论文部分内容阅读
机械摩擦副在干滑动摩擦过程中会产生材料损失和变形,最终导致整个设备失效,滑动过程中接触界面引发摩擦物理化学变化、振动噪声等现象,是影响摩擦学性能的重要因素。自然界的许多生物体与外界环境进行界面交互时表现出良好的适应性和协调性,为增强摩擦性能提供了优异的研究范本。通过设计仿效生物体表特征改善摩擦学性能,并结合自润滑技术扩宽在实际工程运用范围,是摩擦学界的研究热点之一。然而,基于仿生物体表耐磨结构与固体自润滑技术的复合设计仍存在许多未解决的理论与技术性问题;而且,对摩擦过程中仿生表面结构实现仿生自润滑的摩擦学机理尚不明确,致使对摩擦副润滑效应理解不充分、仿生设计相关摩擦学依据匮乏。本文以Ni3Al基为研究材料,以两种软体动物体表结构特征为仿生样本,设计并制备了仿生耐磨纹理表面复合自润滑结构,开展了磨损试验和数值仿真模拟研究,较全面地研究了Ni3Al基仿生自润滑复合表面的摩擦学性能、仿生自润滑机理以及界面振动噪声特性,为Ni3Al基仿生自润滑复合表面设计与工程运用提供了试验数据和理论基础,对提高机械摩擦副润滑性能具有重要的科学意义。具体的研究内容如下:（1）贝壳的构成呈现出多因素组合的协同作用,表现出强韧性和良好的耐磨、抗冲蚀特征。对毛蚶和蛤蜊体表形态特征和截面结构进行了微观分析,其体表整体呈现出横向/纵向的非等距几何条形纹理,纹理截面呈现有机质与壳体相互吸引的交叉条状结构,是适应生存环境的具体表现。以生物体表功能为因变量,改变体表特征自变量可为机械摩擦副提供仿生设计依据。（2）通过贝壳多因素组合建立仿生结构平面化模型,选取Ni3Al基体和固体润滑剂96.5%Sn-3.0%Ag-0.5%Cu（SAC305）为仿生组合材料,建立Ni3Al基仿生自润滑复合表面模型。因外载荷由Ni3Al基承担,首先利用磨损试验与数值分析创建了Ni3Al基仿生微纹理表面尺寸参数与磨损量的回归方程,其影响磨损量的因素顺序为槽宽（w）＞间距（d）＞槽深（h）。根据磨损表面微观形貌和ANSYS有限元分析仿生微纹理表面尺寸对界面接触状态的影响规律;合理的仿生微纹理表面尺寸参数能够有效收集容纳磨屑,并且降低滑动过程的应力集中现象,实现最大耐磨性能。最后,通过激光制备-表面纹理化-熔融烧结等工艺流程成功地制备了符合生物体表多因素组合特征的Ni3Al基仿生自润滑复合表面结构。（3）Ni3Al基仿生自润滑复合表面采用球-平面往复滑动摩擦方式,着重研究了干滑动条件下的摩擦磨损行为。与Ni3Al基自润滑材料相比,Ni3Al基仿生自润滑复合表面摩擦系数最大降低43.07%,磨损量最高下降49.88%,归因于软硬相间仿生复合表面结构提高了整体的强韧性,减少了塑性变形;在滑动过程中摩擦界面具有空间接触特点,约束磨屑运动与缓解应力集中;并且在界面形成剪切强度低的软金属润滑膜,减少摩擦副的直接接触。分析仿生自润滑薄膜结构发现,SAC305与Ni3Al基在机械作用下发生了摩擦物理-化学过程,在磨损表面首先形成Ni3Sn2连接层、促进软金属的铺展,并进一步向Ni3Al基继续扩散形成Ni3Sn层,以及在摩擦副接触表面EDS和XPS观察到Sn元素的氧化物,说明在摩擦界面形成具有正机械梯度的金属保护膜,使得机械摩擦副具有像生物摩擦副的潜质,给摩擦界面提供一种仿生自润滑介质,降低了表面磨损。（4）Ni3Al基仿生表面结构具有软-硬相间复合特征,对磨球分别滑动到SAC305和Ni3Al基体材料产生黏着现象条件不同。通过建立摩擦副之间微凸体接触模型可知,对磨球在法向接触力作用下发生黏着节点的剪切,从而形成磨屑或材料迁移。固体润滑剂SAC305在黏着切向力作用下向Ni3Al基接触表面迁移,不仅能形成仿生自润滑介质降低磨损,而且对磨损表面的划痕与破损进行自修复。通过摩擦界面仿生自润滑薄膜的量化处理,建立了仿生自润滑介质动力学模型,摩擦系数的减小与仿生自润滑薄膜厚度和铺展面积增加呈线性关系,加深了对仿生自润滑减摩机制的理解,为仿生微纹理表面与固体润滑剂能够有效地实现其耐磨性与自润滑功能的协同作用提供设计基础。（5）在实际工程运用中,机械摩擦副接触状态直接决定其摩擦学特性,但运行过程很难实现动态摩擦学表征,而可动态采集的摩擦振动噪声信号能够实时反馈摩擦副动力学行为,通过自搭建实验平台开展了Ni3Al基仿生自润滑复合表面的摩擦振动噪声研究,为工程运用提供试验参数与理论分析参考。结果表明,仿生微纹理表面能够有效地打断滑动过程的连续接触,抑制摩擦界面自激振动现象产生;摩擦界面的仿生自润滑薄膜减少摩擦副表面微凸体的直接接触,降低了振动激励源的产生条件,抑制了自激振动现象的产生;根据复特征值仿真计算,随着摩擦系数的增加,摩擦界面振动幅值和固有频率增加,导致摩擦界面自激振动越来越严重。根据摩擦副摩擦特性与自激振动模态分析,建立了等效阻尼比方程,能够有效表征摩擦力向摩擦系统的能量输入,可动态评估具有仿生自润滑复合表面的机械摩擦副的摩擦磨损行为。