超滑与摩擦起源的探索

摩擦消耗掉全世界约1/3的一次能源,磨损致使大约80%的机器零部件失效,每年因摩擦、磨损造成的经济损失约占国内生产总值(gross domestic product, GDP)的2%～7%.对于中国这样的制造大国,摩擦、磨损造成的损失占比较高.仅以5%计算, 2019年我国因摩擦、磨损造成的损失就可能达4.95万亿元.因此,如何减少摩擦、降低磨损是大家广为关注的问题,也是影响人类社会走向绿色、环保、有效利用资源和能源的关键因素之一.探索摩擦起源,实现超滑状态成为摩擦学研究的重大使命.超滑就是将摩擦系数呈数个数量级的降低,同时伴随磨损率呈数量级下降的一种新技术.本文重点介绍了我们课题组近期在超滑和微观摩擦能量耗散机制方面的研究进展,同时也对国内外相关研究进行了简要评述.     

仿生摩擦学研究及发展

在进化和生存竞争中, 生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多功能表面织构, 成为仿生摩擦学的楷模. 本文提出仿生摩擦学的定义和学科基础, 从流固界面的黏附与自清洁、生物脚掌与固体表面的黏附、生物表面磨损特性及仿生耐磨设计、流固界面的黏附及仿生等方面回顾了仿生摩擦学的研究和进展, 讨论了仿生摩擦学进一步发展存在的问题.     

含黄原酸基团硼酸酯用作硫化烯烃替代物的摩擦学研究

为开发可作为硫化烯烃替代物的润滑油添加剂, 合成了一种含黄原酸基团的硼酸酯衍生物(BXT)并对其结构进行了表征. 利用四球摩擦磨损试验机对该化合物在菜籽油中的摩擦学性能进行了评价. 结果表明, BXT在菜籽油中具有优异的承载能力、减摩及抗磨性能; 与硫化烯烃相比, BXT没有明显的气味, 铜腐蚀程度低且热稳定性高. 采用三维表面轮廓仪及X射线光电子能谱(XPS)对钢球磨损表面的形貌和元素状态进行了分析, 初步研究了BXT在摩擦过程中的作用机理.     

植物叶片提取物作为添加剂在铝-钢摩擦副下的摩擦学性能

为了验证植物叶片提取物作为环境友好型润滑油添加剂的摩擦学性能,提取球兰、大葱和茄子3种植物叶片表面蜡质作为考察对象.用MFT-R4000往复摩擦磨损试验机考察以PAO为基础油时,植物提取物作为添加剂在铝-钢摩擦副下的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察铝块磨斑的表面形貌.实验结果显示,不同润滑油添加剂显示了优异的抗磨减摩性能.摩擦系数大小顺序为:球兰茄子大葱Mo DTCPAO.抗磨性能大小顺序为:茄子球兰大葱PAOMo DTC.相比Mo DTC而言,3种植物添加剂表现出优良的抗磨和减摩性能.这可能与植物蜡质层含有醇、酯和酸等成分有关.扫描电子显微镜照片显示,与基础油磨斑相比,植物叶片提取物作为添加剂润滑的磨斑小且磨斑表面光滑.为了进一步研究植物添加剂的抗磨减摩机制,以茄子为例,通过对铝合金磨痕表面进行XPS分析,结果表明叶片提取物在磨斑表面可能以2 3Al O、乙二醇和丙三醇的复合物两种形式存在.3种植物叶片提取物在铝-钢摩擦系统中均具有良好的减摩抗磨性能,是有良好发展前景的环境友好型润滑油添加剂.     

纳米摩擦学研究进展与存在问题

90年代国际上兴起的纳米科学技术被认为是面向21世纪的新科技,它是在0.1～100nm尺度上研究自然界现象中原子、分子行为与规律,以期在深化对客观世界认识的基础上,实现直接由人类按需要排布原子,制造出性能独特的产品.纳米科技的出现无疑是现代科学的重大突破,将深刻影响国民经济的未来发展,并由此派生出一系列的新学科。纳米摩擦学就是其中重要的分支。在纳米科技中,当前人们普遍关心和急需解决的理论与实践问题主要有:微材料特性、微观摩擦、磨损和润滑、微系统优化设计理论以及纳米级结构和制造工艺等。 现代机械科学的发展出现机电一体化、超精密化和微型化的趋势,许多高新技术装置如微电子设备、微型机器人、生物医疗器械和精密测试仪器等的摩擦副间隙常处于纳米量级。微型机械中因受到尺寸效应的影响,使表面粘着力、摩擦力和润滑膜粘滞力相对于传统机械中的体积力而言显得非常突出,微摩擦磨损和纳米薄膜润滑已成为关键问题,因此纳米摩擦学对现代机械的发展具有重要意义。     

