封面图片说明

本期的封面图片出自论文"仿生表面减磨特性的数值模拟研究",是由东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室的司风琪教授、杨锟和董云山提供的。仿生减磨技术的研究中,沙漠蝎是最具代表性的研究对象之一。该文基于沙漠蝎表面抗蚀结构,采用数值模拟方法研究了不同颗粒入射角下凹槽、凸包和凹槽+凸包三种仿生表面的减磨特性。     

低能斜入射离子束诱导单晶硅纳米结构与光学性能研究

为了研究低能Ar+离子束在不同入射角度下对单晶硅表面的刻蚀效果及光学性能,使用微波回旋共振离子源,对单晶Si(100)表面进行刻蚀,采用原子力显微镜、非接触式表面测量仪和傅里叶变换红外光谱仪对刻蚀后硅片的表面形貌、粗糙度和光学透过率进行了测量.实验结果表明:当离子束能量为1000 eV、束流密度为265μA·cm-2、刻蚀时间为30min时,离子束入射角度从0°增加到30°,样品表面出现条纹状结构.入射角度在0°～15°,随着角度增加,样品表面粗糙度增加,条纹周期减小,光学透过率提高;而在15°～ 30°范围内,随着角度增加,粗糙度开始减小,条纹周期增大,同时光学透过率降低.继续增加入射角度,条纹状结构逐渐消失,入射角度到45°时,粗糙度和光学透过率达到最小值;增加入射角度到55°,样品表面出现自组织点状结构,表面粗糙度急剧增大,光学透过率随着角度增加开始增加;继续增加离子束入射角度到80°,表面粗糙度和光学透过率继续增加,样品表面呈现出均匀有序的自组织柱状结构;此后,随着入射角度的增加,表面粗糙度又开始减小,光学透过率降低.自组织条纹结构到柱状结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果.     

石灰石颗粒碰撞磨损特性实验研究

石灰石颗粒的碰撞磨损对其循环捕集CO2的吸收性能及流化状态有着重要影响。选取了重庆渝北区的天然石灰石颗粒作为样品,研究了碰撞速度、碰撞角度和碰撞次数对其磨损特性的影响规律,建立了粒径衰减率随参数变化的数学表达式。研究表明,随着碰撞速度增大,衰减率降低,其变化规律符合线性关系;碰撞角度变化时,衰减率呈现30°和45°两个分界点的3段不同变化趋势:0~30°衰减率呈线性变化;30~45°衰减率基本保持不变;45~65°衰减率呈二次函数变化。随碰撞次数的增加,细粉累积质量分数和衰减率都增大,且呈线性增长关系。细粉质量和衰减率的增量相近,表明多次碰撞产生近似的磨损效果。     

离子束入射角度对Co50Nb50薄膜微结构的影响

利用离子束辅助沉积技术,通过改变离子束入射方向与薄膜表面法线的夹角,制备了一系列厚度为50 nm的Co50Nb50薄膜,并研究了离子束入射方向对薄膜表面结构的影响.实验中,离子束入射角分别为0°,30°,45°,75°和85°(掠射).研究结果表明,所得到的薄膜均为非晶结构.离子束垂直入射(0°入射)时,薄膜表面产生渗流花样;入射角为30°时,渗流现象更加明显,薄膜表面粗糙度增大;随入射角增至45°,表面渗流现象减弱,薄膜变得平整;当入射角进一步增加到为75°,薄膜表面出现平行于入射方向的纳米条纹;离子束掠入射(85°入射)时,薄膜表面条纹的平均宽度减小,均匀性提高.研究表明上述表面结构的变化是原子沉积、离子束溅射和沉积原子热扩散共同作用的结果.     

