材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展
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afm摩擦学表征摩擦学是研究物体表面间相互作用的一门学科,而原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)则是一种能够观测表面原子级别的仪器。
AFM摩擦学表征是利用原子力显微镜对材料摩擦特性进行研究和表征的方法。
本文将介绍AFM摩擦学表征的原理、应用和相关研究进展。
一、原理AFM是一种基于扫描探针显微镜的技术,它通过利用探针与样品表面的相互作用力来获取表面形貌和其他物理性质的信息。
在AFM摩擦学表征中,我们关注的是探针与样品表面的摩擦力。
AFM的探针是由一个微小的探头和一个弹簧组成,当探针接触到样品表面时,弹簧会受到力的作用而发生弯曲。
通过测量弹簧的弯曲程度,我们可以得到探针与样品表面之间的相互作用力,其中包括摩擦力。
通过在样品表面上扫描探针,我们可以获取摩擦力的分布情况,从而研究材料的摩擦特性。
二、应用AFM摩擦学表征在材料科学、表面科学、纳米科学等领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景:1. 表面摩擦特性研究:通过AFM摩擦学表征,我们可以研究不同材料表面的摩擦特性,包括摩擦系数、摩擦力的分布等。
这对于理解材料的摩擦行为、优化材料的表面性能具有重要意义。
2. 润滑剂研究:润滑剂在减小摩擦和磨损方面起着重要作用。
通过AFM摩擦学表征,我们可以评估不同润滑剂的性能,优化润滑剂的配方,并研究润滑剂与材料表面的相互作用机制。
3. 纳米摩擦学研究:随着纳米技术的发展,纳米材料的摩擦特性成为一个研究热点。
通过AFM摩擦学表征,我们可以研究纳米材料的摩擦行为,揭示纳米尺度下摩擦的特殊规律,并为纳米器件的设计和制造提供指导。
三、研究进展近年来,AFM摩擦学表征在理论和实验研究方面取得了许多进展。
以下是一些研究方向的发展动态:1. 多尺度摩擦学:传统的摩擦学理论主要适用于宏观尺度,而在纳米和微观尺度下,摩擦行为显示出与宏观尺度不同的规律。
研究人员通过结合实验和理论方法,探索多尺度下的摩擦特性,为纳米和微观尺度的摩擦学理论提供了基础。
表面技术第53卷第7期基于硬质WC涂层的不同摩擦副间的摩擦磨损特性及损伤机制研究王晓霞1,陈杰1,郝恩康1*,刘光1*,崔烺1,贾利1,魏连坤1,郝建洁1,曹立军1,安宇龙2(1.中国兵器科学研究院宁波分院,浙江 宁波 315103;2.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室,兰州 730000)摘要:目的探究硬质WC-12Co涂层与摩擦副间的力学性能、摩擦磨损特性的对应关系。
方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备WC-12Co硬质涂层,利用SEM、XRD、EDS等分析涂层的微观形貌、物相组成和元素分布规律等,研究该涂层与不同对偶配副的摩擦学性能及摩擦磨损机理等。
结果采用HVOF技术制备的WC-12Co涂层中各元素及物相分布均匀,涂层的显微硬度约为1 103.8HV0.3,纳米硬度约为20.47 GPa。
涂层和不同对偶配副的干摩擦因数均在0.80以上,磨损率在10−6 mm3/(N·m)量级,其中与Al2O3对偶球配副时摩擦因数(约0.81)最低,与WC-6Co对偶球配副时摩擦因数(约0.85)最大,在与Al2O3配副时磨损率最大,约为11.09×10−6 mm3/(N·m),与GCr15配副时磨损率最小,约为1.60×10−6 mm3/(N·m)。
结论硬质WC-12Co涂层致密均匀,其力学性能优异,与不同材质对偶球配副时其磨损机制有所不同,导致摩擦副间的摩擦因数和磨损率略有差异,但其耐磨性均良好,可以根据实际应用工况特点选择不同的摩擦副,以保证硬质碳化钨涂层的安全稳定长效服役。
关键词:WC-12Co涂层;超音速火焰喷涂;摩擦副;力学性能;摩擦学性能中图分类号:TG174.442 文献标志码:A 文章编号:1001-3660(2024)07-0076-09DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.07.008Friction and Wear Behaviors and Damage Mechanisms ofDifferent Friction Pairs Based on Hard WC CoatingWANG Xiaoxia1, CHEN Jie1, HAO Enkang1*, LIU Guang1*, CUI Lang1,JIA Li1, WEI Liankun1, HAO Jianjie1, CAO Lijun1, AN Yulong2(1. Chinese Weapons Science Academy Ningbo Branch, Zhejiang Ningbo 315103, China; 2. State Key Laboratory ofSolid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)ABSTRACT: The WC-12Co metalloceramic coating is regarded as the ideal choice to improve the wear resistance of engineering components. However, the