2010年30卷1期

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摩擦学系统的系统理论研究和建模
谢友柏
2010, 30(1):1-8.
[摘要](1610) [PDF 4383KB](1490)
摘要:
摩擦学的系统思想是在摩擦学诞生初期就已经被提出来。由于摩擦学的理论体系研究一直进展缓慢,摩擦学系统的系统理论和建模研究也一直进展缓慢。本文在摩擦学3个公理基础上,从一般系统理论与工程系统分析方法相结合出发,研究了摩擦学系统的功能和构成,论述了摩擦学系统在运动系统中承担的运动保证功能,即保证运动系统各部分之间有确定的相对运动。运动保证功能由全体摩擦副共同实现,并有若干辅助子系统支持摩擦副的可靠工作,它们一起构成了摩擦学系统。摩擦学系统是为研究摩擦学行为而从运动系统中抽象出来的运动系统的子系统。从系统功能出发,摩擦学系统的状态参数集里必然含有与构件运动有关的参数,这些参数对于摩擦学研究非常重要。摩擦学系统结构既与历史关联又跟随状态变化,因此是非定常非线性系统。这2种变化对于摩擦学系统具有不同的时间尺度,也就是说具有非常长的周期和相对非常短的周期,这就为能够以不同时间尺度的分段定常和分段线性化求解计算提供了理论根据,从而在模型中考虑了此前为不能积分而对结构引入的大量简化,这些过去被忽略的因素对摩擦学系统其实是很重要的。同时,也使得能够在建模中将不同学科行为通过与历史关联和跟随状态变化的系统结构进行耦合和共同作用于系统。文章给出了一个缸套-活塞裙部,连杆大小头和曲轴轴承摩擦学系统的算例。

核-壳结构PS/C eO 2复合磨料的制备及其氧化物化学机械抛光性能
陈 杨, 隆仁伟, 陈志刚, 丁建宁
2010, 30(1):9-14.
[摘要](1664) [PDF 3632KB](1589)
摘要:
以无皂乳液聚合方法制备的聚苯乙烯(PS)微球为内核,硝酸铈为铈源,六亚甲基四胺为沉淀剂,采用液相工艺制备了PS/CeO2复合颗粒。利用XRD、TEM、SAED、FESEM、EDAX等手段,对所制备样品的物相结构、形貌、粒径大小和元素成分组成进行表征。将所制备的复合磨料用于硅晶片热氧化层的化学机械抛光,用AFM观察抛光表面的微观形貌,并测量表面粗糙度。结果表明,所制备的PS/ CeO2复合颗粒具有核-壳结构,呈近球形,粒径在250~300 nm,PS内核表面被粒径在5~10 nm 的CeO2纳米颗粒均匀包覆,壳层的厚度为10~20 nm。抛光后的硅热氧化层表面在5 μm×5 μm范围内粗糙度Ra值和RMS值分别为0.188 nm和0.238 nm,抛光速率达到461.1 nm/min。

磷酸酯类双离子液体的合成及摩擦学性能研究
郭灵燕, 姜 栋, 王海忠, 冯大鹏
2010, 30(1):15-18.
[摘要](1458) [PDF 2262KB](1756)
摘要:
以咪唑、1,6-二溴代己烷和磷酸三乙酯合成1,6 –二(3-乙基-1-咪唑基)己烷二乙基磷酸盐双离子液体,采用核磁共振谱仪(NMR)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)等对其结构及理化性能进行了分析;用SRV摩擦磨损试验机考察了其作为钢/钢体系润滑剂的减摩抗磨作用;用SEM和XPS对磨痕表面的形貌和元素组成进行了表征,并分析了其润滑机制.结果表明,该类双离子液体具有较好的低温流动性,作为润滑剂对钢/钢摩擦副具有优异的减摩抗磨性能.XPS分析结果表明,该离子液体在钢磨损表面形成了含FePO4和Fe4(P2O7)3等物质的边界润滑膜,从而有效地提高了摩擦副的承载能力和抗磨损性能.