冲击荷载下强度比对类复合岩样能量耗散影响的研究EI北大核心CSCD

利用直径为50 mm的分离式霍布金森压杆试验装置对类复合岩样进行动态冲击试验。研究了不同应变率、入射波的不同入射顺序、不同强度比、不同入射角度对岩体能量耗散的影响。试验结果表明:类复合岩样的入射能、吸收能、能量利用率均随应变率的增大而增大;不同入射顺序对吸收能和能量利用率有不同影响,且随着强度比增大,不同入射顺序的影响逐渐减小;当应变率约为270 s-1时,不同强度比类复合岩样的能量利用率均随着入射角增大呈现先减小后增大的趋势,在入射角为30°时能量利用率最小,入射角90°时能量利用率最大。     

分子动力学模拟不同入射角度的SiF3+对SiC表面的作用

采用分子动力学模拟方法研究了300K入射能量150eV时,以不同角度(5°、30°、60°和75°)入射的SiF3+与SiC表面的相互作用过程。模拟中使用了用于Si-F-C体系的Tersoff-Brenner势能函数。模拟结果显示,入射SiF3+与SiC表面相互作用后会分解,分解率随着入射角度的增加而减小。分解产物除少量散射外,大部分会沉积在SiC表面,Si和F在SiC表面的平均饱和沉积量随入射角度的增加而减少。随着SiF3+不断轰击SiC表面,SiC表面会形成Si-F-C反应层,且反应层厚度随着入射角度的增加而减少。同时发现SiC中的Si原子较C原子更容易被刻蚀,与实验结果一致。当刻蚀达到稳定,入射角度为5°、30°、60°和75°时,C的刻蚀率分别约为0.026、0.038、0.018、0.005,Si的刻蚀率分别约为0.043、0.051、0.043和0.023。各入射角度下,产物分子种类主要为F、SiF和SiF2。F和SiF产物量随入射角度增加而增加,而SiF2产量随入射角度增加而减少。在入射角度等于5°和30°时,SixFyCz是主要的含C产物;而在入射角度等于60°和75°时,CF是主要的含C产物。在入射角度等于5°和30°时,SiF2是主要的含Si产物;在入射角度等于60°和75°时,SiF是主要的含Si产物。刻蚀主要通过化学增强的物理溅射进行。     

仿生非光滑表面磨损机理的试验研究

为研究具有不同仿生非光滑表面特征试件的磨损机理,通过加工几种具有非光滑表面形态特征的圆形45#钢试件,利用正交试验方法设计耐磨性试验方案,在国产MM200型摩擦磨损试验机上进行试验.试验结果表明,在相同试验条件下,时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响,并且耐磨性按照凹坑、凸包、波纹、鳞片形态递减;通过分析磨损后非光滑形态表面的形貌及磨屑的图像,得出非光滑表面形态的磨损机理是磨料磨损,并且其磨损机制是微观切削.     

金属-复合材料胶接凹槽形貌增强及参数设计

金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域,具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽,评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响,设计了单搭接拉伸剪切试验,验证胶接接头的剪切性能;在模拟中引入随机Weibull分布,定义内聚单元材料参数,结合矢量化用户材料(Vectorized user material,VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程,并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型,分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明,±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度,数值模拟强度和破坏模式与试验吻合;凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著,本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。      

离子束倾斜入射抛光对表面粗糙度的影响

基于光学元件离子束高精度确定性抛光技术,在自行研制的离子束抛光机床上,本文研究了离子束倾斜入射抛光对光学材料熔石英表面粗糙度的影响.为了在离子束抛光中改善表面粗糙度,采用了0°～80°之间不同入射角度的离子束倾斜抛光和倾斜45°入射均匀去除两种实验方案进行研究,其中不同入射角度抛光实验研究结果表明:离子束垂直入射抛光较难改善表面粗糙度,倾斜入射抛光可以较好地改善表面粗糙度,入射角为30°～60°之间时抛光效果最佳,表面粗糙度得到明显改善;倾斜45°入射均匀去除抛光实验结果表明表面粗糙度的RMS值由抛光前(0.92±0.06)nm下降到(0.48±0.04)nm,提高了光学零件的表面质量,验证了离子束倾斜入射抛光可以较好地改善表面粗糙度,实现了离子束倾斜抛光超光滑表面的生成.     

