纳秒激光制备钛表面纹理结构及其润湿性研究

激光加工技术可在材料表面形成多种纹理结构,为了研究激光加工所得不同纹理结构对材料润湿性的影响,通过纳秒激光加工技术在金属钛表面分别加工直线、网格和点阵的表面纹理结构。采用扫描电子显微镜、接触角测量仪、粗糙度分析仪和X射线光电子能谱分别对激光加工后的钛表面进行表面形貌、接触角、粗糙度与化学成分的表征与分析。结果表明:初经激光纹理加工后试样表面的粗糙度较激光加工前均显著提高,但此时3种纹理结构试样表面接触角均小于90°;随着时间的推移,被加工材料表面化学成分的改变带来了材料表面自由能的变化,进而使被加工表面接触角总体呈现上升趋势;待试样表面化学成分稳定后接触角也基本保持不变,并且对于每种纹理结构而言,其接触角随粗糙度的增加而升高。直线、网格和点阵纹理结构试样表面接触角最终可达157.2°,153.1°和134.6°,从而实现了钛表面润湿性由亲水性向疏水性的转变。     

表面粗糙度对环境友好润滑剂润滑性能的影响

通过接触角测量仪及微摩擦磨损试验机考查了SiO₂试样表面粗糙度对环境友好润滑剂角鲨烷、季戊四醇油酸酯浸润性以及润滑性能的影响.结果表明：随着试样表面粗糙度的增加,润滑液体与试样表面接触角越大,浸润效果越差.角鲨烷润滑介质中,试样表面越粗糙,SiO₂-GCr15间的摩擦系数越大,试样表面磨损体积越大,摩擦副间的摩擦系数随时间先变大而后慢慢减小趋于稳定.季戊四醇油酸酯介质中,12min以后,试样表面越粗糙,摩擦副间的摩擦系数反而越小,随着试样粗糙度的增加,试样表面的磨损体积也随之减小.     

表面改性对纤维织物衬垫材料摩擦学性能的影响

采用接触角测定仪和栓-盘式摩擦磨损试验机分别研究了表面改性纤维织物衬垫材料的疏水疏油性能和摩擦磨损性能,并采用扫描电子显微镜对表面改性衬垫材料的表面形貌和表面化学成分进行分析表征。结果表明:在不影响纤维织物衬垫材料摩擦磨损性能的情况下,全氟辛基三氯硅烷表面改性可以增大衬垫材料表面对水或油的接触角,使得衬垫材料在油污、水汽等环境下具有良好的环境稳定性.     

利用分形结构修饰疏水表面的研究

针对某种材料表面设计合理的粗糙结构是增大接触角进而提升材料疏水性的主要方法。通过理论分析无分形结构下水滴在硅树脂表面不同粗糙度下存在的Wenzel模型和Cassie模型2种接触状态关系以及接触角大小,得出同等接触角下Cassie状态粗糙表面更易修饰;对比分形结构对2种接触模型的作用效果,分形结构修饰后2种模型接触角均增大,且一定分形级数内Cassie接触状态接触角增幅明显。利用分子动力学模型仿真分析无分形结构以及存在二级分形结构时对Cassie状态接触角影响,取4种不同粗糙结构进行对比,仿真结果显示固体表面存在二级分形结构时,接触角增大约5°,将仿真结果与理论值相比较,误差约1%,对Cassie状态粗糙度修饰分形结构可提升疏水性。     

表面接枝不同分子量聚乙二醇的聚氨酯材料的抗粘附性能研究

通过利用聚多巴胺与氨基基团的共价反应,将不同分子量的氨基聚乙二醇单甲醚(mPEG-NH_2)固定于聚氨酯(PU)材料表面,并系统地研究了不同分子量聚乙二醇修饰的聚氨酯材料表面的抗粘附性能.实验中采用了三种不同分子量的氨基聚乙二醇单甲醚,分别是分子量1 000、2 000和5 000.对修饰后的材料表面进行的X射线光电子能谱测试及静态接触角测试证实了不同分子量的聚乙二醇成功地接枝于聚氨酯材料表面.通过对材料表面在不同时间段抗金黄色葡萄球菌粘附效果的分析,以及抗血小板粘附测试,系统地探讨了聚乙二醇分子量的不同对所修饰材料表面抗粘附效果的影响.并针对由分子量2 000与5 000的聚乙二醇修饰的材料表面进行了抗细菌生物膜测试.     

