祁鹏浩,仝哲,刘奇,李月,董光能
(1.西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,西安 710049; 2.中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所,四川 绵阳 621900)
全氟聚醚润滑脂作为一种具有良好的耐高低温、抗氧化、抗辐射、化学惰性等性能的润滑脂,广泛应用于航天飞行器的机械部件润滑,在化工、3D 打印、食品加工等行业的设备和精密仪器中也有着较为普遍的应用[1-2]。但是,全氟聚醚基润滑脂的主要成分为含氟物质,材料的分子稳定性高,材料表面能低,因此与金属之间的粘附性差,容易被挤压出摩擦区域,尤其在泵等具有往复运动的部件中作润滑剂时,润滑性能不稳定的状况时有发生。
表面织构化作为一种改善机械零件、微/纳零件摩擦学性能的有效手段,可改善材料的表面形貌,这将直接影响界面的粘着和摩擦行为[3]。在摩擦副表面进行织构化设计(如凸起、凹坑或沟槽)可以作为储油槽、储屑槽,同时还有利于摩擦表面产生微动压润滑,提高承载力并减小摩擦力矩[4]。类金刚石(Diamond-Like Carbon,简称DLC)涂层具有高硬度、低摩擦系数、化学惰性[5]以及高电阻率等优点,而成为薄膜领域研究的热点。研究表明,DLC 膜的摩擦学行为强烈地依赖于膜层的成分和结构,通过DLC 薄膜表面的特殊形貌,可以消除在边界润滑条件下的疲劳磨损[3],同时可以将对应部件的磨损保持在非常低的水平。因此,研究利用DLC 薄膜的自润滑特性以及表面织构的储油特性,可极大地优化机械支承部件之间的摩擦磨损状况[6-9]。
以往学者所做的研究主要集中在单一表面织构化技术或DLC 涂层技术的润滑特性上,对几种表面处理技术的交互作用在金属基材表面的微/纳摩擦学行为的研究较少,因此有必要研究PFPE 基脂润滑下织构与DLC 涂层表面固体润滑技术对金属表面摩擦学性能的影响。本文评价了在GCr15 钢盘表面做织构化处理、镀DLC 膜以及两种方法协同作用在PFPE润滑脂下的微/纳摩擦学特性。
爱尔莎贯穿于阿拉贡创作生涯的大部分作品中。在这一过程中,诗人对爱尔莎的描写首先经过对爱尔莎的幻想,随后又辨清了爱尔莎的存在,最后又结合前两者,融合现实与幻想,孕育创作出爱尔莎的神话。爱尔莎用她特有的神秘性让诗人在这样一个迷人的森林中流连忘返,乐此不疲。实际上,虽然阿拉贡的多部诗作中明显刻有“爱尔莎”的名字,但是这位“爱尔莎”就像是一个蒙面女神,我们很难一睹她的芳容,我们唯一能感受到的就是她的“魔力”(“你的眼睛如此深沉”)。
首先将六方氮化硼微粉加入到JC1800 全氟聚醚基础油中,氮化硼和基础油的质量比为1∶65,在球磨机中球磨(常温,12 h,900 r/min),获得小粒径并均匀分散的润滑油悬浮液。将球磨后的油液和聚四氟乙烯(PTFE)微粉,按照33∶17 的质量比混和,将混合物在磁力搅拌机上进行搅拌(60 ℃,20 min,500 r/min),搅拌均匀后,再采用球磨机将混合物球磨6 h,进行研磨脱气,然后在200 ℃的真空干燥箱中真空下放置2 h,抽气并除去易蒸发的组分。最后取出静置冷却至室温,制得实验所用的PTFE 润滑脂。该润滑脂主要物理化学性质如下: 外观为乳白色,密度为1.85 g/cm3,工作温度范围为-80~204 ℃,滴点为155 ℃,蒸发量(204 ℃,22 h)为0.6% ,基础油运动黏度(40 ℃)为494 mm2/s。
采用球-盘摩擦副进行摩擦性能评价。金属盘的材料为GCr15 轴承钢,直径为30 mm,厚度为5 mm。测试前将金属盘打磨抛光至表面粗糙度为0.02 μm左右。
制备镀DLC 涂层的盘,本文采用磁控溅射打底、化学气相沉积的方式。在抛光后的金属盘上沉积镀膜,镀上3 μm 或1 μm 厚的DLC 涂层。
实验前,计算膜厚比,评估实验状态,通过计算最小油膜厚度与摩擦副表面粗糙度的比值,如(1)式所示,计算膜厚比λ。
