规则织构化硅片表面的制备及其润湿行为

采用感应耦合等离子体刻蚀技术实现了不同形状和几何参数的规则织构化硅片表面的构筑与制备。主要以三种典型的规则织构包括圆柱状、圆坑状和沟槽状表面为研究对象,系统考察了织构形状和几何参数对表面润湿行为的影响规律。研究结果表明:随着织构高度、深度和表面覆盖率的增加,规则织构化硅片表面疏水性能增强,规则织构化表面疏水性能随着表面粗糙度的增加而增强。不同的几何形貌对硅片表面接触角的影响强度是不同的,相对于柱状与沟槽状织构,坑状织构在较小的表面粗糙度时可得到较大的接触角。当表面的接触角均为101°时,坑状、柱状、沟槽状织构的表面粗糙度分别为16.2 nm,29.2 nm和70.2 nm。     

交叉沟槽织构化粗糙表面流体润滑数值分析

目的 探究粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体动力润滑性能的影响。方法 基于质量守恒空化边界条件和平均流量模型的Reynolds方程,建立计入表面粗糙度效应的交叉沟槽织构化表面流体动力润滑理论模型,采用多重网格法进行数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体润滑性能的影响规律。结果 油膜承载能力随着沟槽宽度的增大而增大,表面粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽宽度的增大而增大。存在最佳的沟槽深度和间距使得交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应达到最强,表面粗糙度对油膜承载能力的影响在最佳沟槽深度附近最大,粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽间距的增加而增大。油膜承载能力随着交叉角度的增大呈现先增大后减小的趋势,粗糙度对油膜承载能力的影响随着交叉角度的增加而增大。交叉沟槽的重叠系数对油膜平均压力几乎没有任何影响,粗糙度对油膜承载能力也几乎不受重叠系数的影响。结论 在利用数值分析方法研究交叉沟槽织构流体动力润滑性能时,不能忽略粗糙度的影响,表面粗糙度在一定程度上抑制了交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应,降低了油膜承载能力。     

织构化表面优化设计及应用的研究进展∗

作为改善摩擦表面界面性能的有效途经,表面织构现已成为摩擦学领域和表面工程领域的研究热点之一,但是表面织构的机理研究以及织构优化设计体系尚未完善。 首先从表面织构的承载机理和抗磨机理研究出发,揭示了织构表面润滑改善原因。 其次从表面织构的形状优化、分布优化和目标优化算法三个方面总结了表面织构的优化设计体系,综述了表面织构优化设计的研究进展。 最后介绍了表面织构在工业应用的研究现状。 表面织构的性能受结构参数及分布参数影响较大,而多参数协同优化设计为解决该问题的有效方法。 随着不断深入地对承载机理和抗磨机理、优化体系中关键技术以及不同领域应用的研究,以“机理-优化-应用”为思路的表面织构理论与设计体系有望形成。     

活塞环表面织构化镀层的摩擦性能研究

目的以缸套/活塞环为试验对象,研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理,利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS_2微粒浓度的Ni-MoS_2复合镀层,通过往复式摩擦试验研究织构化表面沉积固体润滑剂对活塞环-缸套的影响机制。结果镀液中MoS_2微粒浓度对镀层的硬度和摩擦学性能影响较大,相同电流密度下,电镀液中MoS_2微粒的质量浓度为5g/L时的镀层硬度最高,该浓度下Ni-MoS_2复合镀层在干摩擦下具有最佳的摩擦系数和最低的磨损率。织构化复合镀层可以显著改善接触面间的摩擦性能,相比未织构化摩擦配副,摩擦系数降低约0.2,磨损率下降50%。结论干摩擦条件下,表面织构可以有效地储存摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒,在接触表面形成连续润滑膜,减少磨粒磨损。     

多晶柱状Cu膜的表面粗化与织构

用磁控溅射工艺分别在Si和Al2O3衬底上沉积两种不同织构组分的多晶柱状Cu膜,基于动力学标度方法表征两种薄膜的表面粗化特征．结果表明,Cu（111）取向晶粒组分多的薄膜的生长指数较大、表面粗化速率较快．对于较低温度下沉积的多晶柱状薄膜,基于其晶粒几何形态和弱化的晶界限制的特点,提出了一种表面粗化机制,认为薄膜的表面粗化主要依赖于其晶粒表面的粗化过程,而薄膜织构决定了薄膜表面粗化速率．     