酸性环境对PEM燃料电池弹性体垫片材料老化性能的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中弹性体垫片材料的持久性和稳定性对整个燃料电池的电化学性能有着重要影响。根据弹性体垫片材料在PEM燃料电池中所处酸性环境,配制了4种浓度不同的酸性试验溶液,研究弹性体垫片材料在该介质中的老化损伤情况。分别采用光学显微镜和傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)仪观察了弹性体垫片材料在不同浓度溶液和不同老化时间后试样表面微观形貌变化和试样表面的化学成分变化。试验结果表明:老化时间和老化介质对弹性体垫片材料的损伤有着显著影响,其微观表面由平滑逐渐粗糙直至裂纹产生、增加;且随着时间和试验溶液浓度的增加,弹性体垫片材料的损伤程度增加。化学性能改变的机制主要是由于分子主链的水解和交联断裂。     

不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究

为了研究表面织构在不同粗糙度条件下的润滑特性,使用球-盘式摩擦实验机,以具有不同粗糙度和表面织构的硅橡胶(PDMS)试样盘为下试样、GCr15轴承钢球为上试样进行摩擦实验,润滑液采用体积分数为60%的甘油-水溶液.实验结果表明,在较低的滑行速度下,表面织构会增大光滑PDMS试样的摩擦因数,但却降低粗糙PDMS试样的摩擦因数.当摩擦副处于混合润滑状态时,试样表面粗糙度有一个最优值范围,在该范围内织构化的试样具有最优的摩擦性能,如在滑行速度为1mm/s、织构面积率为10.4%的情况下,粗糙度为230nm的试样比粗糙度为20、280和360nm的试样具有更低的摩擦因数.     

常压等离子体对聚乳酸非织造材料的改性处理

采用常压氩气介质阻挡放电(DBD)等离子体对聚乳酸(PLA)纺黏非织造材料进行表面改性处理,以提高材料的亲水和染色性能.考察了等离子体处理电压对PLA非织造材料的表面形貌、接触角、芯吸高度、表面化学成分、染色性能以及拉伸断裂强力的影响规律.研究结果表明:经氩气DBD等离子体处理后,PLA非织造材料的表面粗糙度明显增加;随着等离子体处理电压的增加,PLA非织造材料的接触角先减小后增加,当处理电压为200 V时,接触角达到最小值,此时材料的芯吸和染色性能的提高最显著.     

化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面

采用简单化学刻蚀法对铝合金基体进行腐蚀,得到了粗糙表面.然后对铝合金粗糙表面进行氟化处理,得到了具有超疏水的表面.研究了不同刻蚀时间以及不同刻蚀液浓度对表面疏水效果的影响.结果发现:在实验的参数条件下,不同刻蚀时间下,接触角随着氢氟酸刻蚀时间的增加,先增加后减少,当氢氟酸刻蚀时间为7 min时,所得试件水的接触角最大.不同刻蚀液浓度下,接触角随着盐酸浓度的增加,先增加后减少.当盐酸浓度为4 mol/L时,所得试件水的接触角最大.     

电弧离子镀沉积碳膜的结构和疏水性能

为了研究脉冲偏压对薄膜结构和疏水性能的影响,采用电弧离子镀技术在不锈钢和硅基底材料上沉积了纯碳薄膜,在保持直流偏压、频率和占空比等工艺参数稳定的情况下,在不同脉冲偏压下制备获得纯碳薄膜.分别利用X线衍射仪、X线光电子能谱、扫描电镜、摩擦磨损仪和接触角测量仪对薄膜样品的微观结构、表面形貌、摩擦系数和疏水性能进行测试.结果表明:沉积所得纯碳薄膜均呈非晶态,随着脉冲偏压的升高,纯碳薄膜表面形貌质量先变好再变坏;摩擦系数先变小后变大,但变化幅度不大;接触角先减小后增大.脉冲偏压为300 V时,样品表面形貌最平整,摩擦系数最小,为0.192;在脉冲偏压为500V时,纯碳薄膜样品的接触角平均值最大,为102.53°,疏水性能最好.     