氮化钛超微细粉PTFE基复合材料的摩擦性能

聚四氟乙烯（PTFE）是一种广泛应用的固体润滑剂,其特点是润滑性优异,比磨损率较高。高比磨损率的主要原因是机械强度较差,在高负荷或高速滑动下,因过大的粘弹性变形和转移膜与偶面附着性差而不断在磨损中剥落所致。为了降低PTFE的比磨损率,主要是采取填充填料（纤维、无机粉末、有机物和金属等）制成复合材料来使用,对其减磨机理和效果有过报道。迄今,粉末填充的颗粒都较粗,对填充超微细粉（UFP）复合材料的磨损性能研究很少。     

谈谈磨擦学研究中的若干哲学问题

摩擦学是一门古老而又新兴的高度综合交叉的工程先导性学科.实验研究发现摩擦过程能够形成自适应性的表层结构,但这种结构和典型的“耗散结构”又有所差别;摩擦系数和磨损率随摩擦副的工作条件具有明显的非线性变化和突变效应;大多数摩擦过程是不可逆的,但在特殊工况下表现出来的可逆性为我们设计减摩耐磨表层提供了可能.摩擦失效既有渐进性的,又有突发性的,而后者可以用动力系统稳定性理论来研究和表示.本文从技术哲学角度对上述现象进行了分析.     

摩擦磨损过程的非平衡态热力学研究

摩擦学是一个高度交叉的综合性的边缘学科.影响摩擦磨损过程的因素不仅众多,而且存在复杂的非线性相互作用.与其他技术基础学科相比,摩擦学理论对工程的指导作用远远处于落后的地位,因而必须转换角度,从综合和系统的观点加强定量模型的研究.非平衡态热力学研究的发展为这一研究提供了理论基础.本文提出以熵平衡关系和超熵产生不等式为基础,以熵为表征参数的学术观点.在此基础上对摩擦磨损过程进行了系统的分析.并按照熵平衡关系将摩擦磨损过程分解为热传导、扩散、粘滞性流动和摩擦化学反应四个子过程,回顾和总结了相应的研究状况,指出了进一步研究的方向.     

形色各异的摩擦磨损与润滑*

简述了摩擦学的形成与发展,简要介绍了常用润滑材料及其应用。随着环保意识增强和资源短缺,绿色润滑备受重视;合成油的可设计及可控性,为发展高性能润滑油脂提供了技术途径。固体润滑材料可用于解决高低温、高辐射、超高真空等苛刻环境和工况下的摩擦磨损问题,在以航空航天为代表的高技术领域发挥了不可替代的作用。随着现代工业的进步与发展,复杂工况对润滑材料的物理化学、润滑抗磨损、生物降解等性能不断提出新的挑战,相关研究工作任重而道远。     

金膜、光盘和LB膜的摩擦力显微镜研究

纳米摩擦学的提出适应现代科学技术发展的需要.传统的摩擦磨损和润滑理论经过百多年的发展,虽然已经比较完善地解决一般工程设计问题,但对于摩擦学机理的认识和实现主动控制还存在许多问题,特别是对于微型机械或超精密机械中,例如极轻载荷、纳米尺度间隙下的摩擦磨损和润滑问题.宏观摩擦学已不适用.摩擦力显微镜(Friction force micro-scope,以下简称FFM)的出现为人们能在纳米尺度上进行摩擦磨损实验提供了有效工具.虽然国外学者已利用FFM作了许多工作,但用FFM进行纳米摩擦学实验并不象宏观摩擦磨损实验那样成熟.我们在研制FFM的基础上利用FFM进行了尝试性试验,本文报道了一些初步结果.关于摩擦力显微镜的描述见文献[7].作为摩擦力显微镜力传感器用的微悬臂是通过镀膜、刻蚀等工序制作而成.微悬臂呈三角形结构,材料为Si_3N_4,自由端有一个金字塔形微探针.当探针与样品接触时,可以控制压电陶瓷的伸缩使微悬臂产生不同程度的弯曲,从而实现微载荷定量设定,微载荷可通过下式求得:L=k·△h=k·p·△V,(1)其中k是微悬臂的弹性系数;△h是微悬臂的法向位移;p为压电陶瓷的伸缩系数;△V为加在压电陶瓷上的电压变化.实验材料有3种,分别为精抛光玻璃表面真空沉积的金膜、激光唱盘基片和小分子花生酸与高分子液晶     

超音速等离子喷涂法制备La2O3和CeO2掺杂CoCrW涂层的摩擦学性能研究

利用一种新型的超音速等离子喷涂方法制备了稀土氧化物掺杂CoCrW涂层. 通过X射线衍射仪、接触表面形貌仪、显微硬度测试仪、多功能摩擦磨损试验机和具有EDS能谱的环境扫描电子显微镜对涂层的相结构、表面形貌、显微硬度、摩擦磨损性能进行了研究. 实验结果显示, 稀土氧化物掺杂涂层具有很高的显微硬度和优越的摩擦学性能. 同时, 对涂层的摩擦和磨损机理进行了研究.     