织构化表面处理抑制界面摩擦尖叫噪声

为寻求抑制摩擦尖叫噪声的新途径,对表面加工有不同尺寸及分布沟槽型织构的列车制动盘蠕墨铸铁试样进行摩擦噪声试验,探讨织构化表面处理对界面摩擦尖叫噪声特性的影响。结果表明:沟槽织构表面具有明显降低摩擦尖叫噪声的效果,系统在摩擦副接触界面为织构表面的半周期内无明显尖叫噪声产生,但在接触界面为光滑表面的半周期内会产生高强度尖叫噪声。说明沟槽织构表面降低尖叫噪声的主要机理为:沟槽棱边在摩擦过程中与对摩副碰击,抑制了系统自激振动及摩擦尖叫噪声的产生。     

微织构化表面润滑设计与发展分析

随着先进微细加工手段的可及化,近十年来,表面微织构技术有效促进了织构摩擦学的蓬勃发展.针对几种典型润滑工况下的摩擦特性,阐述了表面微织构技术的应用特征,尤其是表面微织构的实施对润滑区摩擦学行为的作用和影响.分析了表面织构在摩擦表面减摩抗磨、润滑减阻和防腐延寿诸方面的施用效果与发展潜力,在智能制造的现实需求下,提出表面织...     

织构化涂层表面的黏附接触力学行为研究

目的 建立刚性微球与织构化涂层表面黏附接触数值分析模型,探究织构化涂层属性对微观接触副黏附力学性能的影响。方法 基于Hamaker求和法以及Lennard–Jones势能定律,考虑织构高度对接触体间距离分布的影响以及涂层、织构材料属性对接触体间黏附力的影响,建立织构化涂层表面黏附接触力学模型并验证所提模型。基于所提模型,研究不同Tabor数下织构形貌、密度、高度以及涂层厚度对接触系统黏附力学性能的影响。结果 在相同参数下,圆柱型织构黏附力最大,半椭球型织构次之,四棱锥型织构最小。织构密度从200μm^-2增加到4 000μm^-2时,最大黏附力随着织构密度的增加而增加,圆柱型织构增加约5～6倍,四棱锥型织构增加约1.5倍。随着织构高度从1ε_bs增加至30εbs,最大黏附力减小,四棱锥型织构减小最多,约为原来的1%,圆柱形织构减小最少,约为原来的90%。涂层厚度能够影响黏附力的大小,但影响规律与织构化涂层的Tabor数及织构高度相关。随着涂层厚度从1ε_bs增加至16ε_bs,大Tabo...     

表面织构化刀具的研究现状与进展

高速切削加工作为难加工材料的主要加工方式,在其切削过程中,刀具的快速磨损、加工表面质量差等问题显著。近些年来,表面织构由于在控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能等方面的作用引起了国内外学术界和产业界的广泛兴趣,为刀具减摩降磨技术的研究提供了新方向。表面织构效应是通过在摩擦副表面加工出具有不同形状几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构时,表面的摩擦磨损和润滑特性随之改变的热动力学效应。针对表面织构技术在刀具方面的应用研究,描述了刀具表面织构的主要制备方法,对比分析了各种制备方法的优缺点,然后分别阐述了微沟槽织构、微凹坑织构、纳米织构/微纳复合结构阵列以及织构化自润滑刀具在减缓刀具磨损、提高加工质量等方面的研究现状与进展,同时分析了表面织构改善刀具系统摩擦学性能的原因和机理,最后指出刀具表面织构技术目前研究存在的问题及其对刀具减摩降磨的重要意义。     