friction and wear characteristics of the coating are not only related to its structure and收稿日期:2023-04-10;修订日期:2023-10-09Received:2023-04-10;Revised:2023-10-09基金项目:国家自然科学基金(52205223);内蒙古自治区自然科学基金(2022QN05019);宁波市自然科学基金(2022J316)Fund:National Natural Science Foundation of China (52205223); Natural Science Foundation of Inner Mongolia Municipality (2022QN05019); Natural Science Foundation of Ningbo City (2022J316)引文格式:王晓霞, 陈杰, 郝恩康, 等. 基于硬质WC涂层的不同摩擦副间的摩擦磨损特性及损伤机制研究[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 76-84.WANG Xiaoxia, CHEN Jie, HAO Enkang, et al. Friction and Wear Behaviors and Damage Mechanisms of Different Friction Pairs Based on Hard WC Coating[J]. Surface Technology, 2024, 53(7): 76-84.*通信作者(Corresponding author)第53卷第7期王晓霞,等:基于硬质WC涂层的不同摩擦副间的摩擦磨损特性及损伤机制研究·77·components, but also closely associated with the friction pairs and working conditions. Thus, the work aims to expound the relationship between the mechanical and tribological properties of the hard WC-12Co coating sliding with different friction pairs. In this work, the WC-12Co coating was prepared by the high velocity oxygen fuel (HVOF) spraying technology, and then its morphology, phase composition and element distribution were analyzed by SEM, XRD and EDS. Meanwhile, the tribological properties and friction and wear mechanism of the coating sliding against three different coupled balls of GCr15 stainless steel, WC-6Co and Al2O3 were studied as well. Moreover, the friction and wear mechanisms were analyzed from the evolution of microstructure, mechanical properties and phase components.The elements and phases of WC-12Co coating prepared by HVOF technology were evenly distributed. The interior of the coating was uniform and compact with an average porosity of (2.86±0.16)%, while the near-surface layer was loose. This was caused by the tamping effect because of subsequent particles compacting the previous deposited particles. In addition, there wasa slight decarbonization during deposition proved by the presence of W3C phase in the coating. The WC-12Co coating had amicrohardness of about 1 103.8HV0.3, and a nano-hardness of about 20.47 GPa. According to the order of GCr15 stainless steel, WC-6Co and Al2O3, the microhardness, contact stiffness, nano hardness, elastic modulus and resilience of the coupled balls gradually increased, while the mechanical properties of the coating were slightly less than