和磨损量的变化规律，为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.
2022, 42(5): 1053-1062.
doi: 10.16078/j.tribology.2021176
摘要:
通过“一步法”设计制备了端氨基超支化聚硅氧烷(HBPSi-NH2)-聚酰胺酸(PAA)粘结剂(HBPSi-PAA)，然后利用喷涂法将其与固体润滑剂聚多巴胺包覆的球磨剥离六方氮化硼(PDA@exf-h-BN)纳米片喷涂在马口铁表面，经固化后制备出PDA@exf-h-BN/HBPSi-PI粘结固体润滑涂层. 采用MMUD-1B型摩擦磨损试验机和SDTA 85热失重分析仪分别对涂层的摩擦学性能和热性能进行了研究，并对其摩擦机理进行了初步探讨. 结果表明：当HBPSi-NH2和PDA@exf-h-BN的引入量分别为10.0%(质量分数)和12.0%(质量分数)时，粘结固体润滑涂层的摩擦系数稳定在0.12，相比纯PI涂层降低了约65.7%，耐磨寿命可达60 min，并且初始分解温度从319.8 ℃提升至545.6 ℃，残余质量达到74.6%，其优异的摩擦学性能和热稳定性主要归因于HBPSi-NH2和PDA@exf-h-BN的“软-硬”粒子协同减摩抗磨效应以及二者所赋予涂层优异的热稳定性.
通过“一步法”设计制备了端氨基超支化聚硅氧烷(HBPSi-NH2)-聚酰胺酸(PAA)粘结剂(HBPSi-PAA)，然后利用喷涂法将其与固体润滑剂聚多巴胺包覆的球磨剥离六方氮化硼(PDA@exf-h-BN)纳米片喷涂在马口铁表面，经固化后制备出PDA@exf-h-BN/HBPSi-PI粘结固体润滑涂层. 采用MMUD-1B型摩擦磨损试验机和SDTA 85热失重分析仪分别对涂层的摩擦学性能和热性能进行了研究，并对其摩擦机理进行了初步探讨. 结果表明：当HBPSi-NH2和PDA@exf-h-BN的引入量分别为10.0%(质量分数)和12.0%(质量分数)时，粘结固体润滑涂层的摩擦系数稳定在0.12，相比纯PI涂层降低了约65.7%，耐磨寿命可达60 min，并且初始分解温度从319.8 ℃提升至545.6 ℃，残余质量达到74.6%，其优异的摩擦学性能和热稳定性主要归因于HBPSi-NH2和PDA@exf-h-BN的“软-硬”粒子协同减摩抗磨效应以及二者所赋予涂层优异的热稳定性.
2022, 42(5): 1063-1070.
doi: 10.16078/j.tribology.2021177
摘要:
含油轴承是一类重要的减摩自润滑零件，轴承基体中油液的渗流特性对表面润滑性能有重要影响. 建立含油轴承孔隙渗流与表面油膜润滑的耦合力学模型，分析含油轴承系统中油液的渗流特性，探讨轴承表面油液的供油行为与自润滑机理. 结果表明：在含油轴承的收敛区内同时存在周向旋转流、径向伸缩流和法向渗析流，油液在各方向上的流动状况由该向流体压力梯度决定；受油膜压力影响，油液在接触区向多孔基体渗入，在接触区入口部位向多孔表面析出，由此构成了油液渗入和析出的闭环速度流线，增强摩擦界面间的泵吸效应. 油液在法向上的渗析速度随中心膜厚增加而减小，随转速升高而增大，渗析速度越大，对泵吸效应的增强作用越显著，接触区入口的油液也更易进入摩擦界面，保障含油轴承的良好自润滑效果. 研究结果对揭示含油轴承的供油自润滑机理具有重要意义.
含油轴承是一类重要的减摩自润滑零件，轴承基体中油液的渗流特性对表面润滑性能有重要影响. 建立含油轴承孔隙渗流与表面油膜润滑的耦合力学模型，分析含油轴承系统中油液的渗流特性，探讨轴承表面油液的供油行为与自润滑机理. 结果表明：在含油轴承的收敛区内同时存在周向旋转流、径向伸缩流和法向渗析流，油液在各方向上的流动状况由该向流体压力梯度决定；受油膜压力影响，油液在接触区向多孔基体渗入，在接触区入口部位向多孔表面析出，由此构成了油液渗入和析出的闭环速度流线，增强摩擦界面间的泵吸效应. 油液在法向上的渗析速度随中心膜厚增加而减小，随转速升高而增大，渗析速度越大，对泵吸效应的增强作用越显著，接触区入口的油液也更易进入摩擦界面，保障含油轴承的良好自润滑效果. 研究结果对揭示含油轴承的供油自润滑机理具有重要意义.
2022, 42(5): 1071-1082.
doi: 10.16078/j.tribology.2021180
摘要:
本文中以天然胆固醇为前体，合成了一种胆固醇基胍盐离子液体[ColC4][TMG]，并通过机械-化学剥离法获得了纳米尺寸的六方氮化硼纳米片(h-BNNS)，通过NMR、HRMS、TEM、FT-IR和XRD等表征了离子液体(IL)和h-BNNS的结构特征. 将其单独或复合后作为基础油(PEG 200)的减摩抗磨添加剂，通过球-盘往复摩擦形式，考察高载荷下(200 N)作为钢/钢摩擦副间润滑剂的摩擦学性能，结果表明，使用离子液体复合氮化硼纳米片(IL@BNNS)作为添加剂时，表现出最优的减摩抗磨性能，摩擦系数和磨损体积分别降低67%和77%，最优添加质量百分浓度为1.5% IL和0.1%的BNNS. 通过分析磨斑形貌和表面元素化学组成，IL@BNNS的协同减摩抗磨机理主要归结为极性离子液体通过静电作用和分子间相互作用吸附在金属基底表面形成厚而致密的润滑膜，降低了液体分子间的剪切作用，同时IL与基底发生摩擦化学反应形成摩擦膜，阻止基底的进一步磨损. 而h-BNNS在摩擦过程中进入接触区域，利用层间弱相互作用发生滑移，并抛光和自修复磨斑表面，使磨斑表面平整光滑，从而进一步降低磨损.
本文中以天然胆固醇为前体，合成了一种胆固醇基胍盐离子液体[ColC4][TMG]，并通过机械-化学剥离法获得了纳米尺寸的六方氮化硼纳米片(h-BNNS)，通过NMR、HRMS、TEM、FT-IR和XRD等表征了离子液体(IL)和h-BNNS的结构特征. 将其单独或复合后作为基础油(PEG 200)的减摩抗磨添加剂，通过球-盘往复摩擦形式，考察高载荷下(200 N)作为钢/钢摩擦副间润滑剂的摩擦学性能，结果表明，使用离子液体复合氮化硼纳米片(IL@BNNS)作为添加剂时，表现出最优的减摩抗磨性能，摩擦系数和磨损体积分别降低67%和77%，最优添加质量百分浓度为1.5% IL和0.1%的BNNS. 通过分析磨斑形貌和表面元素化学组成，IL@BNNS的协同减摩抗磨机理主要归结为极性离子液体通过静电作用和分子间相互作用吸附在金属基底表面形成厚而致密的润滑膜，降低了液体分子间的剪切作用，同时IL与基底发生摩擦化学反应形成摩擦膜，阻止基底的进一步磨损. 而h-BNNS在摩擦过程中进入接触区域，利用层间弱相互作用发生滑移，并抛光和自修复磨斑表面，使磨斑表面平整光滑，从而进一步降低磨损.
- 主管单位：中国科学院
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- 主编：刘维民
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