图 4 为相同实验条件下,四种织构表面盘在PFPE 脂润滑下的摩擦系数曲线。由图4 可知,抛光盘试样,在前200 s 处于磨合阶段,摩擦系数呈现缓慢上升的趋势,在200~400 s 处于稳定摩擦阶段,摩擦系数趋于平缓。但是,在400 s 左右,摩擦系数迅速增大,并且在后续实验时间内,摩擦系数呈现持续的波动。说明随着摩擦的进行,润滑脂受到接触压力的作用,从摩擦副的接触区被挤出,且润滑脂流动性差,无法及时补充润滑油膜,导致润滑膜破损,润滑失效并处于乏油润滑状态。织构可以改善润滑脂的分布状态,弥补了润滑脂流动性的不足。在实验中,织构的凹坑结构会存储一部分润滑脂,当受到载荷作用时,接触区发生变形,存留在凹坑中的润滑脂,随着弹性形变的发生,一部分润滑脂会重新进入接触区域,实现二次润滑,因此在实验时间内,摩擦系数较低且数值稳定。
图1 四种织构的示意图 Fig.1 Schematic diagram of four textures: a) circle texture; b) V-shape texture; c) line texture; d) micro texture
本文中线形织构、圆孔织构、V 型织构和微纹织构分别记为TL、TC、TV、TM。无织构的抛光盘记为TN。1 μm 和3 μm 厚的DLC 涂层分别记为DLC-1 和DLC-3。
(3)经过数十年的发展,西方工业发达国家在自动控制技术产业方面,积累了巨大的技术优势,尤其是在某些核心技术方面对我国的限制仍然十分顽固,如果没有掌握核心技术,那么我们的发展将会受制于人。在一定程度上,我国在某些方面的资金投入和外国相比的确不足。而如果在核心技术上只依靠进口,那么不仅会影响我国在某些重要工程上的发展,而且在某些重大事件是我国无法依靠独自力量去解决。当前随着计算机技术、人工智能技术进一步发展,借助计算机技术、人工智能技术优化自动化控制技术,弯道超车,实现工业生产技术不断提升是工业经济发展的需求。
基于DLC 薄膜以及织构化的两种润滑特性,设计了两种加工方法,研究两种表面处理方法对润滑脂摩擦性能的协同效果。方法一是在加工好的织构盘试样表面镀上DLC 膜,记为T/DLC;方法二是在镀有DLC 涂层的金属盘上加工四种织构,记为DLC/T。其中,T 表示四种织构类型,DLC 表示两种厚度的DLC 涂层。
图2 摩擦磨损实验中球-盘摩擦副的示意图 Fig.2 Schematic diagram of ball-disc friction pair in friction and wear experiment
最终设定的摩擦实验条件为:初始温度(25±5) ℃, 法向载荷5 N,往复滑动的频率2 Hz,滑移距离6 mm,滑动速度0.012 m/s,测试时间30 min。润滑介质为上文制备的PTFE 润滑脂,添加量约为1.5 mL。 采用同一批金属球与经过不同表面处理的金属盘试样,在相同的实验条件下进行摩擦磨损实验,对比和分析实验所得的摩擦系数,由磨痕计算得到了磨损量,进而研究协同表面处理方法对GCr15 钢盘在脂润滑下的摩擦学性能。
为了进一步表征织构的三维形状和尺寸,采用OSL4000 激光共聚焦显微镜对织构进行观测,四种织构的表面形貌如图3 所示。图3a、3b 和3c 三种大尺寸织构,由于激光加工的缺陷,部分熔化的金属熔融 物会在织构内部堆积。此外,由于激光的热冲击效应,在织构周边产生隆起[16]。加工后在绒布上对织构表面进行打磨,可以去除部分堆积金属。图3d 为微纹织构的观测形貌及其纹理示意图。微纹织构是利用熔融堆积的现象,通过使用小功率的激光,快速高频地扫描金属表面形成的。较小功率的激光加工的是盘表层金属,产生的金属熔融物较少,激光走刀使熔融物形成方向性的堆积,最终形成波纹状的表面形貌结构。
图3 织构表面形貌的三维扫描图或示意图 Fig.3 Three-dimensional scanning diagram or schematic diagram of different texture: a) circle texture; b) V-shape texture; c) line texture; d) micro texture