电刷镀-激光加工法制备耦合结构及复合特性研究

通过电刷镀-激光加工法在铝合金表面制备出特殊的复合结构,获得具有低黏附、耐腐蚀特性的超疏水表面,其对水的静态接触角达到155.1°,滚动角小于5.6°。利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、接触角测量仪(OCA15Pro)和X射线衍射仪(XRD)表征表面的形貌结构、润湿特性和物相组成,并通过腐蚀性实验对表面的耐腐蚀性能进行研究。结果表明:制备表面是一种带有孔洞的沟槽与菜花状的凸包簇形成的复合结构,并且各凹槽与凸包结构均为定尺寸分布。电刷镀处理使表面物相组成相对于基体表面发生明显变化,进一步的激光加工使峰值强度增强,材料组织发生细化现象;耦合方法所制备表面的耐腐蚀性也得到改善。     

Erosion mechanisms of aluminium nitride ceramics at different impact angles

In this paper, erosion wear behaviour of aluminium nitride (AlN) ceramics is studied. The influence of particle hardness and shape on erosion of the AlN surface is examined. The effect of varying the impingement angle on the weight loss and the roughness parameters of AlN ceramics testing sample is also determined. Therefore, erosive wear behaviour of AlN ceramics was investigated using SiC and SiO₂ particles as erodents, at following impact angles: 30°, 45°, 60°, 75° and 90°. Scanning electron microscopy (SEM) was used to analyze the eroded surfaces in order to determine erosion mechanisms. The roughness parameters (R_a, R_z and R_max), before and after erosion with SiO₂ and SiC particles at 30° and 90° angles of impingement, respectively, were determined using a profilometer. It was found that the impact angle is influencing the erosion wear of the AlN ceramics and maximum erosion takes place at impact angle of 90°. The results indicate that hard, angular SiC particles cause more damage than softer, more rounded SiO₂ particles.     

烧蚀角度对C/C复合材料烧蚀行为的影响EI北大核心CSCD

烧蚀角度对C/C复合材料的耐烧蚀性能有显著的影响,采用自主研发的氧-煤油烧蚀实验系统对轴棒法编织的三维四向C/C复合材料进行烧蚀/侵蚀实验,实验的典型角度分别为90°,60°,45°,侵蚀时的粒子浓度为1.37%。测算试样的宏观烧蚀率,并采用扫描电镜(SEM)观察了试样烧蚀后的微观形貌。分析了角度对C/C复合材料烧蚀行为的影响规律,并探讨其烧蚀机理。结果表明:不加粒子进行烧蚀实验时,烧蚀角度90°,60°,45°对应的试样质量烧蚀率分别为0.146,0.123,0.100g/s,随烧蚀角度的减小,质量烧蚀率加速降低;加粒子进行侵蚀实验时,烧蚀角度90°,60°,45°对应的试样质量烧蚀率分别为0.452,0.455,0.432g/s,线烧蚀率分别为1.863,1.323,0.843mm/s,随烧蚀角度的减小,质量烧蚀率基本不变,线烧蚀率逐渐降低。烧蚀角度越小,射流的冲刷作用越强,伴随热化学烧蚀的作用,导致烧蚀/侵蚀实验条件下,径向纤维的烧蚀梯度均增加;烧蚀实验条件下,轴向纤维束外沿的受冲刷区域变大。     

超疏水仿生水泥混凝土路面防覆冰技术及效能评价

通过微纳米路表构建与超疏水材料涂覆技术相结合,制备了超疏水仿生水泥混凝土路面模型试件;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结其制备工艺;采用自行设计的"冰-路"附着强度测试装置进行防覆冰性能测试,同时开展接触角测量试验、路面表面能计算及耐久性试验,综合评价超疏水仿生水泥混凝土路面的疏水、防冰效能。结果表明:超疏水水泥混凝土试件表面冰的残留率为29.9%,是普通试件的1/3左右,间接反映了超疏水路面具有较好的疏冰性能;与普通试件的接触角0°相比,超疏水水泥混凝土试件的接触角为153.5°,达到超疏水状态;表面能计算表明超疏水材料的作用降低了路面表面能,仅为普通水泥路面的3.4%,进一步验证了超疏水水泥混凝土路面可显著降低"冰-路"附着强度;通过模拟轮胎与路面的摩擦作用,接触角依然在90°以上,表明超疏水路面耐久性良好。     

