金属基材料表面仿生疏水微结构的冰摩擦性能研究
发布时间：2021-04-01 11:39
冰摩擦是北方冬季最常见的自然现象之一,冰摩擦的研究在道路安全、冰川运动、冰上运动、海上结构物设计和破冰器等领域都有着重要的意义。本文基于自然界超疏水形成机制和纳秒激光加工技术特点,设计了仿生疏水微结构,并在不锈钢表面进行了加工。通过分析激光加工的基本原理以及研究激光扫描速度、激光加工功率、重复脉冲次数、扫描结构间距对金属表面微结构的影响规律,实现了对金属表面微结构形状和尺寸的控制,构建了类莲藕沟槽复合结构。试验发现,激光扫描速度、激光加工功率和重复脉冲次数、激光扫描间距参数会影响微结构的表面形貌,进而影响表面接触角。采用激光扫描速度200mm/s、加工功率10w、重复脉冲次数15次、扫描间隔0.05mm可以实现类莲藕沟槽复合超疏水微结构的构建。纳秒激光加工的超疏水表面黏附性较大,低表面能物质修饰可改变表面的黏附性;加工后的表面初始为亲水特性,与空气接触一段时间后转变为超疏水性,机理分析发现,不锈钢表面C/Fe的比例增加是亲水性到疏水性的转化原因。低表面能物质修饰后,其静态接触角变化较小,但动态接触角变化较大,滚动角降为6.4°,呈现较好的自清洁性和弹跳性能。微结构是使不锈钢表面呈现超疏...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生活中无处不在的摩擦
冰上行走也需要增大摩擦保持身体的平衡。然而，在海上货物运输和海上结构计中，需要低摩擦材料来降低维护和运营成本，例如，为克服冰摩擦，需要消船 70%的功率。此外，减少冰摩擦在竞技体育中也很重要。目前，国外学者，一些发达国家的学者，对冰摩擦的相关研究做出了巨大的贡献[1-3]，但是国内的对来说较少。因此，展开对冰摩擦的相关研究很有必要。国内外学者对仿生表生结构-冰之间摩擦的大量研究发现，表面润湿性在冰摩擦中尤其接近熔点时具作用，但其具体的作用机制有待进一步探讨和完善。此外，在研究对象上，主在冰-聚合物、冰-混泥土、木材、岩石、冰-橡胶上，在冰-金属的研究较少。金种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物用广泛。例如不锈钢及其合金被广泛应用于北极越冬的破冰船船头及船身吃水、海上结构物；铝及其合金被广泛应用于对盐敏感海岸结构物，铝也被用来制研究海冰的实验设备。金属具有导热性，因此与传统的冰-冰摩擦提供有价值的对摩擦模型依靠不同材料之间的比较来区分各种材料性质的重要性，因此新的实，以及未研究的材料，可以为冰摩擦理论提供支持证据。
面构造该微结构，实现金属表面润湿性的转变。.2 纳秒激光加工技术简介激光加工属于高精密、非接触加工，主要通过激光热烧蚀表层金属，金属表层，从而在金属表面生成了微结构。激光光束经过扫描振镜和聚焦透镜后具有较高量，作用在金属材料表面转变为热能，积聚的高温以熔化表层金属，去除表层物3]。这种去除材料表面的过程可以分为四个阶段（如图 2.1 所示）：第一阶段为表温阶段。激光照射材料表面，被照射区域吸收热量，此时金属表面无裂痕。第二为表面凹陷熔化阶段。照射区域吸收热量达到一定量时，表层金属熔化，金属材现凹陷。第三阶段为表面气化阶段。表层金属熔化后，继续吸收能量，达到一定后发生汽化，气体积聚。此时的表面产生裂纹，喷射的金属熔融物在金属表面会再凝结，从而堆积在金属表面。第四为洼池形成阶段。照射区域持续吸收热量，持续积聚，热影响区继续扩大，继续向下熔融金属，洼池形成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]速滑运动冰面摩擦作用的力学机理探析[J]. 刘贵宝. 冰雪运动. 2017(06)
[2]纳秒激光制备钛表面纹理结构及其润湿性研究[J]. 杨成娟,李媛,梅雪松,田延岭,张大卫. 河北科技大学学报. 2016(04)
[3]轮胎胎面橡胶-冰面摩擦试验方法研究[J]. 郭孔辉,庄晔,CHEN Shih-Ken,LIN William. 摩擦学学报. 2005(03)
