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.     

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.     

机械的摩擦、磨损和润滑

減少机械的摩擦和摩损是个十分重要的問題。不必要的摩擦減低了机械效率,消耗了許多动能;摩損則影响了机械的精密度,消耗了許多金属。摩擦理論虽然早在1699年就有人研究,但至今各国的理論还沒有取得完全一致。就摩擦系数而論,最早认为是不变的,后来經过許多学者的研究,已予以推翻,特別是近年苏联学者們在理論上論証了压力、粗糙度、滑动速度、溫度等对于摩擦系数的关系,并可以通过适当地改变这些因素来控制摩擦过程。苏联学者提出分子机械理論,认为摩擦表面最常見的破坏方式有以下几种:(1)由于摩擦表面上接触凸部压入,发生金属小碎片的抓伤或刺伤;(2)由于材料表面层状态不均匀,在重复机械作用或加热的影响下,发生金     

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.     

聚式流态化向散式流态化过渡的离散粒子模拟

流态化系统广泛存在于自然界和工业过程中,但对其认识还很有限,主要原因是它的强非平衡性.颗粒与流体间复杂的相互作用导致系统常处于非线性非平衡状态下,形成多尺度的高度不均匀的耗散结构.这些耗散结构的尺度要比相应的单相系统中的流动结构小得多,而颗粒的尺度又要比流体分子大几个到十几个量级,因此很可能找不到满足宏观足够小而微观足够大的尺度.而该尺度的存在是目前流态化系统的主要模拟方法──拟流体模型和颗粒轨道模型(在经验地描述颗粒流体相互作用时)的基本前提.虽然这两种方法都得到了实际应用,但从机理研究的角度看,仍有很多局限.     

几种有机多硫化物的摩擦膜和热膜的XANES分析

采用X射线吸收精细结构光谱(XANES)对烷基、苄基以及两种酰基有机多硫化物与钢表面反应生成的摩擦膜和热膜的化学特征进行了分析. 结果表明, 热氧化条件下, 4种多硫化物与钢表面反应生成的热膜的主要成分是FeSO₄, 酰基多硫化物BOOS形成的热膜的次表面和本体中还含有少量烷基二硫化物. 生成的摩擦膜中, 多硫化物的结构不同呈现出不同的特征, 其中烷基多硫化物最外层表面以烷基二硫化物为主, 苄基多硫化物最外层表面以FeSO₄为主, 两者摩擦膜的次表面主要是FeSO₄, FeS₂和亚砜的混合物, 本体是FeSO₄; 而两种酰基多硫化物摩擦膜的最外层表面都是以烷基二硫化物为主, 次表面和本体主要是FeS₂.     

二正丁基荒氨酸衍生物作为菜籽油添加剂的摩擦学性能研究和膜化学分析

用简单的方法合成了两种二正丁基荒氨酸衍生物(DDCO和DDCS). 用四球试验机评价它们在菜籽油(RSO)中的摩擦性能; 用X射线吸收近边结构光谱(X-ray absorption near edge structure, XANES)对两种合成添加剂DDCO和DDCS在菜籽油中与钢表面反应生成的摩擦膜和热膜的化学特征进行了分析. 结果表明, 这两种化合物具有优良的抗磨性能和承载能力. 根据XANES分析结果, 在热氧化条件下, 热膜表面主要含有硫酸铁及含氮和硫的油不溶聚合物, 而次表面和本体主要由硫酸亚铁组成; 在抗磨条件下, 摩擦膜表面主要由硫酸铁组成, 而次表面和本体主要由硫酸亚铁组成.     

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.     

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     

基于树蛙脚掌的仿生六棱柱表面边界摩擦研究

湿润环境下软材料的摩擦受固液气多介质作用,一直都是摩擦理论的难点.师法自然,我们从自然界获取灵感,由树蛙脚掌能在湿环境中产生极强的摩擦力,来研究软材料在湿环境中的摩擦特性.本文表征了树蛙脚掌的结构和摩擦力,发现在边界摩擦状态下,界面间极薄的液膜有助于增大摩擦力.在树蛙脚掌湿摩擦力的启发下,设计制造出了一种仿生六棱柱增摩表面.通过对摩擦力表征发现,其边界摩擦能达到干摩擦的50倍.与光滑表面相比,仿生六棱柱表面能够产生稳定且持久的边界摩擦力,六棱柱表面亲水比疏水也有着更优异的边界摩擦性能.该研究结论有助于人们进一步认识软材料的湿摩擦机理,可以进一步帮助设计制造更强的湿吸附仿生表面.     

纳米尺度下不同曲率半径针尖接触滑动过程的分子动力学模拟

针对不同磨损情况的原子力显微镜探针,运用三维分子动力学模拟方法研究不同曲率半径探针接触压入及滑动过程中单晶铜基体表面材料的变形及摩擦磨损机制.研究结果发现,在探针接触压入单晶铜基体时,接触作用力、位错及位错发射等缺陷随着接触深度或接触半径的增大而增加,位错发射方向为[101]和[101].探针在单晶铜基体表面滑动过程中,探针曲率半径增大,因材料塑性变形形成的沟槽、法向力及摩擦力也随之增大,而摩擦系数随之减小.堆垛层错沿着滑动方向扩展并随探针曲率半径增大而增多.此外,摩擦磨损过程中产生的隆起堆积原子数量随着探针曲率半径或滑动距离增大而增多.     