强化研磨微纳加工参数对轴承套圈滚道表面硬度的影响

目的 探明不同加工参数对加工表面平均硬度的影响规律。方法 用强化研磨微纳加工技术对6012深沟球轴承内圈滚道表面进行强化处理,通过设置不同的喷射压力、加工时间、喷射角度及钢珠配比获得加工试样。采用洛氏硬度计分别检测加工前后套圈滚道表面硬度,并分析其随各参数变化的规律。结果 加工时间为5 min,喷射角度为45°,喷射压力为0.4～0.6 MPa时,表面硬度随喷射压力的增大而增大,0.6 MPa后维持在HRC61.60附近;喷射压力为0.6 MPa,喷射角度为45°,加工时间为1～5 min时,表面硬度及其增量随时间增加而增大,其后在HRC61.50附近徘徊;喷射压力为0.6MPa,加工时间为5min,喷射角度为35°～55°时,试样表面硬度及其增量先减小后增大,喷射角度达50°后,表面硬度达最大值HRC63.45;钢珠配比则对试样表面硬度影响不大,加工所得试样在HRC61.67～HRC61.80之间。结论 试样表面硬度及其增量随喷射压力、加工时间及喷射角度的增加而增加,且受加工时间影响最大。当加工时间为5 min,喷射压力为0.6 MPa,喷射角度为50°时,可获得较高的平均表面硬度。     

Erosion–corrosion behavior of plastic mold steel in solid/aqueous slurry

Erosion–corrosion behavior of a precipitation hardenable plastic mold steel (NAK80) has been investigated by using a rotated slurry erosion rig containing a slurry comprising 20 wt% Al₂O₃ particle and 3.5% NaCl solution. The erosion–corrosion rate and the synergism between erosion and corrosion have been determined under various conditions. The major environmental parameters considered are impact angle, impact velocity, and particle size. Post-test examination was conducted to identify the material degradation mechanism involved. The erosion–corrosion mechanisms of NAK80 mold steel at high-impact angles are dominated by the formation of impact pits, dissolution of metallic matrix, and plastic deformation fatigue spalling, whereas at low-impact angles, the mechanisms are dominated by the formation of impact pits, dissolution of metallic matrix, fatigue cracks, and cutting. The observed synergism between these mechanisms is much more accentuated at an oblique impact angle than that at a normal impact angle. At a given impact angle, the erosion–corrosion rate is found to increase with the impact velocity and the size of solid particles. The maximum peak of the erosion rates lies at oblique angles between 30° and 45°, whereas the maximum peak of the erosion–corrosion rates appears at 45°, and the erosion–corrosion rate is higher than the erosion rate alone at all angles examined. There is a positive synergism between erosion and corrosion for NAK80 mold steel in solid/aqueous slurry. The synergistic effect is 40–60% of the total weight loss. The contribution of synergism to the total weight loss depends upon the impact velocity; however, it is almost independent of the impact angle and particle size.     

微槽道表面喷雾冷却的实验研究

本文建立了以蒸馏水为工质的开放式喷雾冷却系统,研究了工质体积流量、槽道宽度、槽道高度对喷雾冷却系统换热性能的影响。结果表明:保持槽道高度为0.8 mm,喷雾流量为0.45 L/min时,随着槽底宽度从4 mm减小至1 mm,传热系数增加了41%;而当喷雾流量为1.25 L/min时,表面传热系数仅增加了8.5%,因此减小槽底宽度对喷雾冷却效果有一定的促进作用,但大流量时并不明显;保持槽底宽度为2 mm,改变槽道高度,当喷雾流量为0.45 L/min时槽道高度对热沉表面的换热影响较大,存在最优槽道高度(0.8 mm),此时热流密度和表面传热系数分别为198.5 W/cm~2、2.75 W/(cm~2·K),与光滑面相比增加了21.25%和30.95%,且存在最低表面温度;而当喷雾流量增至1.25 L/min时,喷雾冷却效果随着槽道高度的增加而持续增加。在以上基础上推导了微槽表面喷雾冷却强化换热机理,得出反映槽道尺寸对换热影响的微槽群表面无量纲准则方程。     

Finite Element Analysis of Single-Particle Impact on Mild Steel and Spheroidal Graphite Cast Iron