PAN炭纤维预制体对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响
葛毅成, 易茂中, 彭 可, 杨 琳, 雷宝灵
2010, 30(1):19-25.
[摘要](1404) [PDF 4355KB](1383)
摘要:
以二维平纹编织叠层炭纤维坯体(2D)、二维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡坯体(2DN)、三维正交编织炭纤维坯体(3D)为预制体,采用化学气相渗透结合树脂浸渍炭化技术进行增密,制备了4种C/C复合材料。在室温干态条件下测试4种C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副时的滑动摩擦行为。结果表明:在试验载荷下,采用2D坯体增强的C/C复合材料摩擦系数最高;随载荷增加,其摩擦系数和磨损体积的波动幅度最大,分别为0.17和1.22 mm3;采用2DN坯体的2种C/C复合材料摩擦系数较低,在0.13~0.17之间,且随时间延长呈下降趋势;其余2种坯体的C/C复合材料摩擦系数则上升。4种材料摩擦系数的波动幅度均逐渐降低。SEM观察表明:采用2D坯体C/C复合材料在低载荷下的摩擦表面粗糙,充满磨屑,高载荷下能形成了较松散的摩擦膜。而采用2DN、3D坯体的C/C复合材料摩擦表面部分形成了较完整、致密的摩擦膜,部分呈现显著的纤维磨损和摩擦膜大块剥落形貌。

风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究
郝贠洪, 邢永明, 杨诗婷
2010, 30(1):26-31.
[摘要](1688) [PDF 3517KB](1837)
摘要:
风沙环境的侵蚀和劣化作用严重影响着基础设施的安全耐久性。本文根据风沙环境特点,利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀试验,研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理。结果表明:涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加;侵蚀机理为在低角度冲蚀下,涂层主要受微切削作用,而在高角度冲蚀下,主要受冲蚀挤压变形作用,由于涂层强度低而韧性较好,其在低角度冲蚀下的磨损更为严重。

脊状表面减阻机理研究
胡海豹, 黄桥高, 刘占一, 潘光
2010, 30(1):32-37.
[摘要](1717) [PDF 3300KB](2683)
摘要:
针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构。为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果。研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在2次涡,近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性。由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理。

二硫化钼改性聚甲醛自润滑复合材料的微观摩擦学性能研究
胡坤宏, S.schraube, 徐玉福, 胡献国, R.stengler
2010, 30(1):38-45.
[摘要](1509) [PDF 4545KB](1814)
摘要:
用市售微米Mos2(micro-Mos2)、自制Mos2纳米球(Mos2 nano-balls)与Mos2夹层化合物(Mos2-IC)分别共混填充到聚甲醛(POM)中,然后把此共混物复合到铜粉钢板上,制备出系列改性POM/铜/钢3层复合轴承材料。在UST?万能表面测试仪上对复合材料的微观摩擦学性能进行了测试。结果显示POM/Mos2-IC复合材料的微观摩擦学性能并不理想,主要是因为在Mos2夹层过程中,Mos2的晶型由摩擦学性能优良的2H型转变成了相对较差的1T型。POM/Mos2nano-balls复合材料表现出了优良的微观摩擦学性能,这归咎于其独特的球形封闭结构引起的化学稳定性升高,此外在摩擦过程中球形结构可以通过剥层与转移起到润滑作用。

45#钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究
胡天昌, 胡丽天, 丁奇
2010, 30(1):46-52.
[摘要](1668) [PDF 4574KB](2084)
摘要:
采用声光调的固体Nd:YAG激光器在45#钢表面进行了织构化处理;采用栓盘摩擦试验机考察了织构化对其摩擦性能的影响;用三维轮廓仪及扫描电镜对摩擦试验前后试样的表面形貌进行了分析。研究结果表明:经过激光织构化的45#钢表面形成了较为规整的微坑型结构。在相同试验条件下与未织构面对比,织构面的摩擦系数均有不同程度减小且表现得更为稳定,并且磨损率也得到一定的降低,这是由于所制备的表面微坑起到了捕获磨屑的作用。对不同织构密度及织构尺寸样品摩擦性能的考察结果表明较大的织构密度及较大孔径更有利于减摩抗磨。

