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  • 高温发汗自润滑技术及其理论研究
  • 要在中国国家自然科学基金项目《高温汗腺式自扩散润滑技术及其理论研究》(No.50275110)和《高温润滑胞体结构形态及其功能控制机理研究》(No.50775168),以及中国国家教育部博士学科点专项基金项目《高温发汗润滑胞体的多胞结构稳定性研究》(No.20070497105)的共同资助下,通过数理建模和科学试验,研究了高温发汗自润滑材料(HTSSI。c)的润滑机理、机械性能、润滑特性及其控制理论;提出了胞体结构及其强韧性模型,研究了其孔结构形态与制备工艺间互耦性;为了拓宽材料的应用范围,研究了复合润滑体组分及其复合技术;并以此制备出HTSSLC和构建了其理论与技术体系。高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的自润滑原理及其技术;HTSSLC是由汗腺式有序孔胞结构的金属陶瓷硬相基体(胞壁)和熔渗在胞孔中的多元润滑体(胞核)组成的复合体,其润滑机理是复合体胞核中的润滑物质在高温摩擦热应力驱动下沿基体有序微孔通道扩散(析出)至摩擦表面,实现自补偿润滑。基于人体汗腺结构及高温发汗自润滑概念,构建了描述汗腺式微孔结构特征的汗腺式微孔分布表征模型(PSDM),并基于模型分析了烧结过程中孔隙演化规律及形成条件、材料组分和工艺参数对微孔结构形态的影响以及孔结构形态、尺寸、孔径分布与孔隙度问互耦合关系;为了验证模型的有效性,利用TiHz与CaCO。分解温度差的物化性能,以TiHz+CaC03的复合体为复合造孔剂,辅以AlzO。为惰性弥散质点,采用二次造孔法(DSP-FT)在真空条件下制备出了与模型理论相吻合的汗腺式有序微孔结构TiC-Cr-W-Mo-V系基体。由于复合造孔剂在首次分解时,Till2分解出H2和rri,H2在烧结体内形成初始孔隙,rrj则活化烧结过程,增强了烧结体的强度;而在液相烧结温度范围内进行的CaCOs二次分解,可使C02气体在液相中形成气孔通道,在烧结体表面形成开口气孔,使得金属陶瓷基体具有高强和有序微孔结构形态。为了在微孔中复合出具有扩散活性和良好润滑性的复合润滑体,开展了软金属与金属陶瓷基体的润湿性、互溶性及真空熔浸工艺研究,实现了润滑体的优化组分设计及其在基体中梯度分布的熔浸可控性,制备出具有硬质相胞壁、软质相复合润滑胞核及有序微孔胞管的高温发汗自润滑胞体结构材料。围绕构建高温发汗自润滑胞体材料的强韧性设计和工况适应性预测的理论基础,以材料特性指导强韧性设计为目标,基于胞孔结构特征,建立了胞体接触状态的几何表征模型;引入了可表征正三角形、正四边形及正六边形等孔结构形态的特征值λ(λ-R。/R。,R。为基础胞元多边形外壁的内切圆半径;R为多边形胞孔的内切圆半径;λ取值范围为0%A〈1);推导出相对密度广义表达式(GERD)和孔隙率广义表达式(GEP);建立了可表征各种孔结构形态的有序孔结构几何表征模型(OPSGM),探讨了λ对材料接触强度的影响规律,得出了当A〈0.4时,可将多胞体材料看成连续介质体的结论;建立了厚壁单胞体接触力学模型(CMMTWCS),研究了不同多胞结构体及其分布形态的接触稳定性特征,以及切向力对接触应力分布的影响及胞体形态对切向力的敏感性;采用胞壁等效曲梁计算方法(ECBCM)求解了其接触力学问题,通过试验验证了模型及其算法的正确性;ECBCM不仅拓宽了经典Hertz接触理论,而且避免了当量弹性模量法中求解超越方程的困难,解决了混合理论法无法求解孔洞周围局部应力分布的难题。研究表明,孔隙率的增大对接触压力的分布影响不大,而对胞壁弯曲变形和局部应力分布影响很大,因此,影响厚壁胞体压缩强度的主要因素是胞壁弯曲变形引起的胞体内(尤其是孔口)应力分布。围绕构建HTSSLC的组分设计及润滑控制的理论基础,开展了材料细观力学特征及其相组分对其润滑性影响的研究}基于材料的硬质相和软质相复合特征,建立了基于α因子(α为反映材料中各相组分体积百分比因子)的面向颗粒增强型复合材料的弹性模量修正Hirsch模型(MHMEM),研究了α与材料中各相成份体积百分比和弹性模量的函数关系;理论结果与试验结果的一致性证明,SEEMEM精度高,避免了对试验数据的依赖,可有效地拓宽到均匀复合材料的弹性模量计算中;推导出无须区分基体相和增强相的颗粒增强型均质复合材料热膨胀系数计算模型(TECMPRC),研究了其微观等效弹性模量、线膨胀系数、热特性、微应力应变规律等细观力学行为;研究了润滑胞体孔隙率与胞核变形量之间的相关性、工作温度对胞核变形量的影响以及胞核组分对润滑体析出量的影响。研究表明,孔隙率及工作温度对胞核变形量有较大影响,而胞核组分及变形量又影响其润滑元素析出量;这种互耦性在很大程度上取决于胞体的组分设计其热参数性能。为了探讨高温发汗自润滑机理,在高温摩擦学试验基础上,开展了润滑体析出机理分析、磨损表面形貌分...
  • Digital Manufacture Science2011,9(3) Published 9.25,2011
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    高温发汗自润滑技术及其理论研究(刘佐民 王砚军 张一兵 燕松山 解芳 冯雪梅 杨丽颖 郭红 卢平)

    Digital Manufacture Science2011,9(3) Published 9.25,2011
    《数字制造科学》封面

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