the values of the WC-6Co coupled ball. The dry coefficient of friction (COF) of WC-12Co coating sliding against different friction pairs was above 0.80, and the wear rate (WR) was in the order of 10−6 mm3/(N·m). The lowest COF was about 0.81 when the coating slid against alumina ball, and the highest COF was about 0.85 when the coating slid against tungsten carbide ball. The coating had the highest WR(11.09×10−6 mm3·N−1·m−1) coupled with aluminum oxide ball, and the lowest WR (1.60×10−6 mm3·N−1·m−1) coupled withGCr15 steel ball. Due to the low hardness and large plasticity of GCr15 stainless steel ball, the transfer film was easy to form and adhere to the coating surface during friction, appearing typical abrasive wear and adhesive wear characteristics. The mechanical properties of WC-6Co ball and coating were approximate, and there were no typical signs of abrasive wear or adhesive wear. The alumina would appear moisture absorption phenomenon in the air, and the formation of intermediate products could play a lubricant effect to reduce the COF. However, the hardness of Al2O3 ball was very high, and it was easy to wear the softer one of the friction pairs, so the wear rate of the coating was the largest. Besides, the tribochemical reactions of the coating sliding against different coupled balls were roughly the same.In general, the WC-12Co coating is dense and uniform with excellent mechanical properties. Although the COF and WR of the coating are slightly different due to the wear mechanism difference with different coupled balls, the wear resistance of the hard WC-12Co coating is very excellent. The various friction pairs can be selected according to the characteristics of the actual application conditions, so as to ensure the safe, stable and long-term service of the hard WC-12Co coating.KEY WORDS: WC-12Co coating; HVOF spraying; friction pairs; mechanical properties; tribological properties履带行动系统(如主动轮齿圈、履带连接环等“四轮一带”运动摩擦部件)具有高速重载的典型特征,互相接触的运动部件之间通常伴随着磨损的产生,这是导致相应部件损伤失效的重要因素[1-3]。
2020/11总第537期磷系极压抗磨剂的反应机理及研究进展刘敏1,2,安海珍1,2,甄鹏厚1,2,陈莉1,2(1. 江苏徐工工程机械研究院有限公司,江苏徐州 221004;2. 徐工集团高端工程机械智能制造国家重点实验室,江苏徐州 221004)[摘要]磷系极压抗磨剂因其优异的极压抗磨性能在工程机械润滑油中受到广泛应用。
本文对不同类型磷系极压抗磨添加剂的反应机理进行了分析和归纳,简要介绍了其在润滑油中的应用,可指导工程机械不同系统部件润滑油对极压抗磨剂的选用。
[关键词]磷系极压抗磨剂;机理;润滑油[中图分类号]TH117 [文献标识号]B [文章编号]1001-554X(2020)11-0059-03 Reaction mechanism and research progress of phosphorus extremepressure antiwear agentsLIU Min,AN Hai-zhen,ZHEN Peng-hou,CHEN Li机械设备在正常运转时,大约有1/3的能量消耗来源于摩擦,80%的部件损坏是由磨损造成的。
