粘度对超疏水固体表面减阻影响的实验研究

为了研究流体粘度对微细结构固体表面减阻特性的影响,用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃表面加工出光栅微细结构,并对光滑K9玻璃和光栅结构K9玻璃表面进行硅烷化处理,用AR-G2流变仪测量了不同粘度甘油溶液在两表面的扭矩与剪切速率,根据推导出的减阻率计算公式,计算出它们各自的减阻率。结果表明:超疏水光栅微结构表面与疏水光滑表面相比具有明显的减阻特性;微细结构固体表面的减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

一种接触角大于150℃的超疏水表面,已经在基础研究和实际应用领域引起了人们的广泛关注。日前一些关于荷叶和水稻叶的研究显示,一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面,需要结合微米和纳米级的结构,而且表面微观结构的组成方式会影响水滴的移动性。这些来自自然界的研究成果将为人们构建人工疏水表面和设计可控湿度的界面提供指导。据此,人们已组装得到了纳米纤维聚合体的疏水表面和不同模型的碳纳米管簇薄膜。     

电刷镀法制备钢基体超疏水表面的实验研究

采用复合电刷镀技术,在Q235钢表面制备了具有超疏水性能的n-SiO2/Ni纳米复合镀层,在优选的工艺参数下,获得了接触角为1698°、滚动角为23°的超疏水表面。研究了刷镀电压和刷镀时间对镀层表面结构和疏水性的影响规律;分析了复合镀层表面和截面的结构形貌特点;研究了电刷移动速度对复合镀层中n-SiO2含量的影响规律。对镀层的接触角、表面粗糙度和显微硬度进行了表征。结果表明：刷镀电压和刷镀时间是影响复合镀层表面微观结构特征的重要因素;复合镀层表面的微纳米双重结构对表面的超疏水性起到了关键的作用。     

超疏水表面制备及其在防冰中的应用

科研人员从具有超疏水性能的动植物表皮中观察到具体物理微观结构模型,通过对超疏水表面性能的进一步研究探索,发现超疏水表面具有延长水滴凝结时间、减少积冰和减小冰在固体材料表面附着力等一系列防冰优势。针对超疏水表面在防冰性能方面表现出来的突出特点,总结最近5年国内外研究人员在制备具有防冰性能的超疏水表面的研究进展。首先,对固体表面超疏水原理及其防冰原理予以阐述;随后,从制备超疏水表面的技术路线上综述了当前国内外的主流研究方向并对其防冰性能优缺点展开介绍;最后,对超疏水表面的防冰性能表现予以总结和展望。     

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。     

纳秒激光制备超疏水TC4钛合金表面的抗结霜性能

采用纳秒激光对TC4钛合金表面进行刻蚀,然后放入电热干燥箱内烘烤,研究了钛合金表面的浸润特性、微观结构及抗结霜性能。结果表明：在100 W激光功率下纳秒激光刻蚀和烘烤处理后钛合金表面接触角超过160°,而滚动角小于5°,具有非常好的超疏水性能,钛合金表面呈纳米级的凹坑、凸起和规则球状结构;激光刻蚀钛合金表面经烘烤后同时满足了粗糙微观结构与低表面能的条件,表面的浸润特性从超亲水状态转变为超疏水状态;在-15℃下激光刻蚀和烘烤后的超疏水钛合金表面9μL水滴完全结冰所需时间为360 s,比未激光刻蚀钛合金延长了2倍以上,且水滴完全结冰后仍能保持大于130°的接触角;在-15℃恒湿条件下持续冷冻10 min后超疏水钛合金表面只出现了零散的小颗粒霜晶,而未激光刻蚀钛合金表面密集分布着大量小颗粒霜晶。     

微纳双重结构表面的接触角模型及其润湿性研究

依据超疏水、自清洁荷叶表面具有的微米乳突和纳米鞭毛双重结构,设计类似荷叶表面的微/纳双重结构,建立对应的Wenzel、Cassie接触角模型,分析微纳双重结构及其结构参数对表面润湿性的影响。研究表明,对于单级微观结构,具有细长(较大的柱高与柱边长比)微观结构的粗糙表面疏水效果更好;对于微纳双重结构,二级纳米结构的出现降低了实现超疏水性的柱高与柱边长比的阈值,微纳双重结构可以大大提高表面的疏水性能。     

