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     

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.     

声发射监测裂纹闭合行为

疲劳过程的声发射(AE)研究目前已做了许多工作,但与其裂纹闭合效应联系起来,还未见这方面的详细报道。声发射是材料内部局部区域应变能释放而产生的弹性应力波。材料形变时,位错运动、裂纹成核和扩展等均能产生AE。业已知道,带裂纹试样的声发射主要来自于裂尖的塑性变形和裂纹扩展,因此,声发射也受裂尖应力强度因子控制。基于这一原理,本文认为裂纹闭合效应也一定与声发射有对应关系。裂纹由接触到张开,柔度突然增大,塑性变形突增,以及有效裂纹长度迅速增加,反之亦然,声发射必定会给出这一突变以响应。实验极好地论证了这一预测,为监测裂纹闭合效应提供了一种新的测试手段。     

功能梯度材料接触力学若干基本问题的研究进展

由于功能梯度材料在改善表面接触损伤方面的潜在应用,其接触力学问题受到越来越广泛关注,许多学者开展了大量的研究工作.本文结合作者近些年来在功能梯度材料接触力学方面开展的研究工作,综述了功能梯度材料接触力学若干基本问题的最新理论研究进展,包括功能梯度材料的无摩擦和滑动摩擦接触、微动接触、热弹性接触及失稳、力电磁多场耦合接触和黏附接触.最后对未来功能梯度材料接触力学研究进行了展望.     

离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用

晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而然地捕捉塑性变形微米/亚微米特征尺度下本征的尺度效应.它所能模拟的尺度介于微观分子动力学模拟和宏观有限元模拟之间,在多尺度算法中起到承上启下的作用.本文首先系统地发展、完善和丰富了离散位错动力学-有限元(finite element method, FEM)叠加算法、DDD-FEM直接耦合算法(discrete-continuous method, DCM)以及离散位错动力学-扩展有限元(extended finite element method, XFEM)耦合算法等框架体系.在此基础上,利用这些方法对单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的断裂和损伤变形行为以及塑性行为的微尺度和微结构效应3个方面开展了系统的研究.所得模拟结果指导了基于微结构和位错机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构模型的建立,丰富和加深了人们对材料强化、循环塑性、断裂、损伤、尺度效应和微结构效应的认识.此外,离散位错动力学可进一步应用于诸如高温、高压、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等极端条件下晶体材料塑性行为的研究,是材料力学行为多尺度模拟研究中的重要一环.     

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.     

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.     

bcc结构的动态回复模型

材料在热变形过程中,一般要同时发生两个过程:一是由于滑移变形使位错密度增加,引起加工硬化;二是回复和再结晶过程引起软化.这两个相反过程的发展,其综合效果将受到形变温度、形变速率及形变量的影响.温度控制着自扩散速率,而自扩散速率又影响着回复-再结晶过程的进行.在回复过程中,位错密度的增减主要由形变速率和应变量来决定.     

Rieke定理修正

Rieke通过研究在定向压力作用下冰柱与水的平衡实验,提出了在变质岩研究中广泛应用的Rieke定律,Rieke实验局限于单一物质(H_2O),并在推广应用中存在一些问题。 由于对Rieke定理的理解和应用一般都局限在“压”和“溶”这两个概念范围内,因而对变质岩的定向构造的形成及相应的物质转移,一般解释为压溶所致.如文献[2]所述:垂直应办的晶粒表面同与其接触的饱和孔隙失去平衡(压力增大溶解度增大),这部份的矿物晶体就发生溶解,组成矿物的元素在这里的浓度大大增长,从而向应力分布不到的矿物晶体扩散,并在那里沉淀于晶体表面,结果使矿物晶粒沿垂直于应力的方向上增长“拉长”。     

界面分子组装与表面图案化

表面图案化是指在至少一维的方向上生成纳米级的规则表面结构. 它在超分子科学、材料科学, 微电子学及细胞生物学等方面均有重要的科学意义和应用价值[1]. 表面图案化主要用于表面性质的调控. 微观尺度的表面结构可以用来控制黏附、摩擦及浸润等材料表面性质, 该性质与分子间相互作用和表面拓扑结构密切相关. 选择性吸附和表面特异性识别更是要求控制表面的各向异性性质. 在微电子领域, 人们已经开始探讨图案化表面材料用作高密度磁性存储介质的可能性. 量子点阵激光、量子级联激光和单电子二极管的出现也从根本上改变了传统器件的基本概念.…     

