基于复合制备工艺的不锈钢织构化表面摩擦学性能研究

发布时间：2020-09-25 19:58

　　 表面织构具有提升承载能力、降低摩擦磨损、提高工作寿命、改善摩擦学性能等积极作用,已成为当前摩擦学领域中的一个重要研究方向。针对现有金属表面微观织构成型方法存在设备昂贵、工艺复杂、加工周期漫长等不足,本论文提出电场诱导与化学腐蚀/电解转印相结合的新型复合制备工艺,在不锈钢表面制备表面织构并对其摩擦学性能进行实验研究,探究该制备工艺用于表面织构的可行性。利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件分析了电场诱导工艺参数(外加电场、极板间距、聚合物初始膜厚)和结构化模板参数(模板的高宽比、占空比)对聚合物在电场作用下形貌变化的影响规律。基于仿真分析结果,进行了聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物材料电场诱导试验,开展了不锈钢圆盘和ITO导电玻璃为极板进行PDMS无模板电场诱导试验,分析了诱导工艺参数对织构生长状态的影响规律;初步开展了结构化模板电场诱导试验,对结构化模板电场诱导成型过程进行简要分析,为后续化学腐蚀和电解转印提供掩膜。利用COMSOL Multiphysics分析了不锈钢材料的化学腐蚀过程和电解转印成型过程,研究了不锈钢材料电势变化过程,分析了电解参数(施加电压、极板间距等)对最终加工形貌的影响。利用电场诱导聚合物掩膜进行了化学腐蚀试验,得到织构化不锈钢表面,分析腐蚀参数(腐蚀时间、腐蚀液浓度)对腐蚀形貌的影响;分别以电场诱导聚合物掩膜ITO导电玻璃和不锈钢为阴极和阳极,进行电解转印不锈钢表面织构化试验研究,分析了电解工艺参数(加工时间、加工电压、阴阳极间距)对腐蚀形貌的影响,制备了织构化不锈钢表面,为摩擦学性能研究提供基础。利用FLUENT流体仿真分析表面织构密度和油膜厚度对润滑性能的影响,开展了电解转印织构化不锈钢表面的滑动摩擦性能试验研究,分析试验工艺参数和织构参数对摩擦系数的影响规律;并利用自制冲击滑动试验台对电解转印不锈钢织构化表面进行冲击滑动摩擦学试验研究,研究试验工况参数和织构参数对摩擦系数的影响规律,为复合制备工艺用于表面织构成型提供了试验验证。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

随着我国航空航天技术、船舶海工、精密机床、精密仪器等高端领域的快速发展和技术牵引，运动零部件配副润滑性能已成为制约技术提升的关键因素，限制了我国高端制造业的产业升级。因此中国制造 2025 计划中专门提出了强基工程，包括精密轴承、高参数齿轮及传动装置、高可靠性密封件、高强度紧固件等关键基础件，都与摩擦学特性紧密相关。例如轴承作为现代工业系统中不可或缺的关键基础零部件，其工作性能直接关系到机械系统的运转精度、工作寿命和可靠性。滚动轴承因其标准化和系列化的缘故，在各类机械系统中应用广泛。随着我国工业快速发展和机械系统性能指标日益提升，轴承服役工况将处于高精度、高速、重载、润滑劣化、高温等复杂恶劣条件，尤其是航空航天苛刻工况对滚动轴承服役性能提出越来越高的技术要求，导致保持架与引导套圈之间的磨损（图 1-1a）成为航空航天众多故障中较为普遍的一种失效形式，引起轴承研制和使用单位的普遍关注。图 1-1 b）为我国某型号轴承在台架实验中引导面异常磨损导致的轴承失效，图 1-1 c）为我国某型号空间机构轴承在地面全尺寸模拟实验中引导面磨损。