基于状态转换的超疏水表面滑移特性研究方法

根据流体在大剪切速率下在超疏水表面上产生状态转换的现象,提出了通过转换后得到的参数来刻画转化前滑移特性的方法,这种方法能够去除大接触角对滑移特性测量值的影响。为验证方法的可行性,进行了水在光栅结构超疏水表面上、甘油水溶液在碳纳米管(CNTs)结构表面上以及甘油水溶液在ZnO纳米结构表面上的流变实验。结果表明:所研究的超疏水表面在大的剪切速率下产生了状态转化,而通过这种转化正好可以刻画表面的滑移特性。这种方法适合于衡量液体在超疏水表面的接触状态容易发生转换的情况。     

纳秒激光加工和热处理对纯铝表面润湿性的影响

采用纳秒激光加工技术在纯铝板表面制备微纳米结构,之后进行150℃×2h的热处理,研究激光扫描间距(0.0050.020mm)、扫描速度(1001 700mm·s~(-1))与热处理对激光烧蚀表面润湿性的影响。结果表明:不同工艺参数下激光烧蚀后纯铝板表面均形成了相对规则的微纳米网格结构;激光烧蚀后的纯铝板表面为超亲水表面,再经热处理后变为疏水表面或超疏水表面;随着扫描速度和扫描间距的增大,激光烧蚀和热处理后,纯铝板表面的接触角变化不明显,滑动角增大,表现出不同程度的润湿性;在激光扫描速度为100mm·s~(-1),扫描间距为0.005mm下激光烧蚀与热处理后,纯铝板表面微纳米结构致密,其接触角为155.6°,滑动角为4°,超疏水性最佳。     

Anisotropic Friction of the Ventral Scales in the Snake Lampropeltis getula californiae

Since the ventral body side of snakes is in almost continuous contact with the substrate during undulating locomotion, their skin is presumably adapted to generate high friction for propulsion and low friction to slide along the substrate. In this study, the microstructure of ventral scales was analyzed using scanning electron microscopy, atomic force microscope and confocal laser scanning microscopy. Dynamic friction was investigated by a microtribometer. The ventral scales demonstrated anisotropic frictional properties. To analyze the role of the stiffness of underlying layers on the frictional anisotropy, two different types of scale cushioning (hard and soft) were tested. To estimate frictional forces of the skin surface on rough substrates, additional measurements with a rough surface were performed. Frictional anisotropy for both types of scale cushioning and rough surfaces was revealed. However, for both types of surface roughness, the anisotropy was stronger expressed in the soft-cushioned sample. This effect could be caused by (1) the stronger interaction of the microstructure with the substrate in soft-cushioned samples due to larger real contact area with the substrate and (2) the composite character of the skin of this snake species with embedded, highly ordered fiber-like structures, which may cause anisotropy in material properties.     

双粗糙平面法向接触建模方法的有限元对比分析

基于统计学方法,Greenwood和Tripp(GT模型)提出双粗糙平面法向接触(双粗模型)可以等效为单粗糙平面与刚性平板之间的接触(单粗模型),但这种等效处理缺乏对接触应力场分析以及材料硬化的考虑。为进一步研究GT模型,基于高斯粗糙表面数字化表征,通过控制自相关长度和滤波方法,得到双粗糙平面及其等效单粗糙平面;借助有限元软件ABAQUS对2组模型法向接触进行建模及分析。结果表明:2组模型预测的接触刚度和接触面积符合较好,但接触压力与接触面积关系存在差异;2组模型预测的等效应力和接触压强的应力幅值以及云图的分布区域大致相近,但双粗模型由于存在大量微凸体侧接触,弱化接触状态以及材料硬化,因而应力幅值偏低。     

冷激合金铸铁气门挺杆表层组织对其耐磨性的影响

为了深入了解冷激合金铸铁气门挺杆的磨损规律,研究了冷激合金铸铁气门挺杆表层组织对耐磨性的影响.结果表明:当气门挺杆组织中的石墨以点状均匀分布,碳化物呈细小针状、块状,分布较为均匀时,耐磨性较好,磨损形式以划伤、点蚀为主;当气门挺杆组织中的石墨以片状均匀分布,碳化物呈粗大针状、块状,分布不均匀时,耐磨性较差,磨损形式以剥落为主.     