C60复合LB膜的摩擦学行为

采用LB技术, 利用不同链长的脂肪酸及胺的组合对C₆₀进行限域, 制备了C₆₀复合LB膜. 对复合膜的微观形貌以及微摩擦学和宏观摩擦学性质进行了比较研究. 结果发现, 在限域体系C₆₀复合LB膜中, C₆₀存在两种结构, 一种是尺寸分布在150~230 nm之间的聚集体, 另一种是尺寸小于20 nm的小聚集体. 微摩擦学研究表明, 大C₆₀聚集体对应较高的摩擦力, “棘轮效应”明显; 小C₆₀聚集体则显现出“微滚动”效应, 具有很低的摩擦力. 宏观摩擦学研究表明, 大C₆₀聚集体主要起支承载荷和耐磨作用, 并随其分散性的提高及粒径的减小, C₆₀复合LB膜的耐磨寿命大幅度提高; 而小C₆₀聚集体主要起减摩作用. C₆₀复合LB膜的摩擦系数随载荷的增大而降低, 具有和边界润滑膜相似的摩擦系数-载荷关系.     

双烷氧基单硫代磷酸酯基三嗪衍生物的合成及其作为菜籽油添加剂的摩擦学研究

合成了一系列双烷氧基单硫磷酸酯基三嗪衍生物—— 2, 4-双烷氧基-6-(O,O’-二烷基二硫代磷酸酯)基-s-1,3,5-均三嗪. 在四球摩擦磨损试验机上研究了它们作为菜籽油添加剂的摩擦学性能. 实验结果表明, 该类化合物具有良好的极压性能, 能提高菜籽油的抗磨减摩性能, 是一类性能良好的润滑油添加剂. 用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)仪分析了钢球磨损表面典型元素的化学状态, 结果表明, 在摩擦过程中, 钢球表面形成了一层含硫酸盐、磷酸盐无机膜和含氮的有机膜的复合膜, 这种复合膜是添加剂拥有良好摩擦学性能的主要原因.     

碳纳米管/碳纤维跨尺度界面增强体系构建的研究进展

伴随着国防工业、先进装备制造等领域的不断发展,人们对复合材料的应用要求不断提高.碳纤维增强复合材料因其具备高强度、轻量化、长寿命的特点,与该领域材料的使用要求产生了高度适配.但在实际应用过程中,碳纤维惰性表面与聚合物基体间的弱界面结合严重影响了复合材料优异性能的充分发挥.构建微尺度、多维度碳纳米管/碳纤维界面增强体系被认为是提高相间结合能力的有效技术手段.本文综述了化学气相沉积、电泳沉积、化学接枝、浸涂喷涂4种较为成功的构建路线,讨论了碳纳米管在碳纤维表面的差异化微观沉积形貌所对应的不同界面增强机理,探讨了界面增强体系对复合材料综合性能的影响,并对该体系未来的构建和研究方向进行了展望.     

磁头表面聚甲基丙烯酸氟代辛酯分子膜的制备及其摩擦学特性

采用浸涂方法在磁头表面制备聚甲基丙烯酸氟代辛酯(PFAM)分子膜, 对磁头表进行表面改性, 并利用时间飞行二次离子质谱仪(TOF-SIMS)、接触角测量仪和原子力显微镜(AFM)对PFAM分子膜表征. 测试结果表明, 浓度是影响分子膜厚度、表面形貌和摩擦特性的主要因素. 溶液浓度为500 μg/g时制备的分子膜具有最好的摩擦磨损性能, 磁头经过20000次起停循环后黏着力不超过2.4 g. 因此, 磁头表面制备致密且缺陷少的PFAM分子膜有助于磁头磁盘之间的润滑, 减少摩擦磨损, 提高磁头的摩擦磨损性能.     