润滑油中的极压抗磨剂可以有效改善机械设备主要摩擦副的摩擦磨损,提高机械的工作效率,延长机械使用寿命。
在所有极压抗磨添加剂中,磷系添加剂因其优异的抗磨减摩性能、较高的承载能力、良好的复配性以及制备工艺简单等特点,已成为目前应用最广、抗磨效果最好的一类润滑油极压抗磨添加剂。
磷系极压抗磨剂种类繁多,按其所含活性元素划分,可分为磷型、磷氮型、硫磷型、硫磷氮型、硼磷氮型[1]。
本文将简要介绍磷系极压抗磨剂的反应机理和研究进展。
1 磷型磷型添加剂在润滑油脂中应用较早,主要有磷酸酯和亚磷酸酯系列。
一般认为磷酸酯的抗磨效果不如亚磷酸酯。
最初的磷酸酯作用机理为“化学抛光”理论[2],即磷酸酯在摩擦表面凸起点处瞬时高温条件下分解,与接触表面的铁反应生成磷化铁,再与附近的铁生成低熔点共晶层流向凹部,使金属表面更加平整,防止磨损产生。
界面黏滑摩擦现象的研究进展宋保江;阎绍泽【摘要】从宏观尺度和微观尺度两个方面介绍了界面黏滑摩擦的研究进展,重点概述了宏观黏滑现象及其摩擦特性、微观黏滑现象及其摩擦特性、黏滑摩擦的建模以及黏滑实验研究进展,分析了现阶段界面黏滑摩擦研究中的重点问题.最后指出,从微观和介观尺度上研究界面摩擦行为是黏滑摩擦的未来发展方向.%The recent progresses in stick-slip friction on both of macroscopic and microscopic scales were reviewed.The friction properties embodied by the macroscopic stick-slip phenomenon,the discovery of the microscopic stick-slip phenomenon and the influence factors of the microscopic stick-slip friction were introduced.The achievements of the modeling researches and experimental studies in the field of stick-slip frictions were summarized.This paper gave a brief perspective to the focus studies on stick-slip frictions and proposed the ideas that exploring the interface friction behavior from microscopic and mesoscopic scales is the developing trend in the area of stick-slip frictions.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2017(028)013【总页数】10页(P1513-1522)【关键词】界面;黏滑摩擦;微观黏滑;宏观黏滑;摩擦特性【作者】宋保江;阎绍泽【作者单位】清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学机械工程系,北京,100084;清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学机械工程系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TH117.1黏滑(stick-slip)摩擦现象广泛存在于自然界及工程领域,它是一种在低速驱动情况下接触界面间滑动和静止交替出现的摩擦现象。
自润滑复合材料论文-自润滑材料及其摩擦特性摘要:自润滑复合材料是材料科学研究领域的一个重要发展方向,由于其在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注。
本文主要介绍国内外自润滑复合材料的开发与进展,讨论了对材料摩擦学性能的影响因素。
关键词:固体润滑摩擦磨损自润滑复合材料一、前言:液态润滑(润滑油、脂是传统的润滑方式,也是应用最为广泛的一种润滑方式。
但液体润滑存在一下问题:1.高温作用下添加剂容易脱落;2。
随温度升高,其粘性下降,承载能力下降;3.高温环境下其性能衰减等问题;4。
液体润滑会增加成本,如切削加工中的切削液;5.液体润滑会造成环境污染.所以,自润滑材料已成为润滑领域的一类新材料,成为目前摩擦学领域的重要研究热点。
二、自润滑材料的种类自润滑材料一般分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料和陶瓷自润滑材料。
其制备方法通常为粉末冶金法,此外,等离子喷涂、表面技术和铸造法也被应用于自润滑复合材料的制备。
1金属基自润滑材料金属基自润滑复合材料是以具有较高强度的合金作为基体,以固体润滑剂作为分散相,通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。
目前已开发的金属基自润滑复合材料,如在铁基、镍基高温合金中添加适量的硫或硒及银基和铜基自润滑材料,都已得到一定程度的应用。
2非金属基自润滑材料非金属基自润滑材料主要是指高分子材料或高分子聚合物,如尼龙等.它在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。
