| 题名 | 沙尘环境下材料的摩擦学损伤特性研究 |
| 作者 | 李春霞 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-25 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 阎逢元 |
| 关键词 | 沙尘 摩擦磨损 摩擦层 复合材料 sand-dust fiction and wear tribolayer composite |
| 学位专业 | 物理化学（含：化学物理） |
| 中文摘要 | 本论文中采集西北地区实际环境中的沙样,建立了模拟沙尘环境摩擦磨损试验系统，在沙尘粒径、沙尘浓度可控的实验条件下，研究了几种金属（AISI-52100钢、AISI-1045钢、Z25铸铁、2Al2铝合金、C52100铜合金）与几种聚合物（聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺(PI)）及PTFE基复合材料的摩擦磨损性能，对比研究了干摩擦、鼓风、沙尘这三种实验条件下材料摩擦学特性的变化，明确了沙尘对不同材料摩擦学行为的影响，考察了载荷、沙尘粒径、沙尘浓度等因素对材料摩擦学性能的影响，并对材料相应的磨损机理进行了研究和探讨，研究工作所得到的主要结论如下： 1. 在沙尘环境下，AISI-52100钢、C52100铜合金、AISI-1045钢和Z25铸铁的磨损率比干摩擦条件下有大幅度减小，这是由于沙粒可以嵌入样品表面，并进入因磨损而产生的表面裂纹中，使材料表面得到增强，提高抗磨损性能；另一方面，沙粒的存在可以减少金属摩擦副表面的直接接触，减小粘着磨损。因为2Al2铝硬度较小的特殊性，使沙尘随载荷变化发挥不一样的摩擦学作用。增大沙尘粒径使五种金属的摩擦系数大幅度减小，而使磨损率增大。其中, AISI-52100钢和C52100铜合金的磨损率随磨粒粒径的的变化很小，这点可以用“临界尺寸”理论解释。增大沙尘浓度使AISI-1045钢、2Al2铝合金和Z25铸铁的磨损率大幅度减小，这与“摩擦层”的形成有关，而AISI-52100钢和C52100铜合金的磨损率随沙尘浓度变化很小。 2. 鼓风或沙尘作用使PTFE和UHMWPE的磨损率比干摩擦条件下减小，因为鼓风使摩擦表面温度降低，剪切强度随之增大，而沙尘在摩擦过程中嵌入样品表面形成摩擦层提高了材料的抗磨损性能。鼓风或沙尘使PI的磨损率增大，因为鼓风加快了周围气体分子的运动，促进PI向对偶表面的转移，故使其磨损加剧；PI表面未形成摩擦层是其在沙尘环境下磨损率增大的原因。鼓风或沙尘使PTFE和UHMWPE的摩擦系数增大。鼓风使PI摩擦系数减小，归因于对偶面上非连续转移膜的形成。沙尘环境下，PTFE表面摩擦层分布均匀，而UHMWPE表面摩擦层则不均匀且较薄。较高载荷下形成的摩擦层要比低载荷下的摩擦层更厚。 3.无论是金属还是聚合物材料，沙尘环境下是否有“摩擦层”的形成对材料的摩擦学行为有决定性的影响。“摩擦层”由塑性变形的基体材料、破碎的磨粒和磨屑组成，“摩擦层”的形成与否与材料自身特性以及材料与沙尘粒子的结合性能相关。 4. 干摩擦和沙尘条件下，填充PI能够很好的提高PTFE的抗磨损性能，随PI含量的增加复合材料的磨损率总体呈减小趋势。当PI含量为5 vol.%时，PI与PTFE混合形成了结晶度比PTFE更高的合金结构，使其在沙尘环境下的磨损率小于干摩擦。干摩擦条件下，分别填充二硫化钼(MoS2)、石墨、沙(sand)、碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)和玄武岩纤维(BSF)都能够大幅度提高PI-PTFE的抗磨损性能；而沙尘环境下，这些三元复合材料的抗磨损性能均弱于PI-PTFE，因为沙粒更容易嵌入纯聚合物表面起到增强基体的作用，对复合材料而言，在本身已得到增强的基础上很难显示出沙粒嵌入其中而发挥的增强作用。在三元复合材料中，MoS2-PI-PTFE和BSF-PI-PTFE抗磨损性能较好。干摩擦条件下，所有三元复合材料的摩擦系数都高于PI-PTFE；沙尘环境下，它们的摩擦系数均小于PI-PTFE。其中，石墨-PI-PTFE和CF-PI-PTFE的摩擦系数最小，这是因为石墨和碳纤维本身有润滑作用。 |
| 学科主题 | 材料摩擦学 |
| 公开日期 | 2012-11-05 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/1665]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李春霞. 沙尘环境下材料的摩擦学损伤特性研究[D]. 中国科学院研究生院. 2009. |
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