Erosion of materials due to the impact of solid particles is strongly affected by the mechanical properties and microstructures of materials. The experiments in this study showed that maximum erosion occurred at impact angle of 20° for mild steel SS400 and 60° for spheroidal graphite cast iron FDI. This phenomenon has been referred to as the impact angle dependence of erosion in previous studies. In order to clarify the impact angle dependence of erosion on these two materials, 3D finite element (FE) models of single-particle impact on SS400 and FDI were built and analyzed. Considering that erosion occurs due to a combination of cutting and deformation effects, the experimental results were explained from the viewpoint of shear stress and plastic strain on the material surface of FE models. Simulation results showed that for FE models of SS400, plastic strain varied only slightly at different impact angles, whereas the shear stress changed significantly with impact angle, with the maximum value occurring at impact angle of 20°. Thus, shear stress was the main factor affecting the erosion of mild steel, which can explain the experimental observation of maximum erosion occurring at 20° for SS400. On the other hand, for FE models of FDI, shear stress changed little at different impact angles while plastic strain changed significantly with impact angle. The maximum value of plastic strain occurred at impact angle of 50° or 80°, which was also in accordance with the experimental result that maximum erosion occurred at impact angle of 60° for FDI.     

包装印刷设备的风嘴流场分析及优化

目的对包装印刷设备风嘴附近流场区域进行数值仿真分析,并以此为依据对其进行外侧风嘴角度的优化。方法以计算流体力学为理论基础,按照实际设备烘箱结构进行模型构建、网格切分、数值计算、特征评估,分析流畅特性,并以承印物表面为依据确定最优参数范围。结果获取了风嘴至承印物之间的流场分布,并对承印物表面的温度场、速度场、压力场进行了全面评价,获取了均值、方差、极差等主要特征。结论风嘴排列结构的外侧风嘴角度对温度场、速度场、压力场分布有着明显影响,最佳角度为150°或120°附近,应避免出现在135°附近。     

新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟

针对液动冲击器在泥浆钻进过程中因冲蚀严重而无法实现工业化应用的问题，从结构创新角度设计了一种抗冲蚀的新型液动冲击器。以液固两相流动力学和冲蚀理论为基础，建立液动冲击器冲蚀模型，采用拉格朗日粒子追踪算法计算固相颗粒运动轨迹，基于液动冲击器内部流场分析预测冲击器冲蚀区域分布、颗粒冲击速度对主要零件（冲锤、上套筒和外壳）冲蚀的影响及其工作寿命。由数值模拟结果可知：冲蚀区域主要集中在冲锤上腔的底面、冲锤边角处、流道孔进口壁面、上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面；冲锤、上套筒和外壳的平均冲蚀率与冲击速度呈幂函数关系，速度因子在1~4之间；根据对比分析可知，新型冲击器关键零部件的耐冲蚀寿命与现有冲击器射流元件相比有明显提升。研究工作对推动新型液动冲击器工业化应用有较为重要的参考价值。     

Numerical investigation of electrostatic effect on particle behavior in a 90 degrees bend

Particle behavior in a turbulent circular-sectioned 90° bend under electrostatic field at three air flow rates (1600 L/min, 1100 L/min and 950 L/min, the corresponding bulk Reynolds numbers are 58,000, 40,000, 34,000) is simulated by a Large Eddy Simulation-Lagrangian particle tracking technique (LES-LPT) method coupled with electrostatic field model by Coulomb’s law. This numerical simulation is dedicated to study the electrostatic effect on particle behavior and erosion occurred in the dilute particle-laden bend flow. Forces considered acting on particles includes drag, lift, gravity and electrostatic force. Results obtained for the fluid phase are in good agreement with experimental and numerical data. Predictions show that electrostatic field does affect the particle motion in the pipe bend. At higher air flow rate with higher electrostatics at the inner arc the increasement of impact angle is lower than that at lower flow rate with lower electrostatics. The same conclusion can be found at the outer arc. In addition, electrostatic effect does increase particle-wall impact velocity while such trend decreases with flow rate. Erosion rate increases with increasing air flow rate, which is independent of electrostatics. However, given the same flow rate, the electrostatics reduces the occurrence of erosion at the bend. The erosion rate under electrostatic effect is found to approach that without electrostatics as the flow rate increases. Therefore, the effect of electrostatics on erosion decreases with the air flow rate.