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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

水溶性铑膦配合物插层水滑石的制备及主、客体组成对其催化性能的影响

将水溶性铑膦配合物插层到层状材料水滑石层间, 用于烯烃氢甲酰化反应催化剂. 采用X射线衍射(XRD), 傅里叶交换红外(FT-IR)和等离子耦合原子发射光谱(ICP-AES)等手段对催化剂样品的晶相结构及组成进行了详细表征, 结果表明成功制备了RhCl-(CO)(TPPTS)₂(P(m-C₆H₄SO₃Na)₃, 简称TPPTS)和TPPTS共插层水滑石. 进一步研究了水滑石主体层板的组成及客体无机阴离子种类的改变对插层结构水滑石催化剂样品在烯烃氢甲酰化反应中的催化性能的影响.     

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.     

表面粗化对IPMC人工肌肉性能的影响

离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是由聚合物基底膜和金属电极复合而成的一种新型的离子型电致动材料.对基底膜进行表面粗化处理,改善聚合物基底和金属电极间交界面构筑方式是提高材料性能的重要方法.本文针对IPMC人工肌肉的制备提出了一种可控的基底膜定向表面粗化方法,基于UMT-2摩擦磨损试验机的线性往复运动设计了一套IPMC基底膜表面粗化装置.对比手工粗化,采用3种载荷对Nafion商业膜表面进行了机械粗化处理.对不同粗化条件获得的基底膜以相同的工艺制备IPMC,研究了不同粗化方法和条件对IPMC人工肌肉力和位移输出性能的影响.结果表明,机械粗化能够排除手工粗化过程中人为因素的影响,做到粗化加载的力度及方向性可控,使磨痕深浅均匀方向一致.相比手工粗化,通过机械粗化可以改善基底膜与电极层之间的构筑紧密程度,增加铂颗粒的吸附能力和沉积厚度,获得更为平整致密、裂隙均匀有序的表面电极,从而降低IPMC表面电阻,提升力和位移输出能力.致密且较厚的电极层同时可以阻挡一部分水分的泄露,延长IPMC有效工作的时间.该研究能够提升IPMC制备工艺的稳定性,为IPMC制备的标准化奠定基础,同时提高IPMC人工肌肉的驱动性能,对IPMC人工肌肉的进一步开发应用提供保障.     

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.     

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.     

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     

激光检测摩擦力显微镜的研制

纳米摩擦学已经成为摩擦学最活跃的研究领域之一。摩擦力显微镜(Friction force microscope,简称FFM)是最近几年在原子力显微镜(Atomic force microscope,简称AFM)基础上发展起来的一种具有很高分辨率的、用于研究物质表面微观摩擦性质的探测工具。由于以往在微观尺度上对摩擦现象的研究缺乏有效手段,因此,FFM自问世以来便受到广泛重视并在纳米摩擦学领域得到应用。目前纳米摩擦学研究领域的最新成果大都由AFM和FFM得到,如微摩擦力与表面轮廓斜率的对应关系、微摩擦力的周期性、微磨损的特性等。但AFM和FFM在纳米摩擦学领域的应用研究本身还有待于深入发展。虽然国内一些单位已开展对微观摩擦学的研究和扫描探针系列显微镜的研制工作,但尚未有用FFM从事纳米摩擦磨损研究的报道。清华大学摩擦学国家重点实验室与中国科学院化学研究所于1995年5月成功地研制出国内首台FFM。本文报道了我们在仪器研制方面所作的工作。     

OTS分子膜的摩擦特性

在单晶硅和玻璃的基体上制备了十八烷基三氯硅烷（ＯＴＳ）的自组装膜,并采用自行研制的环境控制式点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测试了其摩擦特性,考察了湿度对ＯＴＳ自组装膜及基体表面摩擦性能的影响。基体摩擦系数为０．４～０．５,在其表面制备ＯＴＳ自组装膜之后,摩擦系数降至０．１左右,且黏滑现象得到减轻,表明ＯＴＳ膜具有较好的润滑特性。由于ＯＴＳ自组装膜具有强斥水性,其摩擦学性能对湿度变化不敏感,在２０％～     

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。     

低速冲击下的绝热剪切带

白层自1911年由Stead在磨损的钢丝绳表面发现以来,一直是磨损工作者感兴趣的焦点.表面白层在许多材料和不同工况条件下被观察到,具有硬度高和晶粒细小等共同特征,然而白层中是否产生了相变至今仍有争议.在高速冲击情况下,材料中通常产生体内的白层(或称白带).本世纪40年代,Zener和Hollomon用绝热剪切的观点对这种动态下的独特现象进行了解释,从70年代开始,力学界对绝热剪切的现象进行了深入的研究.众多工业应用场合同低速冲击有关,而低速下的绝热剪切现象研究得非常有限,因此加强这方面的研究对选材及工艺改进有重要的意义.本文模拟了工业上广泛应用的球磨机的工况条件,对冲击磨损中的绝热剪切带进行了较详细的观察和研究。     

硫原子3d轨道对硫化聚乙炔电子性质的影响

研究空气稳定性好的聚乙炔(PA)导电材料,是目前国际上急待解决的难题。我们从聚氯乙烯出发制备了在空气中稳定的硫化类聚乙炔材料(SLPA),并对其结构性能进行了表征,从量子化学角度研究了硫化对PA电子性质的影响。     

碟形弹簧对电机止推轴承的影响

潜油电机是一个立式悬挂电机,为承受转子的重量,使电机转子在固定的位置工作,电机上部有一个止推轴承.其工作原理是:止推轴承动静块组成一对摩擦副,在运转过程中,润滑油能在摩擦表面形成一层连续稳定的压力油膜,有效地隔离金属之间的相互接触及干摩擦,以承受转子的轴向力.止推轴承下部有一个碟形弹簧,它支撑着止推轴承,可以卸载转子的轴向载荷,起到减震、缓冲的作用,使止推轴承在高速运转中可以保持平衡和稳定.止推轴承对电机的工作性能(动力性、经济性以及稳定性等)和使用寿命有着举足轻重的影响.