虑隧道表面特性的硬岩全断面掘进装备撑靴接触界面刚度分析

采用修正的各向同性三维分形表面的W M函数构造隧道掘进机掘进后的隧道粗糙表面;考虑法向支撑载荷作用和岩石在压缩载荷下的失效机制,建立了掘进机撑靴与岩石粗糙表面法向接触刚度模型.研究变载荷工况下,不同粗糙隧道表面特性与掘进机撑靴接触界面刚度特性变化规律.结果表明：岩石的失效对接触刚度特性影响明显,相同的载荷下,岩石的失效会带来接触刚度的减小;当岩石弹性模量相同时,接触刚度随着硬度的增大而增大;当岩石硬度相同时,接触刚度随着弹性模量的增加而减小;随着外部载荷的增加,粗糙表面的接触刚度随之增加,而表面粗糙度的增大会引起界面接触刚度相应减小.     

Morphology and contact mechanics influence adhesive characteristics of Dung Beetle’s bristle and Gecko’s setae

Geckos(Gekko gecko)use their hairy setae to adhere on various solid surfaces and dung beetles(Copris ochus Motschulsky)use their hairy bristles to anti-adhere in sticky environments.We study why two hairy systems express a conflict in functions by using SEM,histological approaches and functional experiments.Adhesion models and various parameters were collected and analyzed.Based on the morphological data and functional experimental results carried out by natural and denatured gecko setae and beetle bristles,we first demonstrated that the stiffness along the hair is 1000 to 30000 times that perpendicular to the hair.This stiffness difference is the key factor leading to the two hairy systems' functional differences.Slope of gecko setae reduces contact stiffness,increases contact points and real contact area that results in amazing adhesive abilities.On the other hand,stiff bristles in a beetle have higher contact stiffness,which reduces the real contact area and decreases the adhesion between two contact surfaces.Deformation of gecko setae destroys the hierarchical structure,increases the contact stiffness and results in a decrease of adhesion forces.Similarly,deformation of beetle bristles destroys the erect structure of the hair,interconnects the separated bristles and thus decreases the anti-adhesive functions.These observations inspire us in designing anti-adhesive and adhesive biomimetic systems     

一种结合面法向接触刚度计算模型的构建

摘要：
为了预测2个固体粗糙表面接触时结合面的法向接触刚度,采用分水岭分割方法获得了粗糙表面三维微凸体的尺寸与空间分布;基于弹塑性接触理论推导出单对微凸体侧接触时接触载荷与接触变形的关系,并通过确定粗糙表面上每个微凸体的变形类型与接触载荷,计算了结合面的法向接触刚度.将计算结果与实验结果进行比较,验证了该方法的有效性.
关键词：
粗糙表面; 形貌; 侧接触; 法向接触刚度
中图分类号： O 343.3
文献标志码： A     

The breakdown of continuum models for mechanical contacts

Forces acting within the area of atomic contact between surfaces play a central role in friction and adhesion. Such forces are traditionally calculated using continuum contact mechanics, which is known to break down as the contact radius approaches atomic dimensions. Yet contact mechanics is being applied at ever smaller lengths, driven by interest in shrinking devices to nanometre scales, creating nanostructured materials with optimized mechanical properties, and understanding the molecular origins of macroscopic friction and adhesion. Here we use molecular simulations to test the limits of contact mechanics under ideal conditions. Our findings indicate that atomic discreteness within the bulk of the solids does not have a significant effect, but that the atomic-scale surface roughness that is always produced by discrete atoms leads to dramatic deviations from continuum theory. Contact areas and stresses may be changed by a factor of two, whereas friction and lateral contact stiffness change by an order of magnitude. These variations are likely to affect continuum predictions for many macroscopic rough surfaces, where studies show that the total contact area is broken up into many separate regions with very small mean radius.     