第一,影响产业扶贫的重要因素有能力建设中扶贫项目与资源的管理能力以及农户的参与能力等。因此,在对贫困地区进行扶贫的过程中,合理的选择扶贫的项目、实施管理和农户的积极参与非常的重要。
2.2.1 表面织构化
在舒适性方面,激光电视的图像获取来自激光电视屏幕反射自激光电视主机的光线,屏幕无电磁辐射、健康、舒适。因激光发生器产生的光线更聚拢,同时激光电视一般标配的特制型电视面板,既能够保证观看亮度,也有抗环境光的特点。激光电视色彩更鲜明、亮度较高,其色域表现能力超越LCD电视,带来更鲜明、高还原度的色彩表现能力。
制备织构盘,织构选用常见的点阵、条纹凹坑织构和一种仿生减阻织构,即圆形织构、线形织构[10-11]和V 形织构[12-13],并设计了一种微纹织构。将四种织构参数进行二维建模,结果如图1 所示。使用激光打标机对金属盘表面进行织构处理。加工线形织构、圆孔织构和V 型织构的激光功率均为16 W,激光扫描速度为600 mm/s,激光频率为20 kHz。加工微纹织构的激光功率为0.2 W,激光速度为1500 mm/s,激光频率为100 kHz。
由激光扫描测算可知,圆形织构的深度为(105±5) μm,线形织构和 V 形织构的深度分别为(24±2) μm 和(50±3) μm,微纹织构的表面粗糙度为(0.25±0.05) μm。
图4 无织构与四种织构试样摩擦系数的变化曲线 Fig.4 Variation curves of friction coefficient of non-textured samples and four textured samples
从图4 可知,TM和TL的摩擦系数趋于平缓,而Tv 和TC的摩擦系数整体趋势是缓慢上升的。并且在四种织构中,TM的摩擦系数明显小于其他三种织构表面的摩擦系数。因此,在减摩性能上,四种织构的关系是:TM> TL> Tv > Tc。
图5 为无织构盘和四种织构配副球的表面磨损形貌。从图5a 中可以看出,相比TN试样,四种织构盘试样对应的磨斑深度浅,磨痕尺寸较小。TC和TV织构凹坑的边缘和内部有金属堆积(图5b 和图5c),实验中摩擦球与织构边缘的凸起部分相接触,受凸起部分形状的影响,磨斑分为两块区域且形状不均匀。
图5 无织构和四种织构试样对应的球摩擦副磨斑的观测图 Fig.5 Observation diagram of grinding spots of ball corresponding to non-textured samples and four textured samples: a) non texture; b) circle texture; c) V-shape texture; d) line texture; e) micro texture
如图5d 所示,TL试样的磨斑形状为椭圆形。这是由于摩擦实验初期,线形凹坑受载荷的作用,摩擦接触区域上的表层金属发生了剥落现象,导致轴向应力幅值较低,形成了近椭圆形的摩擦斑[17]。由图5e所示,微纹织构对应摩擦球的磨斑最小。这是因为在加工微纹织构时,激光脉冲能量导致金属表层产生位错运动,最终形成细化的晶粒[18]。由于细晶在摩擦接触时变形较小,而且会硬化表面,从而提高的试件的耐磨性,进而出现较低的摩擦系数和磨损率。
表面织构可以存储润滑介质,促进润滑脂重新转移并铺展成低剪切强度的保护层[19],起到“二次润滑”的作用,保证油膜的完整。此外,表面织构能够捕获并保存磨屑,减小磨粒磨损,所以织构表面在实验中的摩擦系数稳定,磨痕较浅。在四种织构表面中,微纹织构表面由于表面变形量小,减摩抗磨性能提高,摩擦系数和磨损最小。
2.2.2 表面类金刚石薄膜