超高分子量聚乙烯磨屑厚度与正压力关系研究

利用MiaoXAM2.5X-50X超高精度三维轮廓仪从三维角度, 对超高分子量聚乙烯在特定摩擦磨损试验条件下的磨屑厚度与正压力之间的对应关系进行了研究. 研究表明: 磨屑厚度具有明显的分级现象, 建立了磨屑初级和次级厚度数学模型, 磨屑次级厚度数学模型可推知系统中真实受力状态, 作为修正系统模拟参数的依据, 对于一些无法进行实时监测的封闭系统的仿真模拟, 具有十分重要的意义; 磨屑初级厚度模型可以真实反映摩擦学系统真实的受力情况和磨损表面状态, 对探知系统的运转状况有着十分重要作用. 通过对润滑条件与磨屑厚度关系的研究, 验证了磨屑厚度与正压力之间的关系. 研究了最大磨屑厚度与正应力之间的分形关系; 提出了磨屑厚度的不变性原理和特征厚度的概念. 试验结果表明, 磨屑厚度对于试验条件具有很强的稳定性, 同时, 它作为摩擦学系统中具备力学理论依据的重要参数, 也是更加稳定的一个参数, 将在故障诊断中发挥重要作用, 特别对人工关节等密闭状态下摩擦学系统监测具有重大意义.     

摩擦对PTFE非晶-结晶界面区自由体积的影响

正电子湮没技术(PAT)是表征聚合物微观缺陷——自由体积的尺寸和浓度的灵敏的探针。近几年已在结晶聚合物结构-性能相互关系的研究中得到了应用。研究表明聚四氟乙烯(PTFE)及其复合材料的机械性能、热学性能、结构相变等均可通过其自由体积孔穴的变化表现出来,这充分说明了PTFE的微观缺陷是影响其宏观性能的主要原因之一。此外,对PTFE正电子寿命谱的解析也有了较明确的认识。PTFE作为一种重要的聚合物材料,具有优异的自润滑性和极高的化学稳定性,在摩擦学研究领域中获得了广泛的应用。但有关其自由体积孔穴性质与宏观摩擦学性能相互关系的研究尚未广泛开展。本文用正电子湮没寿命谱研究了微动和小往复摩擦后的非晶-结晶界面区PTFE自由体积尺寸和浓度变化,发现了摩擦造成的自由体积的连通和分离现象,也验证了摩擦的分层属性。     

激光喷丸强化技术在镍铝青铜抗海水空蚀中的应用

镍铝青铜合金构件在海水中发生腐蚀和空蚀,表面形变硬化提高构件抗空蚀性能,激光喷丸强化具有在材料表面预置压应力、相变硬化、改善机械化学性能、提高综合抗海水腐蚀、空蚀的能力和作用.     

摩擦对PTFE非晶-结晶界面区自由体积的影响

<正>正电子湮没技术(PAT)是表征聚合物微观缺陷——自由体积的尺寸和浓度的灵敏的探针。近几年已在结晶聚合物结构-性能相互关系的研究中得到了应用。研究表明聚四氟乙烯(PTFE)及其复合材料的机械性能、热学性能、结构相变等均可通过其自由体积孔穴的变化表现出来,这充分说明了PTFE的微观缺陷是影响其宏观性能的主要原因之一。此外,对PTFE正电子寿命谱的解析也有了较明确的认识。PTFE作为一种重要的聚合物材料,具有优异的自润滑性和极高的化学稳定性,在摩擦学研究领域中获得了广泛的应用。但有关其自由体积孔穴性质与宏观摩擦学性能相互关系的研究尚未广泛开展。本文用正电子湮没寿命谱研究了微动和小往复摩擦后的非晶-结晶界面区PTFE自由体积尺寸和浓度变化,发现了摩擦造成的自由体积的连通和分离现象,也验证了摩擦的分层属性.     

中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀的研究

工业烟气具有含灰量大、含黏性物质及含腐蚀性气体多的特点,易造成烟气换热器换热表面积灰、磨损和腐蚀等一系列严重问题,是余热回收领域目前亟待解决的研究课题.本文对中低温余热回收所用的管排式烟气换热器的积灰、磨损及腐蚀特性等方面的研究进行了总结和回顾,分析了换热器换热表面积灰、磨损及腐蚀的形成原因及影响因素,同时介绍了近年来作者团队在换热表面飞灰颗粒沉积、磨损及腐蚀特性方面开展的有关研究结果.首先,对现有的和前期作者团队建立的颗粒碰撞沉积模型进行了简要回顾,并以前期团队开展的工作为例,具体介绍了管排式烟气换热器的积灰特性及其影响因素,并给出了能有效减轻积灰的椭圆管换热器设计;接着,介绍了气固两相绕流换热管的流动和磨损特性,以及烟气参数对磨损特性的影响规律;随后,介绍了一种预测换热器表面酸蒸气凝结的耦合计算方法,说明了运行参数和几何参数对换热器局部腐蚀特性的影响规律,并给出了相应条件下的H型翅片管换热器的酸传质计算关联式;同时,介绍了团队前期提出的在线检测和实验室低温腐蚀装置,说明了不同材料的抗腐蚀特性及换热面积灰与酸的耦合作用机理.最后,对中低温烟气换热器积灰、磨损及腐蚀特性的研究前景进行了展望.