附有织构化表面PDMS摩擦副摩擦与润滑特性研究

论文摘要

表面织构技术的日益发展,使得在减摩,增摩,减振,抗黏附等技术方面越来越成熟。通过在物体表面按照一定的规则与形状加工出一系列的微结构,能够在一定程度上改变物体的摩擦磨损特性。但是目前对于表面织构的研究多是以刚体材料为研究对象,而对于柔性材料,比如PDMS这类高分子材料的摩擦副表面微结构的摩擦与润滑特性研究却相对缺乏。柔性材料越来越被广泛用于机械工业领域,因此探究柔性材料表面织构对于流体润滑的影响规律以及对于摩擦特性的改善情况,进而优化柔性材料表面织构,获得优良的摩擦润滑特性,应该成为表面织构理论研究的一个重要方向。本文以柔性材料PDMS为实验对象,建立起不同表面织构形貌的数学模型,与Reynolds方程相结合,利用MATLAB软件,采取五点差分法实现数值模拟,研究了不同形貌的表面织构在摩擦副移动速度和润滑条件改变下的摩擦与润滑特性。通过Reynolds方程与材料弹性变形表达式相结合,分析了附有织构化表面PDMS材料在摩擦副移动速度和润滑条件改变下,材料的弹性变形引起的摩擦与润滑特性改变的规律。在实验部分,利用MMW-1万能摩擦磨损试验机,实验了附有不同形貌表面织构的PDMS材料试件在不同的转动速度以及不同的配副下的摩擦特性。研究结果表明:（1）通过不同形貌表面织构摩擦副与表面无织构摩擦副对比发现,表面无织构摩擦副的摩擦系数要明显高于分布有不同形貌表面织构的摩擦副。说明在物体表面添加一定形貌的表面织构,能够在一定程度上减小摩擦,改善摩擦润滑特性,而其中圆柱形织构相比于其它表面织构能更好地减小摩擦,改善摩擦润滑特性。（2）通过改变摩擦副的移动速度以及润滑油粘度发现,摩擦副移动速度的增大或者润滑油粘度的增大,摩擦副表面的摩擦系数也会相应增加,摩擦系数随着速度和粘度的变化呈线性增长。（3）通过理论计算发现,对于PDMS材料,在速度与粘度的变化条件下,通过对比PDMS材料表面有织构区域和无织构区域,发现无织构区域的表面弹性变化量要明显高于有织构区域。说明PDMS材料表面的弹性变形会直接导致摩擦副摩擦系数的增加,从而影响摩擦润滑特性。（4）通过实验验证,PDMS-PDMS配副和PDMS-结构钢配副随着转动速度的增加,摩擦系数均呈增长趋势。微槽织构和微坑织构相比于无织构都表现出了良好的减摩特性,其中微坑织构的减摩特性相对最优。PDMS-结构钢配副相对于PDMSPDMS配副,其摩擦系数更小,说明PDMS-结构钢配副的减摩特性更优。图[46]表[13]参[51]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景
•   1.2 表面织构的研究
•     1.2.1 表面织构的作用机制
•     1.2.2 国内外表面织构的特性研究
•   1.3 表面织构在仿生学上的应用
•   1.4 关于表面织构研究的不足
•   1.5 本文研究内容
•   1.6 课题来源
• 第2章 织构化表面摩擦副摩擦与润滑模型
•   2.1 引言
•   2.2 不同形貌的表面织构几何模型建立
•     2.2.1 表面织构几何模型的简化
•     2.2.2 表面织构几何模型的建立
•     2.2.3 表面织构膜厚方程的建立
•   2.3 Reynolds方程的建立
•     2.3.1 Reynolds方程的建立及简化
•     2.3.2 Reynolds方程的无量纲化
•     2.3.3 表面织构的油膜压力和摩擦系数的计算推导
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于MATLAB的织构化表面摩擦性能分析
•   3.1 引言
•   3.2 Reynolds方程的计算推导方法
•   3.3 MATLAB软件求解的优势
•   3.4 MATLAB求解基本参数设置
•     3.4.1 基本参数设置
•     3.4.2 仿真结果图像分析
•   3.5 速度对织构化表面摩擦副摩擦性能影响
•     3.5.1 建立仿真求解方案
•     3.5.2 结果分析
•   3.6 粘度对织构化表面摩擦副摩擦性能影响
•     3.6.1 粘度对于摩擦性能的影响
•     3.6.2 建立仿真求解方案
•     3.6.3 结果分析
•   3.7 不同粘度下摩擦系数随速度变化比较
•     3.7.1 建立仿真求解方案
•     3.7.2 结果分析
•   3.8 本章小结
• 第4章 PDMS材料表面织构的摩擦于润滑特性
•   4.1 引言
•   4.2 PDMS材料简介
•   4.3 PDMS材料表面微结构几何模型的建立
•   4.4 PDMS材料微结构的摩擦润滑性能计算
•   4.5 计算结果分析
•     4.5.1 弹性模量的选择
•     4.5.2 速度对于PDMS材料摩擦副的摩擦润滑特性影响
•     4.5.3 粘度对于PDMS材料摩擦副的摩擦润滑特性影响
•   4.6 本章小结
• 第5章 PDMS材料织构化表面摩擦性能实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 PDMS材料试件的制备
•     5.2.1 PDMS材料试件表面织构模具的设计
•     5.2.2 PDMS材料实验试件的浇注
•   5.3 摩擦性能实验研究
•     5.3.1 摩擦性能实验原理介绍
•     5.3.2 摩擦性能实验方案
•   5.4 实验结果分析
•     5.4.1 摩擦副为PDMS-结构钢实验结果分析
•     5.4.2 摩擦副为PDMS-PDMS实验结果分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史英剑

导师: 孟利民

关键词: 表面织构,柔性材料,摩擦系数,弹性变形,材料

来源: 安徽理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 安徽理工大学

基金: 安徽省高校自然科学研究重大项目“PDMS 表面微槽结构对摩擦副摩擦性能影响的机理研究”(KJ2018ZD009),安徽省自然科学基金项目“摩擦副圆柱体表面微结构成型与脱模形变机理研究”(1808085ME146)

分类号: O313.5;TB306

总页数: 78

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