[4]速滑冰刀刃表面改性技术对提高成绩的前瞻性探讨[J]. 关亚军,朱宝峰,冯庆波. 哈尔滨体育学院学报. 2003(01)
硕士论文
[1]速滑冰刀的参数化设计及摩擦特性分析[D]. 周骥.吉林大学 2016
[2]仿生凸起几何结构对冰摩擦学特性的影响[D]. 徐苏雷.吉林大学 2013
[3]钛基超双疏表面的制备及其润湿性控制[D]. 陆遥.大连理工大学 2013
[4]淡水冰与多种材料间摩擦因数的试验研究[D]. 秦绪祥.大连理工大学 2013
本文编号：3113269
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生活中无处不在的摩擦
冰上行走也需要增大摩擦保持身体的平衡。然而，在海上货物运输和海上结构计中，需要低摩擦材料来降低维护和运营成本，例如，为克服冰摩擦，需要消船 70%的功率。此外，减少冰摩擦在竞技体育中也很重要。目前，国外学者，一些发达国家的学者，对冰摩擦的相关研究做出了巨大的贡献[1-3]，但是国内的对来说较少。因此，展开对冰摩擦的相关研究很有必要。国内外学者对仿生表生结构-冰之间摩擦的大量研究发现，表面润湿性在冰摩擦中尤其接近熔点时具作用，但其具体的作用机制有待进一步探讨和完善。此外，在研究对象上，主在冰-聚合物、冰-混泥土、木材、岩石、冰-橡胶上，在冰-金属的研究较少。金种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物用广泛。例如不锈钢及其合金被广泛应用于北极越冬的破冰船船头及船身吃水、海上结构物；铝及其合金被广泛应用于对盐敏感海岸结构物，铝也被用来制研究海冰的实验设备。金属具有导热性，因此与传统的冰-冰摩擦提供有价值的对摩擦模型依靠不同材料之间的比较来区分各种材料性质的重要性，因此新的实，以及未研究的材料，可以为冰摩擦理论提供支持证据。
面构造该微结构，实现金属表面润湿性的转变。.2 纳秒激光加工技术简介激光加工属于高精密、非接触加工，主要通过激光热烧蚀表层金属，金属表层，从而在金属表面生成了微结构。激光光束经过扫描振镜和聚焦透镜后具有较高量，作用在金属材料表面转变为热能，积聚的高温以熔化表层金属，去除表层物3]。这种去除材料表面的过程可以分为四个阶段（如图 2.1 所示）：第一阶段为表温阶段。激光照射材料表面，被照射区域吸收热量，此时金属表面无裂痕。第二为表面凹陷熔化阶段。照射区域吸收热量达到一定量时，表层金属熔化，金属材现凹陷。第三阶段为表面气化阶段。表层金属熔化后，继续吸收能量，达到一定后发生汽化，气体积聚。此时的表面产生裂纹，喷射的金属熔融物在金属表面会再凝结，从而堆积在金属表面。第四为洼池形成阶段。照射区域持续吸收热量，持续积聚，热影响区继续扩大，继续向下熔融金属，洼池形成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]速滑运动冰面摩擦作用的力学机理探析[J]. 刘贵宝. 冰雪运动. 2017(06)
[2]纳秒激光制备钛表面纹理结构及其润湿性研究[J]. 杨成娟,李媛,梅雪松,田延岭,张大卫. 河北科技大学学报. 2016(04)
[3]轮胎胎面橡胶-冰面摩擦试验方法研究[J]. 郭孔辉,庄晔,CHEN Shih-Ken,LIN William. 摩擦学学报. 2005(03)
[4]速滑冰刀刃表面改性技术对提高成绩的前瞻性探讨[J]. 关亚军,朱宝峰,冯庆波. 哈尔滨体育学院学报. 2003(01)
硕士论文
[1]速滑冰刀的参数化设计及摩擦特性分析[D]. 周骥.吉林大学 2016
[2]仿生凸起几何结构对冰摩擦学特性的影响[D]. 徐苏雷.吉林大学 2013
[3]钛基超双疏表面的制备及其润湿性控制[D]. 陆遥.大连理工大学 2013
[4]淡水冰与多种材料间摩擦因数的试验研究[D]. 秦绪祥.大连理工大学 2013
本文编号：3113269
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