A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos

The adhesive strategy of the gecko relies on foot pads composed of specialized keratinous foot-hairs called setae, which are subdivided into terminal spatulae of approximately 200 nm (ref. 1). Contact between the gecko foot and an opposing surface generates adhesive forces that are sufficient to allow the gecko to cling onto vertical and even inverted surfaces. Although strong, the adhesion is temporary, permitting rapid detachment and reattachment of the gecko foot during locomotion. Researchers have attempted to capture these properties of gecko adhesive in synthetic mimics with nanoscale surface features reminiscent of setae; however, maintenance of adhesive performance over many cycles has been elusive, and gecko adhesion is greatly diminished upon full immersion in water. Here we report a hybrid biologically inspired adhesive consisting of an array of nanofabricated polymer pillars coated with a thin layer of a synthetic polymer that mimics the wet adhesive proteins found in mussel holdfasts. Wet adhesion of the nanostructured polymer pillar arrays increased nearly 15-fold when coated with mussel-mimetic polymer. The system maintains its adhesive performance for over a thousand contact cycles in both dry and wet environments. This hybrid adhesive, which combines the salient design elements of both gecko and mussel adhesives, should be useful for reversible attachment to a variety of surfaces in any environment.     

石油污泥润湿性的研究

本文介绍了中原油田污水处理产生的污泥在不同表面的接触角以及在污泥中加入化学剂后接触角的变化,应用热力学粘附功和内聚功的概念,解释了实验结果。     

解理云母表面粘着特性的实验

为了解粘着行为的机理,对法向力测量系统进行了改进,利用应变测量和动态应变仪连续采集信号实现对分离力的实时动态测量,理论分辨率达到0.023mN。利用该系统对新鲜解理云母作为接触副的趋近分离实验现象进行了测量,发现新鲜解理云母直接接触时的分离力随着接触次数的增加而减小。在中间层存在水膜时,分离力增加约3倍,这验证了弯月面力对粘着力有显著影响,同时证明系统的动力学特性能够导致突跳现象的发生,且不一定伴随表面的破坏或塑性变形。     

粗糙机械结合面的接触刚度研究

为准确进行计入粗糙接触界面影响的组合结构动力分析,基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,给出了根据受力和变形关系计算粗糙表面接触刚度的方法,得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度.计算结果表明:表面形貌造成的接触应力分布不均匀和局部塑性变形导致法向界面接触刚度随着压力的增加先增大后减小,并随着表面粗糙度的增加而降低;切向界面接触刚度随着法向载荷和摩擦系数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小.当切向载荷增加到一定值时,接触界面将由微观滑移转化为宏观滑动,摩擦界面连接失效.     

考虑临界变形量变化的结合面法向接触刚度计算模型

考虑微凸体接触过程中临界变形量变化,建立结合面法向接触刚度计算模型.采用分形几何表征结合面的形貌特征,由表面形貌测量数据得到分形函数的分形参数D和G.采用弹塑性变形接触理论分析微凸体的接触变形特征,得到微凸体的临界变形量估计模型,其是分形参数和微凸体接触变形量的函数,进而得到考虑临界变形量变化的单个微凸体的接触刚度计算模型.由分形理论得到粗糙表面微凸体分布函数,微凸体分布函数与单个微凸体接触刚度计算模型结合得到结合面的法向接触刚度计算模型.通过对比计算结果与实验数据,验证了所提模型的合理性.     

硬岩掘进机刀盘载荷与撑靴接触界面刚度的耦合关系

在复合地质条件掘进时刀盘载荷与撑靴接触界面的耦合关系严重影响硬岩掘进机(TBM)动态特性.基于并联机构理论研究TBM推进系统的力传递特性,建立刀盘、机械系统和撑靴接触刚度耦合力传递模型,讨论了刀盘在复合地质条件下掘进时刀盘载荷波动与撑靴岩石接触界面刚度之间的耦合关系.结果表明,撑靴接触界面刚度随刀盘载荷增大而非线性增大;复合地层中,刀盘载荷波动,接触界面刚度也呈现相应的波动特性;两侧撑靴接触界面岩石软硬不同时,刀盘载荷均值和波动增加,接触界面刚度均值和波动加大,且较硬一侧增加幅度大于较软一侧减小幅度.