选用1 μm 和3 μm 厚DLC 膜的盘在相同实验条件下进行实验,由图4 可见,由于DLC 膜的减摩性质,镀DLC 膜的盘在摩擦磨损实验中,摩擦系数比织构盘低0.04。镀1 μm 的DLC 膜试样的摩擦系数为0.085,而镀3 μm 的DLC 膜试样的摩擦系数为0.075。
图6 为不同DLC 膜厚的试样在摩擦实验后的磨斑图像。对比可知,DLC-3 试样的磨斑直径较大,即磨损量较大,表明同种实验条件,厚度对DLC 涂层在脂润滑下的摩擦性能存在影响。相同实验条件下,相比镀1 μm 的DLC 膜试样,镀3 μm 的DLC 膜试样的减摩性能更好,但是磨损量更大。
采用硬度仪和粗糙度仪对无织构盘、两种厚度涂层盘表面进行测定。DLC 涂层表面和抛光盘的硬度与表面粗糙度如表1 所示,几种盘的表面粗糙度接近,但是硬度相差较大,较厚涂层表面受衬底的影响小,整体表面硬度大,等效弹性模量增大和泊松比减小。在这种情况下,较厚涂层试样的赫兹接触压力大,因而摩擦球的变形量增大,DLC 涂层的石墨化进程加快。此外,较厚的DLC 涂层比较薄的涂层具有更强的绝热效果,而且薄膜硬度受衬底硬度的影响较小[20-21],导致在摩擦过程中,热量散失慢,赫兹接触压力和摩擦区域的温度增大,也会加速DLC 膜石墨化的进程[22]。
图6 不同厚度DLC 涂层试样对应磨斑的SEM 图 Fig.6 SEM images of corresponding grinding spots of DLC coating samples with different thickness
表1 抛光盘与不同厚度涂层盘的硬度与表面粗糙度 Tab.1 Hardness and surface roughness of polishing samples and coating samples with different thickness
图7 为实验前后DLC 薄膜的拉曼光谱的变化及其高斯分解图。根据高斯分布拟合计算出峰的位置和ID/IG(D、G 两峰下积分面积的比值),两个峰的位置在1381 cm-1和1568 cm-1左右。实验前,试样的ID/IG约为0.92,而实验后,DLC-1 试样的两峰面积比ID/IG约为0.68,DLC-3 试样的两峰面积比ID/IG约为0.36。两峰面积比降低,则表明sp2键含量增加,sp3键含量减小[23]。DLC-3 试样的ID/IG小,表明石墨化程度高。
项目实施前陕西省仅有部分县区的个别地区有自动监测站,对信息的了解掌握程度远远不能满足山洪灾害防御和防汛工作需求,通过项目建设,实现了所有乡镇、重点防御地点基本覆盖,自动监测点覆盖率从以前不足30%达到目前的75%左右,有效解决了快速掌握雨水情信息的问题。
三、有着长达数千年“层累”优势的中国文化,其发育发展离不开中国乡村社会土壤,其思想内涵在村落生活中有丰富积存。因此,这种实验式村落民俗志书写还应在深描之中提炼理论话语,从国家推行、精英阐发与民众实践等维度对中国文化作交互式理解,特别是发掘与分析中国文化的民间表达形式与传承机制,以小见大地阐述中国社会的人文传统、基本国情与发展道路。
图7 试验前后DLC 膜试样的拉曼光谱分析 Fig.7 Raman spectral analysis of DLC film samples before and after the test: a) before test; b) after test, 1 μm DLC; c) after test, 3 μm DLC
碳原子在金刚石中被sp3键合,在石墨中被sp2键合,在DLC 中被sp3和sp2键合,所以DLC 的结构和性能介于金刚石和石墨之间[24]。DLC 薄膜中C原子轨道上的sp3杂化结构决定了薄膜的耐磨性和较高的强度,sp2杂化结构赋予涂层表面较好的润滑特性[25-26]。当DLC 膜发生石墨化时,表面DLC 涂层的sp3结构转变为sp2杂化结构的石墨,增强了接触区域的润滑性能,摩擦系数减小,但是薄膜表面丧失原有的高硬度、高耐磨性等优异特性,所以磨损量增大[27-28]。因此相同实验条件下,相比镀1 μm 的DLC膜试样,镀3 μm 的DLC 膜试样的减摩性能更好,但是摩擦副上的磨损量更大。