哈尔滨工业大学硕士学位论文动零部件摩擦副摩擦、磨损和润滑提供理论基础和技术指导。1.2 国内外研究现状分析由传统摩擦磨损机理可知，两个相互接触并作相对运动的摩擦表面越光滑，微峰接触数量越多，接触应力和磨损量越低。但是近年蓬勃发展的仿生摩擦学相关研究结果表明，在某些场合中非光滑表面反而具有更为优良的摩擦学性能，由此引起了摩擦学领域研究人员的普遍关注。图 1-2 所示为几种海陆空生物体表面非光滑微观结构，经研究发现这些生物表面微观结构形态能够明显改善摩擦性能，如荷叶表面多级微凸体结构有疏水清污作用，如图 1-2 a) 所示；鲨鱼表面鳞状结构能够有效降低阻力，如图 1-2 b) 所示；沙漠蜥蜴背部能够经受沙石长期冲蚀而不损伤，如图 1-2 c) 所示。由此可见，如果能够合理设计和制备表面微观结构形态，将会有效改善摩擦学性能，为提高效率、减小能耗和延长寿命提供有效的解决措施。

a) 常见织构形式 b) 微动压效应 c) 容屑效应图 1-3 表面织构改善润滑状况的作用机理表面织构制备方式研究现状由此可见，表面织构对摩擦学性能的改善作用更多依赖于织构的微观形态，而织构的微观形态则取决于制备技术。目前摩擦副表面织构制备方法已有很多种，根据加工原理不同，表面织构的制备方式可分为[2]：1）表面织构增材成型技术：即采用化学或物理沉积工艺，产生各种纳米或微米级的织构。主要包括化学气相沉积法（CVD）、喷墨印刷法、物理气相沉积法（PVD）等。2）表面织构减材成型技术：即去除衬底材料直接产生织构。主要包括反应离子刻蚀（RIE）、喷丸处理技术、激光法、电解法、超声波加工等。3）表面织构材料置换成型技术：即在衬底上产生塑性变形，并将材料从一个位置转移到另一位置，以此改变表面结构。主要包括激光冲击强化技术（LSP）、化学诱导材料转移技术等。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 丁玉成;邵金友;田洪淼;李祥明;;基于电流体动力学的电驱动纳米模塑技术[J];中国基础科学;2013年03期

2 丁玉成;田洪淼;邵金友;李祥明;;电驱动微纳米模塑技术的成形机理及工艺参数影响研究[J];机械工程学报;2013年06期

3 田洪淼;邵金友;丁玉成;李欣;李祥明;;数值分析电诱导流变成型技术外部因素的影响[J];微纳电子技术;2012年11期

4 李冬林;朱荻;李寒松;刘金国;;Effects of mask wall angle on matrix-hole shape changes during electrochemical machining by mask[J];Journal of Central South University of Technology;2011年04期

5 钱双庆;曲宁松;朱荻;李寒松;曾永彬;;电解转印表面织构的定域性研究[J];纳米技术与精密工程;2011年02期

6 李欣;邵金友;田洪淼;刘红忠;丁玉成;;电场诱导微结构图形化形成机理及常温制备工艺[J];纳米技术与精密工程;2010年06期

7 钱双庆;朱荻;曲宁松;李寒松;宋曼;;活塞环表面微坑电解加工技术的基础研究[J];内燃机学报;2010年02期

8 李英杰;李福援;纪峰;安蓉;;电液束加工小孔质量的试验研究[J];机械科学与技术;2007年05期

9 张云电,赵峰,黄文剑;摩擦副工作表面微坑超声加工方法的研究[J];中国机械工程;2004年14期

10 陈万春,简来成;相场方法及其在晶体生长中的应用(英文)[J];人工晶体学报;2002年03期

相关博士学位论文 前3条

1 李和福;曲面微纳结构的静电诱导成形原理与工艺研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

2 刘国杰;基于静电诱导的微细加工技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

3 钱双庆;表面织构电解加工技术的基础研究与应用[D];南京航空航天大学;2011年

相关硕士学位论文 前8条

1 蒋贝贝;电场诱导PDMS表面的成型工艺及摩擦特性研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

2 彭程;微小凹坑阵列的电解转印加工试验研究[D];南京航空航天大学;2016年

3 魏玉平;基于电场诱导聚合物流变成形微透镜阵列制造技术研究[D];青岛理工大学;2013年

4 于文涛;电液束加工微小结构试验研究[D];大连理工大学;2013年

5 李林钢;电场诱导聚合物微结构流变成形实验装置开发和工艺研究[D];青岛理工大学;2012年

6 宫超林;圆柱内表面电解加工微小凹坑阵列技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

7 宋曼;活动模板电解加工微小凹坑阵列研究[D];南京航空航天大学;2010年

8 杜海涛;微小凹坑阵列电化学加工技术研究[D];南京航空航天大学;2009年

本文编号：2826996