DZ125高温合金表面激光熔覆Co基合金的组织和冲蚀性能研究
李涌泉, 谢发勤, 周俊, 吴向清
2010, 30(1):53-56.
[摘要](1648) [PDF 2584KB](1801)
摘要:
利用激光熔覆技术在DZ125高温合金表面制备了Co基合金熔覆层,采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪及HV-1000型显微硬度计分析测试了Co基合金熔覆层的组织结构,截面显微硬度。利用自制冲蚀设备对其耐冲蚀性能进行研究。结果表明:熔覆层与基体形成良好的冶金结合,交界处组织具有定向凝固特征且晶粒生长方向垂直于界面;在不同角度下熔覆层耐冲蚀性能各异,熔覆层的硬度是材料抗冲蚀性能影响因素之一。

流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析
刘伟, 彭旭东, 白少先, 孟祥铠, 盛颂恩
2010, 30(1):57-63.
[摘要](1522) [PDF 3876KB](1699)
摘要:
建立了静环倾斜时流体静压型机械密封的三维稳态传热模型,考虑流体黏度随压力、温度的变化,建立了压力、温度的控制方程,采用有限差分法,分析研究了倾斜量、结构参数及操作参数对机械密封温度分布的影响规律。结果表明,端面的最大液膜压力和最高温度随静环倾斜量的增加而增大,倾斜量越大,压黏效应越显著;端面温升受密封的结构参数、操作参数影响明显。静环端面锥角越大,温升越小;流体注入温度越低,温升越大;动环转速越高,温升越大。

低温老化对3Y-TZP陶瓷摩擦磨损性能的影响
陆青, 梁小平, 王光辉
2010, 30(1):64-67.
[摘要](1481) [PDF 2531KB](1523)
摘要:
将3Y-TZP陶瓷置于常压、100℃沸水下低温老化处理0~100 h,在120 N载荷、0.42 m/s滑行速度和蒸馏水润滑条件下对老化处理后的陶瓷进行摩擦磨损试验。结果表明:随着老化时间的延长,3Y-TZP陶瓷的硬度和抗弯强度呈下降趋势,摩擦系数经历了一个先降后升的阶段,磨损率随老化时间的延长而逐渐增大。未经老化时,3Y-TZP陶瓷的主要磨损机理为犁沟和塑性变形;50 h老化后陶瓷磨损表面主要为塑性变形和微断裂;经过75 h老化处理后,陶瓷的磨损率已上升到严重磨损阶段,磨损机理发生了转变;老化进行100h后,3Y-TZP陶瓷的主要磨损机理为断裂磨损。

高温润滑脂中WS2亚微米粒子的摩擦学性能研究
毛大恒, 石琛, 俸颢, 周明
2010, 30(1):68-74.
[摘要](1741) [PDF 3953KB](1530)
摘要:
以新型润滑材料WS2亚微米粒子作为高温润滑脂的添加剂,对其在高温润滑脂中于不同温度下所起的抗磨、减摩、抗极压等摩擦学性能进行了研究,并用电子探针显微镜和俄歇电子能谱仪分析了钢球磨斑表面形貌与表面典型元素的面分布和深度分布。结果表明:在不同温度尤其高温下,WS2 亚微米粒子能显著提高润滑脂的摩擦学性能;在摩擦过程中,WS2 亚微米粒子在摩擦副表面形成WS2吸附膜和含Fe、S的化学反应膜来有效减少摩擦磨损,增强润滑脂的抗磨、减摩和极压性能,从而更好地保护摩擦表面

不同载荷下3Cr13不锈钢涂层磨损寿命研究
濮春欢, 徐滨士, 王海斗, 朴钟宇
2010, 30(1):75-79.
[摘要](1352) [PDF 3140KB](1753)
摘要:
在T-11 摩擦磨损试验机上研究了不同载荷下高速电弧喷涂3Cr13不锈钢涂层的磨损寿命。提出了载荷-涂层磨损寿命耦合的关系函数方程。通过对涂层磨损形貌观察,分析了不同载荷对磨损失效机制的影响。结果表明:当载荷较低时,涂层磨损寿命分散程度大,磨损主要失效机制为点蚀和剥落;当载荷较高时,涂层磨损寿命分散程度小,分层是引发涂层磨损失效的关键机制。