目前高分子基自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度;通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能。
3陶瓷自润滑材料陶瓷材料以其独特的特点和优点,使得陶瓷及陶瓷复合材料的自润滑研究已经引起了较为广泛的重视。
三、自润滑减摩材料的特点、性能1 粉末冶金法制造减摩材料的特点(1在混料时可掺入各种固体润滑剂(如石墨、硫、硫化物、铅、二硫化钼、氟化钙等,以改善该材料的减摩性能;(2利用烧结材料的多孔性,可浸渍各种润滑油,或填充固体润滑剂,或热敷和滚轧改性塑料带等,使材料更具自润滑性能,减摩性能特佳;(3优良的自润滑性,使它能在润滑剂难以到达之处和难以补充加油或者不希望加油(如医药、食品、纺织等工业的场合,能安全和无油污染的使用;(4较易制得无偏析的、两种以上金属的密度差大的铜铅合金-钢背、铝铅合金-钢等双金属材料;(5材料具有多孔的特性,能减振和降低噪声;(6材质成分选择灵活性大,诸如无机材料金属及合金、非金属、化合物和有机材料聚合物等,均可加入其中,并能获得较理想的减摩性能,例如高石墨含量的固体润滑减摩材料等;(7特殊用途的减摩材料,如空气轴承、液压轴承、耐腐蚀性轴承等,更发挥了粉末冶金减摩材料的特点。
材料耐磨实验报告1. 引言材料的耐磨性能是评估材料质量和使用寿命的重要指标之一。
在工业生产和日常生活中,各种材料经常会接触到摩擦、磨损等力的作用。
因此,研究材料的耐磨性能对于实际应用具有重要意义。
本次实验旨在通过模拟真实工况下的磨损情况,评估不同材料的耐磨性能,并对结果进行分析和讨论。
本实验采用了标准的磨损测试方法,以确保实验结果的可靠性和可重复性。
2. 实验材料和方法2.1 实验材料本实验使用了三种不同材料的试样进行耐磨性能测试:A材料、B材料和C材料。
2.2 实验方法本实验采用了滚动摩擦磨损测试方法,具体步骤如下:步骤1:准备试样。
按照标准尺寸和形状,制备具有相同尺寸和表面粗糙度的试样。
步骤2:设置实验条件。
调整测试设备的参数,包括负载、滚动速度和测试时间,以模拟实际工况下的磨损情况。
步骤3:进行实验。
将试样放置在测试设备上,施加适当的负载,并设置滚动速度。
运行测试设备,进行一定时间的磨损测试。
步骤4:测量磨损量。
使用显微镜或扫描电子显微镜对试样进行观察和拍照,然后使用图像处理软件对磨损面积进行测量和分析。
步骤5:记录实验数据。
将每个试样的磨损面积和实验条件记录下来。
3. 实验结果和分析根据实验数据,我们得到了不同材料试样的磨损面积。
下表列出了各材料试样的磨损情况:材料磨损面积(mm²)A材料0.5B材料 1.2C材料0.8从实验结果可以看出,A材料的磨损面积最小,为0.5 mm²,表明其具有较好的耐磨性能;而B材料的磨损面积最大,为1.2 mm²,说明其耐磨性能较差。
C材料的磨损面积为0.8 mm²,介于A材料和B材料之间。
通过对实验结果的分析,我们可以得出以下结论:1.不同材料的耐磨性能存在差异,即使在相同的测试条件下,不同材料的磨损情况也不同。
2.A材料具有最好的耐磨性能,适用于对磨损要求较高的场景。
3.B材料具有较差的耐磨性能,可能需要采取其他措施来改善其耐磨性能。
MATERIALS REPORTS2019,Vol.33,载流摩擦磨损研究现状及展望惠阳,刘贵民已,闫涛,杜林飞,周雳陆军装甲兵学院装备保障与再制造系,北京100072随着电气化铁路、航天航空、军事装备等领域的发展,对载流摩擦磨损理论及重点技术的研究提出了迫切需求。
如国产高铁“和谐号”和“复兴号”的最高运行速度均已突破400km/h,但大幅提速会导致弓网系统载流量倍增、离线率提高,从而严重影响弓网系统寿命;电磁轨道炮作为一种新型概念武器,是全球军事研究的热点,在高速、大载流的工况下也会产生高速刨削、高速摩擦磨损以及转捩与电弧烧蚀等失效问题。
因此,深入系统地研究载流摩擦学有利于解决实际中存在的问题,特别是对研制新型耐磨、耐烧蚀材料具有重要意义。
载流摩擦磨损作为电接触系统与摩擦系统共同耦合作用的结果,早在20世纪20年代就有国外学者开始进行相关研究。
初期实验多以铜或铜合金为摩擦副材料,探究电流、载荷、滑动速度、电弧对载流摩擦磨损性能的影响规律是载流摩擦磨损研究的典型工作之一。
现阶段的研究内容已由传统的摩擦系数、磨损率、表面形貌逐步发展到接触的电阻变化、表面温升的影响、电弧侵蚀的定量分析等方面。
近几年,基于前期大量实验数据积累,研究人员发现载流摩擦副的表面温升和磨损量受电流、载荷、滑动速度影响,并存在函数关系。
国内外学者已成功采用ANSYS、C0MS0L等有限元分析软件对弓网系统、电磁轨道炮温度场进行了仿真预测,有效实现了摩擦热、焦耳热与电弧热的耦合,为延长设备使用寿命和解决失效问题提供了科学依据。
同时也通过数理统计方法建立了磨损量预测模型,可通过预测函数更为系统地研究载流摩擦磨损规律。
随着研究手段的丰富,研究人员也开始结合磨痕表面、亚表面和磨屑形貌成分深入地研究了载流摩擦磨损机理,并在此基础上研制了满足载流摩擦工况需求的碳基复合材料、梯度自润滑材料等。
本文综述了载流摩擦磨损的基本特征,阐述了工作参数对载流摩擦磨损性能的影响,重点对载流摩擦磨损中电弧产生机理及影响因素进行了分析,并对载流摩擦磨损温度场及磨损量的仿真预测研究成果进行了归纳,总结了载流摩擦中的摩擦磨损机理和减摩抑弧方面的研究进展。
机械系统摩擦动力学研究进展随着机械行业的不断发展,机械系统的性能和效率变得越来越重要。
摩擦动力学作为机械系统中的重要研究领域,对于提高机械系统的效率和性能具有重要意义。
