渗纳米金刚石粉末冶金复合材料制备及其摩擦学性能研究

发布时间：2020-06-20 01:49

【摘要】：水液压技术是指以海水或淡水为介质的液压传动技术,具有无污染、环境友好、安全和节能等优点,是一种典型的“绿色生产技术”。然而,相比于油压技术来说,水介质具有粘度低、润滑性差和汽化压力高等特点,严重影响了水液压元件摩擦副的性能和寿命,给水液压技术的研究与应用带来了非常大的困难。因此,制约水液压技术发展最关键的瓶颈是水液压元件中摩擦副的摩擦磨损问题。耐蚀合金是水液压元件中最常用的摩擦副材料。传统耐蚀合金通过锻造或铸造的工艺制备,但是采用锻造制备的耐蚀合金一般来说摩擦学性能并不理想,而采用铸造制备的耐蚀金属存在可加工性差、尺寸精度差、表面粗糙、缩孔和砂眼等缺点。相比而言,经粉末冶金技术制造的耐蚀金属具有良好的金属特性和摩擦学性能。同时,随着纳米技术在摩擦学领域的迅速发展,在润滑油中添加纳米颗粒的纳米粒子减摩技术得到了广泛的研究,该技术可明显提高润滑油的减摩抗磨能力。本文结合粉末冶金技术和纳米粒子减摩技术,提出了一种具有自润滑特性的渗纳米金刚石悬浮液的粉末冶金复合材料(以下简称复合材料),并对该复合材料的渗流机理、悬浮液的释放机理、滚动摩擦机理和水介质环境下的摩擦学性能等问题进行了深入研究。论文的具体研究内容如下:首先,基于悬浮液流动特性、过滤特性和材料属性,建立了复合材料渗流机理数学模型,并搭建了复合材料渗流机理研究试验台,验证了数学模型的正确性,进而揭示了悬浮液在粉末冶金孔隙中的流动规律;在此基础上,分析了纳米金刚石颗粒入口浓度、粉末冶金孔隙率、入口压力、浓度分布和渗流时间等参数之间的耦合关系,从而提出了复合材料中纳米金刚石颗粒含量及渗流时间优化设计方法,进而确定了悬浮液渗入粉末冶金的工艺,并以316L粉末冶金为基体制备了不同孔隙率和入口浓度的复合材料,为后续复合材料的性能研究奠定了基础。其次,研究了悬浮液在摩擦磨损过程中的释放机理,包括热膨胀效应和泵吸效应。基于热传导方程,进行了有限元仿真,获得了复合材料的温度场,并将此温度场进行离散化,根据体积膨胀公式计算了悬浮液的总膨胀体积;构建了泵吸效应释放机理几何模型,采用伯努利方程求出了压力出口边界条件,并进行了计算流体力学仿真,研究了复合材料中水的分布云图。通过对热膨胀效应和泵吸效应释放机理的分析,研究了悬浮液释放体积与孔隙率、热流密度、压力和转速等参数之间的关系。然后,基于复合材料中悬浮液的释放机理,选择合适的时间尺度和长度尺度,构建了复合材料滚动摩擦机理的分子动力学模型,并采用多次下压的方式使模型达到稳定状态,进行了分子动力学模拟,分析了外载荷、颗粒直径和压痕深度、摩擦力、摩擦系数和接触面积等参数之间的关系,进而揭示了外载荷和颗粒直径对复合材料滚动摩擦学性能的影响。最后,在水介质环境下,采用端面摩擦磨损试验机将复合材料和碳纤维增强的聚醚醚酮(CFRPEEK)进行了配对摩擦磨损试验,并将其与316L不锈钢、316L粉末冶金和含油316L粉末冶金等材料进行对比,分析了摩擦系数、磨损率和表面形貌等关键摩擦学参数,从而揭示了复合材料在水介质环境下的摩擦磨损特性。随后研究了纳米金刚石颗粒浓度、孔隙率、外载荷和转速等因素对CFRPEEK/复合材料摩擦学性能的影响,揭示了复合材料摩擦学性能对内部因素和外部工况的敏感性,为后续复合材料在水液压元件中的应用奠定了基础。本文将粉末冶金技术和纳米粒子减摩技术综合起来形成的复合材料具有较好的摩擦学性能,可应用于对水介质纯度要求不高的场合(少量悬浮液会渗入水介质中),提高水液压元件摩擦副的工作性能及其使用寿命,在一定程度上可促进水液压元件的发展,具有重要的研究意义和广阔的应用前景。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

示意图,悬浮液,示意图,粉末冶金

受到了广大学者的青睐。而粉末冶金技用，因此，本文针对现有的水液压元件摩粒子减摩技术，制备了一种具有自润滑特分析的方法来探究该复合材料在水介质环用于水液压元件中，面临以下关键技术问末冶金孔隙中的渗流机理研究程中，将含纳米金刚石颗粒的悬浮液充分系到摩擦副材料的摩擦学性能和使用寿命性能有一定的要求，粉末冶金的孔隙较小将悬浮液渗入粉末冶金的孔隙中。目前，但并不完全适用于本文所制备的复合材料正现有的颗粒迁移-沉积模型，研究悬浮最佳渗流参数，进而制备出复合材料。浮液释放机理研究

悬浮液,制备装置,加载系统,数据采集系统

（a）机械搅拌（b）制备前后的悬浮液图 2.3 悬浮液的制备料渗流制备装置料渗流制备装置原理如图 2.4（a）所示，该装置由压力加载系统系统组成。压力加载系统为复合材料渗流制备装置的动力源，用渗流系统用于装载和固定粉末冶金，数据采集系统负责对渗流过流速度）进行实时监测，其实物图见图 2.4（b）。集卡241567911812压力加载系统数据采集系统3x

【参考文献】