改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构研究现状

钢铁材料广泛应用于诸多工程领域,但其耐磨性差,源于材料表面的摩擦会引起磨损损伤、阻力大、噪声污染等问题,从而导致材料损伤或失效,影响部件局部或整体的正常使用。在材料表面形成表面织构可有效实现减摩/抗磨、减阻、降噪的效果,从而达到改善钢铁材料摩擦学行为的目的。综述了表面织构在改善钢铁材料摩擦学行为方面的研究现状,对钢铁材料表面减摩/抗磨、减阻和降噪表面织构的设计与研究进行了分析与比较,简要阐述了相关机理。干摩擦和润滑条件下,表面织构通过发挥捕捉磨屑、储存润滑剂、流体动压润滑的作用来实现减摩/抗磨;与流体和空气摩擦时,表面织构通过产生二次涡达到减小表面与流体/空气接触面积等作用实现减阻和降噪。最后,展望了能够改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构的相关研究思路和方法。     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

表面织构化DLC涂层在脂润滑下的摩擦学性能研究

目的 研究表面织构与类金刚石薄膜(DLC)的复合处理方法,提高在GCr15钢盘表面在全氟聚醚(PFPE)润滑脂润滑下的摩擦学性能.方法 设计了四种表面织构与两种厚度的DLC涂层相结合,采用两种加工方法(在织构表面镀上DLC涂层,在DLC涂层上加工织构),对GCr15金属盘表面进行处理.选用全氟聚醚润滑脂作为润滑介质,通...     

具有分形特征的织构表面的润滑减摩性能研究

目的利用数值模拟方法研究具有分形特征的方形织构在全膜润滑条件下的摩擦学性能。方法采用三维建模软件Solidworks建立了具有分形特征的织构表面模型,通过计算流体力学软件Fluent,详细计算分析了织构深度、尺度及相对滑动速度等参数对摩擦系数和动压承载能力的影响,并对分形织构和等面积比的规则阵列织构表面进行了对比研究。结果增加分形织构的深度能小幅度地减小表面摩擦系数,而缩小织构的尺度则可以明显降低表面的摩擦系数,织构表面的压力系数正比于织构尺度和相对滑动速度,反比于织构深度。分形织构和规则阵列织构的对比研究发现,相同面积比条件下二者的摩擦系数基本一致,而分形织构在承载能力上明显优于规则阵列织构。结论在材料表面设计具有分形特征的织构能有效地改善摩擦副表面的滑动摩擦性能,为表面减摩织构设计提供了一种新思路。     

局部凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑数值分析

目的 探究局部凹坑织构化表面对径向滑动轴承流体动力润滑的影响.方法 基于雷诺边界条件和Reynolds方程,建立凹坑织构化径向滑动轴承表面流体动力润滑理论模型,采用Gauss-Seidel松弛迭代方法数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析其润滑油膜承载机制,探讨凹坑几何参数和分布规律对油膜承载力的影响规律.结果 理论模型的数值解与经典理论的数值解误差较小,能有效分析轴承的流体动压润滑特性.当偏心率较大时,摩擦力的上升幅度也变大,在轴承承载区进行凹坑织构化处理能明显减小摩擦力,并且随着凹坑深度的增大,摩擦力减小,可见凹坑起润滑减摩的作用.油膜承载力随着偏心率的增大而增大,通过凹坑织构的"楔形效应"能够改善非承载区的油膜压力,存在最佳凹坑深度使得轴承达到流体动力润滑最佳状态.摩擦力随着面积率的增大而增大,特别是在偏心率较大时,润滑减摩效果较为明显,面积率对油膜承载力影响不大.将织构布置在径向滑动轴承的不同区域,其中当织构完全在下半瓦(压降区)时,织构能明显增大油膜厚度,产生油膜压力,有效降低摩擦力,提升承载力.结论 凹坑织构能明显改善径向滑动轴承流体动力润滑性能,合理设计轴承的偏心率,合适的织构参数与分布位置,能使流体动力润滑效果最佳.     