2.3.1 织构化DLC 膜
表面织构主要是通过缓释润滑脂、补充油膜并减少磨屑的方式改善润滑。而DLC 涂层则是通过表面结构转变,形成更有利于润滑的石墨结构,代替油脂成膜,实现减摩的作用。
(4)将车门“V形调成了倒“V”形。车辆车体在AW0(空载)时具有上挠度,为了避免在AW3(超载)时客室车门两门页之间不会因互相挤压而导致无法关闭,即保证车体挠度为0,因此在调整车门时必须保证两门页之间的状态为“V”形(见图6)。
式中:hmin为最小油膜厚度(μm),σ1和σ2分别为两个摩擦副表面的粗糙度。点接触条件下的最小膜厚可以采用Hamrock-Dowson 公式进行估算[14-15]。摩擦磨损实验采用CETR UMT-2 摩擦磨损试验机,采用球-盘式摩擦副,示意图如图2 所示。球AISI52100钢,直径为9.5 mm,表面粗糙度为0.012 μm 左右。载荷为5~10 N、滑动速度为0.012~0.036 m/s 时,计算所得的膜厚比λ在0.1~0.5 之间。一般认为λ<1 时,润滑状态为边界润滑。
本研究结果表明,大庆市细菌性痢疾防控要加强防病知识宣传,尤其是提高重点人群防病意识,养成良好卫生习惯;加强环境卫生建设,落实改水改厕和灭蝇工作;医院严格执行传染病报告制度,加强患者管理。
在国家互联网金融风险专项整治进入攻坚阶段的时代背景下,政府部分、行业协会、主流媒体和互联网金融企业应积极面向广大投资者开展互联网金融风险教育,使其在了解众筹对科技创业重要作用的基础上,全面认知众筹投资的各类风险特征,提升众筹投资者的金融素养,引导其理性投资科技众筹创业项目。统计301位投资者与专业背景和投资偏好相关的问题调查结果,可以从被选择次数最多的“众数项”中,了解众筹投资者的总体投资偏好和投资决策依据,如表1所示。
图8 为经过两种方法处理的盘在实验中的摩擦系数曲线及实验后的磨斑尺寸图。由图8a 可见,DLC/T,即方法二可以较好地改善接触表面的摩擦性能。采用方法二处理的试样,在实验中的摩擦系数较低,减摩性能好,两种处理方法下的摩擦系数差值在0.3 左右。而由图8b 可见,复合表面处理下,膜厚对于磨损的影响小,不同织构对磨损的影响较为明显。
图8 DLC/T 和T/DLC 两种复合处理方法下摩擦系数和磨痕宽度的对比图 Fig.8 Variation curves of friction coefficient and wear width of samples with different surface treatment (DLC/T and T/DLC): a) friction coefficient; b) wear width
对比可知,复合表面处理中,采用方法二处理的表面摩擦学性能较好。实验选用的TM、TL、TC和TV四种织构中,TM与DLC 涂层的协同最好,摩擦系数低,磨损量小。所以选取TM,即微纹织构,对不同处理方法下的摩擦学行为进行进一步研究。
从成本核算的结果来看,采用紫外催化湿式氧化+EM脱氮菌的工艺对渗沥液浓缩液进行处理的运行成本相对较高,达到了150元/t,但考虑到纳滤浓缩液的难降解性和危害性,且高级氧化方法能够彻底的将有毒有害有机物进行矿化去除,无二次污染,具有高效、彻底等优点,因此仍可考虑采用。
2.3.2 在微纹织构上沉积DLC
从各学科对中高端酒店的研究分布图可以看出,对中高端酒店研究最多的是服务业经济,占比达43.68%;其次是贸易经济,占比为22.99%;排名第三的是宏观经济管理与可持续发展,占比9.20%;旅游科学仅占比仅2.3%,排名第八。详见图2。
图9 为经过TM、DLC、TM/DLC 和DLC/TM处理的表面在实验中的摩擦系数曲线和磨斑尺寸对比。由图9 可知,采用微纹织构上沉积涂层的方式处理形成的表面,减摩抗磨性能较差,相比仅织构处理或仅涂层处理的表面,摩擦系数和磨损量都有明显的增大,说明这种处理方式下,织构化与涂层在改善表面润滑性能方面产生了拮抗作用。