本文将介绍机械系统摩擦动力学的研究进展,包括摩擦力的计算、摩擦副磨损机理以及摩擦控制策略等方面的内容。
机械系统中的摩擦现象广泛存在,从微观尺度到宏观尺度皆有涉及。
摩擦不仅会导致机械能的损失和元件的磨损,还会影响整个系统的性能和稳定性。
因此,对机械系统摩擦动力学的研究具有重要的现实意义。
本文将重点机械系统摩擦力的计算、摩擦副磨损机理以及针对摩擦问题的控制策略。
摩擦力的计算是机械系统摩擦动力学研究的基础。
根据库仑摩擦定律,摩擦力的大小与法向压力成正比,其方向与相对运动方向相反。
在工程应用中,常用的摩擦力计算公式为:其中,F为摩擦力,μ为摩擦系数,N为法向压力。
然而,在实际应用中,由于机械系统的复杂性和实际工况的多变性,以上公式往往无法准确计算出摩擦力。
因此,针对不同的机械系统和技术要求,需要采用更为专业的摩擦力计算方法和公式。
例如,在考虑润滑效应时,应采用Stribeck方程或Laudau方程进行计算;在研究滚动接触时,应采用Hertz接触理论和Lorenz方程进行计算。
摩擦副的磨损是指相互接触的表面在相对运动过程中不断发生损耗和修复的过程。
磨损不仅会导致机械效率的降低和性能的衰减,还会引发安全事故。
磨损的主要机理包括粘着磨损、磨粒磨损和表面疲劳等。
这些机理并不是孤立存在的,往往是相互作用、相互促进的。
材料和负荷是影响摩擦副磨损的重要因素。
一般来说,高强度、耐磨和抗疲劳的材料具有更好的耐磨性能。
摩擦副的表面粗糙度、形状和尺寸也会影响其耐磨性。
在摩擦学中,常采用磨损系数来评价材料的耐磨性,其公式如下:其中,K为磨损系数,d为磨损深度,V为相对运动速度,L为摩擦距离。
为了减小机械系统中的摩擦力,提高摩擦副的耐磨性,需要采取有效的摩擦控制策略。
第40卷第11期机械工程学报v0140No.112004年11月CHINESEJOURNAL0FMECHANICALENGINEERINGNov20O4我国摩擦学研究的现状与发展+温诗铸(清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084)摘要:总结了自中国机械工程学会摩擦学分会成立25年来我国摩擦学研究的发展,论述了在流体润滑理论与设计、微观摩擦学、材料磨损机理与控制、表面工程与耐磨材料、润滑材料以及磨损状态监测等方面的主要成就。
在此基础上提出了今后值得关注的研究方向,如减摩抗磨技术、制造过程摩擦学、生态摩擦学、仿生技术与生物摩擦学等。
关键词:摩擦学研究进展展望中图分类号:THll710前言20世纪60年代中期,英国教育科学研究部在对工业部门广泛调查的基础上,发表了《关于摩擦学(T曲0109y)教育和研究报告》,首次提出将摩擦学作为一门独立的边缘学科加强研究和教育工作。
这对于促进国民经济持续发展具有战略意义,随即得到世界各国的认同和重视。
此后,摩擦学得到迅速的发展,并成为机械、材料等学科中活跃的研究领域之一噱由于多方面的原因,我国摩擦学的发展起步较晚。
虽然在20世纪50年代,为数不多的学者进行过磨损和润滑研究,但是作为一门独立的学科从事摩擦学研究和教育工作是在20世纪80年代以后才逐步开展起来。
1979年中国机械工程学会摩擦学分会成立。
经过过去25年来各方面的共同努力,我国摩擦学学科取得了突飞猛进的发展。
摩擦学知识得到了广泛的普及;形成了一支从事摩擦学研究的专门队伍,包括长江学者、杰出青年基金获得者等中青年学术骨干;建立了国家级或者省部级的研究基地;创办了专业学术刊物,出版了10余部学术专著和科技图书;在相关的学会组织推动下,召开了各种全国或地区性学术会议,讨论和交流研究成果;国际学术活动频繁,在我国召开多次国际学术会议,并成功举办了第一届亚洲摩擦学国际会议。
同时,我国学者也活跃在国际摩擦学学术舞台。
2010年12月第35卷第12期润滑与密封LUBR I CAT I ON ENG I NEER I NGD ec .2010V ol 135No 112DO I :1013969/j 1i ss n 10254-0150120101121001*基金项目:国际科技合作项目和国家自然科学基金项目(50721004).收稿日期:2010-09-30作者简介:雒建斌(1961)),男,博士,长江特聘教授,博士生导师,现任摩擦学国家重点实验室主任,I FT o MM 摩擦学技术委员会主席,中国机械工程学会摩擦学分会主任,国际摩擦学学会副主席;为国家自然科学基金重大项目负责人、973计划先进制造方向项目首席科学家;曾获国家科技进步二等奖(2008),国家自然科学二等奖(2001)、国家发明三等奖(1996)、省部级科技奖5项.主要研究方向:纳米级表面改性和加工研究,润滑理论研究.E -m ai:l l uoj b @tsi nghua 1edu 1cn .摩擦学的进展和未来*雒建斌 李津津(清华大学摩擦学国家重点实验室 北京100084)摘要:在过去的20年内,随着纳米技术的飞速发展和人们社会需求的日益增加,摩擦学迅速发展,并随之产生了几个新的领域,比如纳米摩擦、生物摩擦、超滑、表面织构摩擦学、极端工况摩擦学、微动摩擦学等等。
在未来的10年,这些领域和其他新出现的概念,比如:绿色摩擦、纳米制造摩擦学、新型超滑材料和新能源领域摩擦学等等,将在摩擦学研究工作中发挥重要的作用。
纳米摩擦学包括纳米尺度下的薄膜润滑、纳米摩擦、纳米磨损、表面黏附等等。
绿色摩擦学包括环境友好润滑剂、摩擦噪声的减小、没有环境污染的磨损。
生物摩擦学包括人类器官中的摩擦学和仿生摩擦学。
超滑包含不同类型的润滑剂,比如类金刚石膜、水基润滑剂、一些生物润滑剂,其具有极低的摩擦因数(01001量级)。
纳米制造摩擦学包括纳米结构制造中的摩擦学、纳米精度制造中的摩擦学和跨尺度(微观、中观和宏观)制造中的摩擦学。
碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展59碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展AdvanceinResearchonTribologicalBehaviorandMechanismofCarbon/CarbonComposites
胡志彪,李贺军,陈强,李克智,黄荔海(iN北工业大学碳/碳复合材料工程技术研究中心,西安710072)HUZhi—biao,LIHe—jun,CHENQiang,LIKe—zhi,HUANGLi—hai(c/cCompositesTechnologyResearch
Center,
NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an
710072,China)
摘要:碳/碳复合材料是一种性能优异的高温摩擦材料,作为刹车材料在航空工业已得到成功应用。但碳/碳复合材料的摩擦磨损性能强烈地依赖于试验条件和制备工艺。综述了各种因素对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响,总结了碳/碳复合材料摩擦磨损机理,并指出了碳/碳复合材料摩擦学需进一步深入研究的问题及新的研究方向。关键词:碳/碳复合材料;摩擦学行为;摩擦机制中图分类号:TQ332文献标识码:A文章编号:1001—4381(2004)12—0059—04
Abstract:Duetoitsexcellenttribologicalproperties,carbon/carboncompositeswereemployedas
aircraftbrakematerial.Itstribologicalbehaviorwasdramaticallyaffectedbyboththetribotesting
environmentandthetechniquesusedforthepreparationofcarbon/carboncomposites.Thefactors
affectingthetribologicalpropertiesofcarbon/carbonwerediscussed.Themechanismsoffrictionandwearwerereviewed.Theexistingproblemandthefutureresearchdirectionalsowerepointed
out.Keywords:carbon/carboncomposites;tribologicalbehavior;tribologicalmechanism
与其它摩擦材料相比,碳/碳复合材料具有密度小、耐高温、比强度大、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好以及合适的摩擦系数和摩擦性能,是一种综合性能优异的高温摩擦材料口]。碳/碳复合材料已成为飞机刹车盘的首选材料[2]。在法国,空中客车公司民航飞机的刹车系统已完全用碳/碳盘取代了钢盘;在美国,许多军用飞机均已采用碳/碳刹车盘,如F一16,B—l等;在中国,西北工业大学、中南工业大学和沈阳金属所等在碳/碳刹车盘的制备及其摩擦性能的研究等方面也取得了丰富的成果。除用做刹车盘外,碳/碳复合材料也可用作滑动轴承材料[33和内燃机活塞[4]。碳/碳复合材料作为摩擦材料将得到更广泛的应用,因此研究碳/碳复合材料的摩擦学特性对于指导和推广碳/碳摩擦材料的应用具有十分重要的意义。本文主要总结了国内外关于各有关因素对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响和碳/碳复合材料的摩擦磨损机理的研究进展。1碳/碳复合材料摩擦机制碳/碳复合材料的增强相为碳纤维,基体为热解碳,二者均为非晶态碳嘲。但就其微观结构而言,碳纤维和热解碳属于乱层石墨结构,而与纯石墨的层状结构不同。因此,不能用石墨晶体的层间滑移理论来解释碳/碳复合材料摩擦行为。Murdie等[6]通过观察磨屑的微观形貌,认为碳/碳复合材料摩擦行为与磨屑类型有关。他发现有3种不同类型磨屑。如图1所示L7]。类型?I:薄、光滑、明亮(在灯下)碎片薄膜。类型Ⅱ:厚、粗糙的和黑的(/在灯下)粉未碎片层。类型Ⅲ:光滑、致密、明亮(在灯下),碎片薄膜。薄的类型I碎片伴随低摩擦系数和低磨损率。粉末状的类型Ⅱ碎片伴随高摩擦系数和高磨损率。类型Ⅲ碎片也伴随低摩擦系数和低磨损率,但摩擦系数和磨损率要比类型I高。在摩擦过程中,当碎片类型发生转变时,就伴随着摩擦系数和磨损率的改变。但碎片的转变机制目前还不清楚。这一理论已成功地解释了多种因素对碳/碳复合材料摩擦行为的影响。另外一种观点认为碳/碳复合材料的摩擦行为主要受到水蒸汽和氧气的影响[8]。水蒸汽和氧气对碳/碳复合材料都有润滑作用,但氧气的润滑效果不如水蒸汽。若摩擦环境中缺少润滑气体,碳/碳复合材料显示出高摩擦系数和高磨损率。即使水蒸汽含量非常低
万方数据60材料工程/2004年i2期
(o.01%,质量分数)也显示良好的润滑效果。这主要是由于碳原子能够与水蒸汽和氧气反应嘲,反应生成的络合物对碳/碳复合材料有润滑效果。这一点和许多其它碳材料一样,可能由于它们的结构中都含有SP2杂化轨道[1…。
图l磨损面形貌扫描电镜图(a)类型I;(b)类型Ⅱ;(c)类型ill;(d)类型Ⅱ和类型Ⅲ的混合(箭头代表滑动方向)
Fig.1Scanningelectronmicrographsofworn
surfacemorphologies