斜锥表面液滴的定向流动特性

目的 研究液滴在斜锥表面的定向流动特性,揭示液滴在斜锥表面的定向输运机理。方法 以斜锥表面液滴运动行为为研究对象,通过数值模拟技术提取液滴动力学参数,探讨不同斜锥结构参数对液滴自输运行为的影响。结果 液体内部速度的不均匀分布导致液滴内部产生速度涡旋,在泰勒毛细升力的作用下,斜锥间隙产生了涡量较大的速度主涡旋,液滴内部产生了涡量较小的速度次涡旋。在液滴定向输运过程中,2种涡旋的旋转方向与液滴的输运方向保持一致。液滴自输运过程伴随着表面能、动能的相互转化。在铺展收缩阶段,液滴的形变量较大,固–液接触面积和液滴的表面能先增大再减小,液滴运动速度却先减小再增大。在稳定输运阶段,液滴的表面能和速度基本保持不变。泰勒毛细升力和斜锥间隙中的不平衡毛细力驱使液体不断填充斜锥间隙。液滴在斜锥表面受到不平衡的钉扎阻力,使得液滴左侧更易脱钉,保证整个液滴向右无损输运。结论 可为揭示液滴在斜锥表面的流动特性和自输运机理提供理论支持,指导研制以斜锥结构为仿生原型的机械功能表面。     

磁控溅射SiC薄膜表面形貌演化行为研究

采用射频磁控溅射法在石英玻璃基底上沉积SiC薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜( AFM)观察薄膜的表面形貌,利用粗糙度和颗粒度大小对薄膜表面形貌动态演化进行量化表征.结果表明:在100～175 W溅射功率范围内,1 000℃高温真空退火处理能明显减小SiC薄膜表面粗糙度,膜层表面更为平滑,颗粒大小更为均匀...     

正弦织构化表面等离子喷涂熔滴铺展成形分析

目的 分析等离子喷涂熔滴在表面织构内的铺展、凝固规律,为了解表面织构化对等离子喷涂涂层结合机制的影响以提升涂层的结合强度提供理论辅助.方法 基于Flow 3D建立熔滴填充微织构的数值模型,研究等离子喷涂熔滴填充正弦形织构的温度场及铺展成形规律,并对比分析织构边缘凸起及织构形状的影响.同时,基于激光织构化表面等离子喷涂试验,分析不同织构对涂层形貌的影响.结果 无边缘凸起织构的散热速度比有边缘凸起织构的快约0.7μs,凹坑织构的散热速度最慢,计算结束时,其最高温依然高于熔滴液相线(1728.4 K)约44.7 K.基体最高温度约1680.5 K,其主要分布于织构边缘凸起顶端、基体平面与织构内壁的拐点以及织构内壁上的凸点位置.有边缘凸起正弦织构的凝固熔滴由中间向两侧逐渐变薄,熔滴在无边缘凸起织构外部呈规则的圆盘状,凹坑织构底部存在"空腔"特征.涂层截面形貌分析发现,有边缘凸起的织构表面的涂层形貌较优,凹坑织构涂层含有较多缺陷,形貌最差.结论 镍基涂层与织构化表面为机械结合.相比凹坑织构,正弦和直线织构更有利于提高涂层的质量.织构边缘凸起的存在对提高喷涂质量也是有利的.     

原子力显微镜和白光干涉仪在表面材料测试中的应用研究

目的验证原子力显微镜和白光干涉仪分别在表面材料测试中的分辨率及其在不同类型表面材料测试中的适用性。方法分别采用原子力显微镜和白光干涉仪,对不同厚度级别的ZnO薄膜、石墨烯、磨斑等几种不同类型的表面材料进行了具体的测试研究。结果白光干涉仪10×镜头和50×镜头及原子力显微镜皆可以准确地测试百纳米级别的ZnO薄膜厚度,测得的膜厚分别为148.668、123.354、111.648 nm。原子力显微镜也可以准确地测出十纳米级别的ZnO薄膜厚度,测得的膜厚仅为6.152 nm,而白光干涉仪则不能测试出十纳米级别的ZnO薄膜厚度。原子力显微镜可以准确地测试出石墨烯片的大小、厚度和层数等三维数据,测得的厚度为0.665 nm左右,层数为单层或双层,而白光干涉仪则没有如此高的分辨率。白光干涉仪可以准确地测试出磨斑的宽度、深度等三维数据,测得的磨斑深度为4.245μm,而原子力显微镜则不适合测试表面如此粗糙的样品。结论原子力显微镜适合于测试相对光滑的表面材料的三维形貌和数据,如测试十纳米级别以上的薄膜厚度、超薄石墨烯片厚度和层数。白光干涉仪则适合于测试相对粗糙的表面材料的三维形貌和数据,如测试百纳米级别以上的薄膜厚度、微米级别磨痕深度等。