海绵动物的演化意义及其生物硅的仿生应用

海绵动物是地球上最古老、最简单的动物, 但对它在生物进化中的定位却经历了一个漫长而复杂的认识过程. 作为“活化石”, 海绵动物为生物演化研究提供了最好的证据; 而对海绵动物研究更令人入胜的是近年来人们发现硅质海绵动物骨针的独特结构和良好光纤特性, 从而开辟了利用纳米生物技术进行仿生合成的广泛研究领域. 综述了海绵动物的发现及新的分子生物学进化证据, 骨针硅蛋白催化合成生物硅的研究进展及仿生合成在纳米生物技术和医学领域的潜在应用.     

MoS_2摩擦表面氧化与电子转移

MOS_2是优良的固体润滑材料,在摩擦过程中受到压应力、剪应力和摩擦热等环境因素的影响而导致表面氧化失效.用XPS技术对摩擦表面化合物的解析普遍认为是由Mo~(4 )和Mo~(6 )组成的混合物,并认识别MOS_2的失效造成硫原子的流失,继而Mo~(4 )更容易氧化成Mo~(6 ).但是,Mo~(4 )转变成Mo~(6 )的反应历程迄今仍未澄清.我们采用电子自旋共振谱(ESR)和X-射线光电子谱(XPS)技术,研究Mo~(4 )向Mo~(6 )的反应历程时存在有Mo~(5 )的过渡态,Mo~(5 )进一步与氧作用生成稳定的Mo~(6 ),并以MoO_3形式存在,因此,摩擦表面存在着Mo原子的多种化学状态.MOS_2摩擦表面化合物的形成,是Mo4d轨道上的电子转移过程.     

关于基于Galerkin截断的粘弹性结构动力学行为研究

随着高聚物材料和复合材料的广泛采用以及岩土力学、地质力学和生物力学的迅速发展,粘弹性理论的研究愈来愈受到重视,成为连续介质力学的重要组成部分.结构稳定性问题是力学系统稳定性研究的一个重要方面,特别是混沌和分岔等非线性动力学理论的发展为结构稳定性的研究提供了新的方法和观点,而结构稳定性问题也为非线性动力学的研究提供了物理和工程背景.Galerkin方法是一种广泛适用而又不失简洁的简化连续系统动力学数学模型的途径.本文综述了采用Galerkin方法分析粘弹性结构动力学行为的进展.分别总结了基于Galerkin截断研究粘弹性结构的稳定性和粘弹性结构混沌运动的成果.最后对研究前景进行了展望.     

两边支承高度不同时荷载缓释结构的机理和实验研究

本文研究荷载缓释结构支承高度两边不同时的设计原理和用途,并进行了其工作机理的实验研究.结果表明荷载缓释结构为随着荷载的逐步增加和减少能够调整自身形状并使单元内力和支反力最小化的结构体系;该结构可按自重进行承载力设计,而按全部荷载进行正常使用极限状态设计;其正常使用极限状态是容许的一系列的大变形调节过程;利用平衡重的大小可控制在各种荷载作用下的变形极限状态,从而减轻结构内力和对下部结构的水平反力;活轮处索的拉力在平衡重启动前线形增加,在平衡重启动后基本保持不变;平衡重启动后随荷载的增加垂直反力连续增加,而水平反力连续下降;平衡重启动后在全跨荷载作用下,内部节点处索拉力随结构不断重新找型而连续下降;在一边固定的情况下,平衡重启动后靠平衡重的一边索拉力减少,但靠固定端的半跨索拉力增加.     

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。     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

应用于燃料电池的全氟磺酸膜及其改性

对近年来国内外应用于燃料电池的全氟磺酸膜及其改性膜的研究进行了综述和分析. 全氟磺酸膜质子传导率高、化学稳定性好、使用寿命长, 广泛应用于低温燃料电池中. 但其成本偏高, 燃料渗透严重; 并且当膜内含水量较低或由于电池操作温度高于100℃而又无水的补充时, 电导率会明显下降, 严重影响电池的性能. 鉴于以上不足, 研究者对全氟磺酸膜进行了各种改性, 以使之适应各种燃料电池的工作需求. 低EW值、低成本、耐高温和结构稳定的离子交换膜及其改性膜将是今后研究的重点.     

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.     

共晶Al71.6Ge28.4合金液-固结构相关性

利用高温液态X射线衍射仪研究了共晶Al_71.6Ge_28.4合金熔体的液态结构及其液固相关性. 研究表明, 对Al_71.6Ge_28.4合金熔体而言, 在1150~550℃的温度范围内, 熔体原子团簇结构没有变化, 有序度随温度降低而提高; 进一步通过纳米晶粒模型分析指出, 该熔体是由72.8%α相原子团簇和27.2%β相原子团簇组成, 但其液态结构和固态结构存在较大的差异. 同时对该合金在凝固时容易产生过冷状态的原因进行了探讨.