图9 TM、DLC、TM /DLC 和DLC/TM 处理的试样在摩擦实验中的实时摩擦系数和磨斑尺寸对比 Fig.9 Real-time friction coefficient graph and wear width graph on the ball of samples under TM, DLC, DLC/TM and TM/DLC treatments: a) friction coefficient graph; b) wear width graph
表2 经过不同处理的试样盘的表面粗糙度 Tab.2 Surface roughness of sample plates with different treatments
采用粗糙度仪对处理后的表面进行测量,结果如表2 所示。由表2 可知,采用在微纹织构上沉积涂层的方式处理的表面,相比无织构表面和织构表面,表面粗糙度大,并且存在较大尺寸波动。表明沉积的DLC 涂层表面质量不好,DLC 膜表面没有形成类似的纹理织构,表面粗糙度反而较大,凹坑边缘可能存 在锋利的边缘。在摩擦实验中,这些硬质凸起会刮除转移材料来中和摩擦膜的形成,导致转移膜损失,使得润滑性能变差[3]。除此之外,织构边缘部分的DLC材料在载荷作用下会发生脱落,根据Dai 等人[29]的发现,这些硬质碳化物颗粒会引起磨料磨损,从而导致较高的摩擦系数和磨损系数,这与实验现象相符合。
2.3.3 DLC 涂层上加工微纹织构
由图9a 可知,DLC/TM处理的试样,对表面润滑性能有较好的改善作用。减摩性能上,相较于TM处理的试样,DLC-1/TM处理的试样表面摩擦系数降低了8%,DLC-3/TM处理的试样表面摩擦系数降低了17%。抗磨性能方面,由图9b 可知,磨斑尺寸与仅TM处理的试样接近,在200 μm 左右。对比DLC-1处理的试样,磨斑尺寸减小33%,相较于DLC-3 处理的试样,磨斑尺寸减小62%,抗磨效果显著。
图10 为DLC/TM试样磨斑的SEM 图。由图10可知,磨斑上存在明显的划痕,这是由于激光处理下,表面形貌发生变化,表面粗糙度上升,出现了硬质凸起,在摩擦过程中,这些凸起脱落,形成硬质磨粒。但是由于微纹织构储油DLC 以及涂层石墨化,保证了油膜的厚度和完整性,从而降低了整体的摩擦系数和磨损量。
总的来说,采用DLC 涂层上加工微纹织构的方式处理形成的表面,减摩抗磨性能较好,相比仅织构处理或仅涂层处理的表面,摩擦系数和磨斑尺寸减小,说明这种处理方式下,织构化与涂层在改善表面润滑性能方面产生了协同作用。在载荷作用下,涂层结构发生石墨化转变,因此摩擦系数稳定并保持较低的数值。此外微纹织构通过存储润滑介质,保证了油膜的厚度和完整性,提高了油膜承载,减少了摩擦表面之间直接接触,保护了摩擦表面,因此磨损量减小。
1)四种织构中,微纹织构表面性能较好,相比线形织构、圆形织构和V 形织构,微纹织构可以更好地提升PFPE 脂润滑下的GCr15 轴承钢盘的减摩抗磨性能,实验中所得的摩擦系数和磨损量最小。
2)DLC 涂层试样中,较厚的涂层表面受衬底影响小,整体表面硬度高,接触区域的接触压力大。因此,3 μm 厚的DLC 涂层试样在实验中,石墨化程度高,因而减摩性能好,摩擦系数较低,磨损量大。
3)在织构上镀DLC 膜的复合表面处理方法,相较于仅织构盘,摩擦系数和磨损量均增大,说明这种方法下,织构与DLC 涂层产生了拮抗作用。
4)DLC 薄膜上加工微纹织构的加工方法下,所得的摩擦系数相较于仅织构盘,减小了0.02 左右,表明DLC 涂层发挥了减摩的特性。在摩擦系数减小的情况下,摩擦副上的磨斑尺寸也较小,表明微纹织构表面起到了储油的作用,保证了油膜的厚度和完整性,从而提高了油膜承载能力,减小了摩擦副变形,降低了磨损。在这种加工方法下,织构与DLC 涂层的润滑特性相结合,产生正向协同作用,改善摩擦表面在PFEP 脂润滑下的摩擦学性能。