氢致微裂纹形核的透射电镜原位观察

310稳定型奥氏体不锈钢在严重电解充氢后能产生氢致滞后断裂.当氢含量较高K_I较低时,断口形貌由原来的韧窝变为准解理.奥氏体不锈钢缺口试样在充氢时,缺口前端的塑性区及其变形量能随着充氢时间增长而不断增大,即氢促进了位错的增殖和运动,当这种氢致局部塑性变形发展到临界值时便引起氢致裂纹的形核.这表明,氢致脆性裂纹是以位错的增殖和运动为先决条件的,但细节并不清楚.本文将通过充氢薄膜试样在透射电镜(TEM)中进行原位拉伸,研究氢致裂纹形核和位错发射及运动之间的关系;并和不含氢试样的类似研究进行对比,以揭示两者间的本质区别.     

重载机车与102车钩系统的相互作用关系

针对某型重载机车与102型车钩,对102型车钩在直线与曲线上的稳钩机理及其与重载机车的相互作用关系进行了理论分析,并运用建立的双机重联动力学模型,计算分析了重载机车与102车钩系统在直线、曲线上的动态运行性能.结果表明:在直线上,当纵向压钩力增加时,车钩挡肩能够限制车钩偏转,维持机车-车钩系统的稳定,使得机车车体与转向架相对位移以及轮轴横向力基本保持不变;在曲线上,连挂车钩后端处车体与车钩的相对转角大于前端,将造成连挂车钩后端挡肩先与前从板发生接触,而前端仍处在自由角范围内,且曲线半径越小,使连挂车钩后端前从板达到临界转动状态的纵向压钩力越大.机车通过400, 800 m半径曲线时,随着纵向压钩力的增加,连挂车钩后端处轮轴横向力随之增大,而前端处轮轴横向力随之减小;机车通过300 m半径曲线时,机车车体与前转向架二系止挡发生刚性接触,随着纵向压钩力的增加,连挂车钩后端处轮轴横向力明显增大,而前端处轮轴横向力基本保持不变.     

聚酰亚胺摩擦膜定向液晶的机理研究

液晶易受所接触基片的影响而规则取向,即所谓的定向或锚定。液晶定向技术,是制备液晶器件的关键技术之一。对液晶定向技术的研究,不仅具有重要的实用价值,而且是一个非常重要的理论问题。 通过摩擦聚酰亚胺(PI)涂覆的玻璃基片来诱导液晶排列,是目前最常用的液晶定向方式。关于摩擦膜的定向机理,一种普遍的假设是液晶分子与摩擦所造成的具有一定取向的聚合物分子间的相互作用。Barmentlo等人通过测量表面二次非线性以及光学相位延迟等方式,进一步论证了这一机制。然而,这些光学表征手段的表面分辨率低于1μm~2,因而只能提供一种宏观及平均意义上的证据。本文利用具有高表面分辨率的扫描探针技术:原子力显微术(AFM)和扫描隧道显微术(STM),从微观角度对摩擦膜定向液晶的机理进行了研究。作为比较,我们同时研究了PI Langmuir-Blodgett(LB)膜的结构及其液晶定向性能。     