基于超声无损评价的表面粗糙度测量方法

选用不同线切割工艺制备各种表面粗糙度的304不锈钢试块。基于超声波入射到粗糙表面的自由应力边界条件,采用表面回波的幅值均值、离差率和平均功率同时表征粗糙度,根据主成分分析法建立粗糙度的多参数评价模型。实验结果表明,和触针法相比,超声评价法误差最大为3.09%,且其不确定度更低,将该模型用于含粗糙表面试块的晶粒尺寸评价中,评价误差小于5%,可见该方法能有效实现表面粗糙度及材料微观结构的一体化评价,可提高超声自动化评价系统的实用性。     

Coupled Effects of Fractal Roughness and Self-Lubricating Composite Porosity on Lubrication and Wear

The lubricant characteristics of porous self-lubricating composites with a realistic rough surface are incorporated into an improved elastohydrodynamic model. The evolved model demonstrates that the wear rate can be measured by examining the lubricant distribution at various fractal dimensions and porosities. The results show that the physical nature of the rough surface topography and the composite's physical properties must be understood, because the relative contact area is enlarged and friction forces are increased by the increase in the fractal dimension and the porosity. It is obvious that the method can significantly improve the lubricant properties to avoid wear by controlling these two coupled effects. The research also indicates that optimization of the design the microstructure of the porous self-lubricating composite should focus on the porosity based on the wear rather than the amount of lubricant.     

机床导轨表面接触模型的有限元分析

为寻求机床导轨结合面不同粗糙信息下的动态特性,分形粗糙表面数值模型和实测粗糙表面二者的相关性,需对各种相关参数下的粗糙表面进行接触分析。运用有限元分析软件ANSYS,针对粗糙表面三维模型,分析不同参数表面的接触行为,以期寻找出不同粗糙信息接触形态特征参数之间的关系,并证明分形数值模拟能真实表征工程粗糙表面。     

Wetting study of patterned surfaces for superhydrophobicity

Superhydrophobic surfaces have considerable technological potential for various applications due to their extreme water-repellent properties. A number of studies have been carried out to produce artificial biomimetic roughness-induced hydrophobic surfaces. In general, both homogeneous and composite interfaces are possible on the produced surface. Silicon surfaces patterned with pillars of two different diameters and heights with varying pitch values were fabricated. We show how static contact angles vary with different pitch values on the patterned silicon surfaces. Based on the experimental data and a numerical model, the trends are explained. We show that superhydrophobic surfaces have low hysteresis and tilt angle. Tribological properties play an important role in many applications requiring water-repellent properties. Therefore, it is important to study the adhesion and friction properties of these surfaces that mimic nature. An atomic/friction force microscope (AFM/FFM) is used for surface characterization and adhesion and friction measurements.     

中压主汽门阀盖螺栓断裂原因分析

中压主气门阀盖螺栓在运转两年后出现多根断裂,通过观察和分析20cr1Mo1VnbTiB高温螺栓断口的宏观及微观形貌,检验化学成分、测试力学性能,显微组织检验等方法,分析螺栓断裂原因。力学性能和化学成分符合要求,但螺纹根部粗糙度比较大,硬度为316 HBW2．5／187．5超过标准中规定的硬度252～302HBW上限值,金相组织是回火索氏体。分析结杲表明,螺纹根部粗糙,引起局部应力集中,全相组织不符合要求,硬度超过标准中的规定,晶粒粗大等是螺栓断裂的主要原因。在生产中,要加强高温紧固件性能检测,遵守拆装要求,定期喷涂防腐介质,以防此类事故发生。     

表面形貌对燃料电池密封件接触特性的影响*

为探究燃料电池密封件表面形貌对密封接触特性的影响，采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数表征密封件的表面形貌，基于Majumdar-Bhushan接触模型构建考虑密封件表面形貌的二维有限元模型。研究接触—一次线性加载—卸载—二次线性加载4个步骤下光滑表面与粗糙表面的接触特性，基于上述模型，研究材料硬度对燃料电池密封性能的影响。研究结果表明：粗糙表面二次加载后其应力分布均匀度低于第一次，且其2次加载后应力分布均匀度均低于光滑表面；粗糙表面二次加载后其最高应力与最大接触压力较第一次分别增加14.29%与89.29%，而光滑表面几乎维持不变；对于粗糙表面，其硬度越高，泄漏率越低，且其降低幅度随硬度增大而减小。     

Enhancement of a simplified model for maximum stress prediction

A simplified model for rapid estimation of maximum subsurface stress was previously reported by the authors. That model was found to predict the upper bound of the maximum von Mises stress in each layer below any surface with good accuracy. In this work, the model is enhanced by quantifying the difference between the predicted upper bound and the maximum stress for a specific rough surface. This is done by evaluating stress predictions for real rough surfaces, sinusoidal surfaces, ideal textured surfaces, and real rough surfaces with imposed computer generated texture. The difference between the predicted upper bound and the surface-specific maximum stress is found to be related to that surface’s roughness. The origin of this relationship is investigated in terms of apparent contact area. The enhanced simplified model provides an efficient means of estimating maximum stress in rough surface contact.