步态条件下人工膝关节线接触弹流润滑分析
苏永琳, 杨沛然, 付增良, 王成焘
2010, 30(1):80-86.
[摘要](1518) [PDF 3758KB](1633)
摘要:
参照关节模拟试验机的运动和力学参数,利用多重网格技术对人工膝关节摩擦副进行了1个步态周期仿人体环境线接触弹流润滑仿真,关节支承表面的弹性变形按半无限体计算。同时,观察了几种参数对流体压力分布和膜厚形状的影响。结果表明:在1个步态周期内,中心压力与载荷变化基本相同,且等效曲率半径的变化会引起中心压力的跳跃。站立相时在卷吸和挤压膜效应的共同作用下,中心膜厚呈逐步减小并伴随着波动;摆动相时,载荷固定,膜厚的变化仅与卷吸速度有关。减小胫骨平台曲率半径有助于提高滑液膜厚度;延长步态周期的时间,会使滑液膜厚减小。

柠条、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性
邢会文, 刘静, 王林和, 姚喜军, 王成龙, 张永亮, 周丹丹
2010, 30(1):87-91.
[摘要](1544) [PDF 2816KB](1549)
摘要:
通过直剪试验研究了垂直荷载、土体干密度、土体含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面以及土-土界面的摩擦特性。结果表明:柠条根-土界面、沙柳根-土界面与土-土界面的剪切特性相似,均服从莫尔-库仑理论;柠条根-土界面、沙柳根-土界面的摩擦系数随着土体干密度的增大而增大;土壤含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面摩擦系数和黏聚力的影响与素土相同,三者的摩擦系数随含水率增加逐渐减小,而黏聚力随着含水率增大呈先增大后减少的变化。在自然生境下主要根系分布层,柠条、沙柳的根-土界面摩擦系数大于土-土界面,尽管根-土界面黏聚力小于土-土界面黏聚力,但是根-土界面的摩擦系数的增大仍使根-土界面抗剪强度大于土-土界面,说明根-土结合面抵抗位移的能力大于土-土界面;2种植物相比,柠条根系抵抗根-土分离的能力优于沙柳。

凸结构的形成-低载下单晶硅表面的划痕损伤研究
杨超, 余丙军, 钱林茂
2010, 30(1):92-96.
[摘要](1645) [PDF 3004KB](1443)
摘要:
利用纳米划痕仪及曲率半径3 μm的球形金刚石针尖,在单晶硅(100)表面进行了不同载荷下的划痕实验。结果表明:随载荷的增加,单晶硅表面的划痕损伤先后经历了从凸起形成、凸起与凹槽并存到材料去除的变化过程。当载荷为0.5~3.0 mN时,单晶硅上的划痕损伤表现为凸结构的形成,且凸起的高度和体积随载荷的增加而增大;当载荷为3~50 mN时,凸起和凹槽同时出现,但损伤区域体积未见减少,损伤仍以凸结构形成为主导;当载荷大于50 mN时,凹槽深度和磨损体积明显增大,划痕损伤表现为典型的材料去除。进一步的分析显示,单晶硅的划痕损伤特征与其接触区的应力状态密切相关,低载下的摩擦和剪切作用是凸结构产生的主要原因。

X射线光电子能谱(XPS)在摩擦学研究中的应用
丛培红, 吴行阳?, 孙畅
2010, 30(1):97-104.
[摘要](2224) [PDF 4408KB](2381)
摘要:
X射线光电子能谱(XPS)是最常用的表面分析技术之一,在材料的摩擦化学、摩擦和磨损机理以及材料失效等研究方面发挥着重要作用。本文综述了XPS的基本原理、设备构成、分析特点及在润滑油添加剂的吸附与反应、聚合物填料、气相润滑和离子液体等摩擦化学研究中的应用,希望为摩擦学者在表面分析方法方面提供一些新的启示。

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