几种聚合物材料在海水中的摩擦学行为

海洋摩擦学是一个正在发展中的新的摩擦学研究领域. 海水环境中摩擦学的研究对于海洋开发具有重要的意义. 研究了超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯以及聚苯酯/聚四氟乙烯、石墨/聚四氟乙烯和碳纤维/聚四氟乙烯复合材料在海水中分别与轴承钢(GCr15)和镍基合金(Ni-Cr-WC)对摩时的摩擦学行为, 并与纯水润滑下的情况做了比较. 结果显示: 影响5种聚合物材料在海水中摩擦学行为的主要因素是海水的腐蚀作用与润滑作用. 当聚合物材料在海水中与GCr15对摩时, 对摩面由于受到海水的腐蚀, 其表面粗糙度大幅增加, 这使得海水的润滑作用急剧下降, 而对偶的犁耕作用却极大增加. 因此, 5种材料在这种条件下的摩擦系数与磨损率远大于其他条件下的摩擦系数与磨损率. 这种依赖于介质对对偶表面腐蚀的磨损方式可以称之为间接腐蚀磨损. 由于海水具有比纯水更优异的润滑性能, Ni-Cr-WC具有比GCr15更佳的润湿性能, 因此在另外3种条件下5种材料的摩擦系数与磨损率以如下顺序递增: 海水中与Ni-Cr-WC对摩 < 纯水中与Ni-Cr-WC对摩 < 纯水中与GCr15对摩. 此外, 与其他材料相比, 碳纤维/聚四氟乙烯在纯水与海水中具有更优异的耐犁耕与磨损的能力, 它是一种潜在的非常适合于水相润滑的摩擦材料.     

扫描速率对硬盘表面摩擦特性的影响

利用摩擦力显微镜分别在大气和真空环境下对硬盘的表面摩擦特性随扫描速率的变化关系进行了研究分析. 结果表明, 在大气和真空环境下, 硬盘表面摩擦力大小均随扫描速率增大而降低; 且在真空环境下, 由于毛细管力消失, 表面黏着力降低, 摩擦力比大气环境中约小30%.     

高温退火对物理提纯多晶硅位错密度及其电学性能的影响

对纯度约为99.999%的物理提纯多晶硅片进行不同高温退火工艺热处理, 经机械抛光和表面刻蚀后再用扫描电子显微镜(SEM)观察硅片内部位错密度变化情况, 并通过WT2000少子寿命测试仪和双电四探针测试仪测试其少子寿命和电阻率变化情况. 结果表明, 在1100~1400℃之间退火6 h的情况下, 随着退火温度的升高, 物理提纯多晶硅片内部位错密度逐渐减小甚至消失, 然而硅片少子寿命和电阻率等电学性能不但没有随着位错密度的减小而提高, 反而呈现逐渐降低的趋势. 这一现象说明对于杂质含量高的低纯度物理提纯多晶硅片来说, 位错密度并不是影响材料对载流子复合性能高低的决定性因素, 高含量的杂质以及杂质在晶体内部造成的微缺陷(包括间隙态或替位态杂质以及纳米级杂质沉淀)才是决定其少子寿命等电学性能的主要因素.     

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.     

KSZP陶瓷材料强化新途径

增强增韧一直是陶瓷科学与技术研究的重要课题.目前最常用的方法是多相复合,如颗粒、晶须和纤维补强和自补强.相变是陶瓷中的普遍现象,ZrO_2增韧陶瓷是利用相变现象的一个典型例子.表面压应力增强材料的现象,在表面施釉或膨胀系数小的膜层、离子交换、淬火和表面化学反应过程中得以应用.我们在研究[NZP]低膨胀陶瓷时,发现一种利用相变强化陶瓷的方法,本文报道其有关的内容.     

自由表面对地震辐射能的影响: 以逆冲断层为例

从震源辐射的能量表象定理出发, 以逆冲断层为例, 定量地分析了自由表面对逆冲断层地震波辐射能量计算的影响, 利用准静态有限尺度逆冲断层位错模型, 准确地计算了当断层处在不同倾角、距自由表面不同深度的情形下, 断层面上和自由表面位移场和应力场变化. 结果表明, 当断层接近地表, 且倾角很小时, 考虑断层同自由表面相互耦合作用的地震波总辐射能(E_R)远大于由断层本身滑动位移所释放出的辐射能量(E_F), 后者也就是通常用于地震波能量估算的辐射能. 随着断层与自由表面之间的距离进一步增加, 自由表面与断层间的耦合作用也随之减小, 总的辐射能与断层面上的辐射能之比(E_R/E_F)接近于1. 目前的结果可对地震观测中存在的远场和近场视应力不一致的现象提供了部分解释, 而且该成果对于近场强地面运动的准确定量计算有着十分重要的意义.