(a)typeI;(b)typeⅡ;(c)typeⅢ;(d)Ⅱ一Ⅲmixed(arrowsindicateslidingdirections)
2影响碳/碳复合材料摩擦磨损性能的因素2.1碳/碳复合材料制备工艺及其结构对摩擦磨损性能的影响2.1.1基体类型的影响基体的类型是影响摩擦磨损性能的一个重要因素[1¨。在二维的不同密度的碳/碳复合材料中,中等密度的碳/碳复合材料具有良好的摩擦性能,其摩擦系数较低,磨损量也比低密度和高密度的碳/碳复合材料低一个数量级。在摩擦磨损的过程中,各种碳/碳复合材料的摩擦系数的变化情况也不尽相同。2Dpitch/
resin/CVI、高密度的2DPAN/pitch和中等密度2D
PAN/pitch碳/碳复合材料摩擦系数都发生转变,而低密度的2DPAN/pitch和2DPAN/CVI摩擦系数不发生改变。转变前的摩擦系数为0.1~o.2,在极短的改变过程中,摩擦系数突升至0。5~0.9。而3DPAN/pitch碳/碳复合材料在高转速下其结构会被破坏,因此不适合在高转速下使用。2.1.2纤维取向的影响碳纤维取向对碳/碳复合材料摩擦磨损性能有强烈的影响。在低转速下,当纤维平行于摩擦面时,磨损率比纤维垂直于摩擦面方向要低得多,而摩擦系数比纤维垂直于摩擦面方向要高得多;在高转速下,摩擦系数和磨损率都没有大的差别[1引。z向纤维的含量增加,能提高碳/碳复合材料的热导率,降低摩擦面的温度,也会影响碳/碳复合材料的摩擦磨损性能[13|。z
向纤维的含量为5%时,摩擦系数为0.4~o.5;Z向纤维的含量为15%时,摩擦系数为0.3~o.5;Z向纤维的含量为25%时,摩擦系数为0.2~0.4。而罗瑞盈等[143在研究三维和二维碳/碳复合材料的摩擦性能时,得到了不同的结果:三维碳/碳复合材料摩擦系数较大,磨损率小;二维碳/碳复合材料的摩擦系数小,但磨损率较大。2.1.3热处理温度的影响热处理温度不同,碳/碳复合材料摩擦磨损性能也不同。对于不同的增强体,热处理温度的影响也不尽相同。针刺毡增强的碳/碳复合材料样件[15]随着热处理温度升高,摩擦系数增大,温度在2300。c时摩擦系数出现峰值,继续升高热处理温度,摩擦系数却下降;而对于短切纤维增强碳/碳复合材料[1引,在2200,2500℃热处理温度下,摩擦系数不稳定,而在2700℃热处理温度下,摩擦系数曲线平稳,摩擦系数增加。对于碳布叠层碳/碳复合材料,随着热处理温度的升高,干态平均动摩擦系数由大变小,湿态平均动摩擦系数及干态静摩擦系数由小变大[1…。若将碳布叠层碳/碳复合材料用作刹车材料,其合适的热处理温度为2000。C[18。,在此温度处理的碳/碳复合材料具有足够
万方数据碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展61
高的摩擦系数和低磨损率。2.1.4热解碳结构的影响E19]对于CVD热解碳,可根据其偏光下的形貌特征,分为粗糙层、光滑层、过渡结构和各向同性结构[20’21]。它们具有不同的密度、导热系数、石墨化度、消光角、金相结构,对碳/碳复合材料性能有不同的影响。基体为粗糙层结构的碳/碳复合材料,具有较高的石墨化程度和摩擦系数。基体为光滑层结构的碳/碳复合材料,石墨化度低,摩擦系数低,磨损量小。2.1.5表面状况的影响碳/碳复合材料的表面状况不一样,它的摩擦磨损性能也不相同。在相同摩擦试验条件下,表面抛光的试样比表面已经磨损的试样的摩擦系数高,磨损量也大。而且较难预测表面已磨损的试样的摩擦行为‘22m3。2.I.6结构完整性的影响碳/碳复合材料中存在两种晶格缺陷:边缘缺陷和空洞缺陷。晶格缺陷越少,结构越完整。结构完整性不同,碳/碳复合材料摩擦磨损性能的稳定性不同瞳…。碳/碳复合材料的结构越完整,摩擦性能越稳定;结构不完整,其刹车副摩擦特性曲线呈马鞍形,摩擦性能不稳定。这主要是由于结构不完整的碳/碳复合材料,其内部及表面活化点多,表面易于产生物理吸附物和化学吸附物及含氧络合物,在摩擦过程中产生高温使这些吸附物分解导致摩擦性能不稳定。2.2摩擦参数对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响2.2.1能载的影响在不同的能载下,碳/碳复合材料表现出不同的摩擦磨损行为[2…。碳/碳复合材料在载荷为1.OMPa时,在初始阶段,都呈现低的摩擦系数(o.1~0.2),后摩擦系数发生改变,突升至0.4~o.5,然后再降至稳定的数值。在载荷为2.4MPa时,摩擦系数的改变都发生在初始阶段。2.2.2转速的影响转速是影响碳/碳复合材料摩擦磨损性能的重要因素瞳“。在低转速(800和1100r/min)下,摩擦系数和磨损率较小且基本保持稳定,摩擦系数为0.1~0.2;在高转速(1400r/min或更高)下,摩擦系数在摩擦过程中会发生突变,摩擦系数上升到0.6~0.7,后摩擦系数又降低到0.4~o.5。在高转速下,磨损率也较低转速时大。这主要是由于转速不同,碳/碳复合材料表面的温度也不同。在低转速时,摩擦面的温度在100。C左右;在高转速时,摩擦系数发生变化,摩擦面的温度也突升。在转速为2300r/min时,滑移66m后,温度高达900℃。2.3环境对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响2.3.1湿度的影响相对湿度对三种复合材料的摩擦行为有着很大影响[7]。在低湿度下,能够促使类型I磨屑向类型Ⅱ磨屑转变,摩擦系数升高。而在高湿度和高转速下,能够加快磨屑Ⅲ的生成,摩擦系数和磨损率又降低。总的说来,高湿度能降低摩擦系数和磨损率。在试验中发现,不同的碳/碳复合材料对湿度的敏感程度不一样,2DPAN/CVI对湿度最敏感,而2Dpitch/resin/