木陶瓷表面孔隙结构及其对摩擦性能影响研究

摘要

机械零部件之间的相互摩擦不仅影响系统的使用性能，而且将缩短零部件的使用寿命。木陶瓷作为一种新型环保材料，其表面微小孔隙可存储润滑介质，具有较好的润滑性能，是替代机械零部件传统制造基材的理想材料。木陶瓷表面具有复杂的孔隙结构，而材料表面孔隙特征对其摩擦润滑性能具有重大影响，因此，对木陶瓷表面孔隙结构建立统一表征标准，进而研究孔隙结构对其摩擦润滑性能的影响具有重要的理论与实际意义。 本文以木陶瓷表面孔隙为研究对象，开展了木陶瓷表面孔隙数字图像处理程序及表面孔隙分形表征方法的研究，并基于微腔原理建立了用于分析木陶瓷材料摩擦性能的模型，研究了木陶瓷表面孔隙特征对摩擦性能的影响。 首先，基于图像识别原理，采用小波分析与直方图均衡化相结合的方法，对木陶瓷扫描图像进行增强处理，得到了孔隙清晰化图像;采用MATLAB对木陶瓷清晰化图像进行二值化处理，提取了木陶瓷表面孔隙轮廓封闭曲线，并对木陶瓷表面孔隙面积和周长进行了测量。研究表明，利用该图像处理方法，可方便的得到木陶瓷表面孔隙结构的特征值。 其次，采用数盒子法开展了木陶瓷表面孔隙尺寸分布及分维的表征研究。对酚醛树脂含量不同的木陶瓷试样电镜扫描图片进行不同尺寸网格化处理，得到了不同网格情况下木陶瓷平均孔隙面积盒子数与平均孔隙周长盒子数。研究了酚醛树脂含量对木陶瓷平均孔隙面积盒子数、平均孔隙周长盒子数、分形维数D0变化趋势的影响。结果表明，当酚醛树脂含量在50％～70％范围内增加时，平均孔隙面积盒子数增加、平均孔隙周长盒子数增加、分形维数D0下降。实验证明，随着酚醛树脂含量的增加，木陶瓷表面孔隙边界的复杂程度降低。 最后，基于微腔原理，建立了反映木陶瓷孔隙结构特征的摩擦系统模型，将木陶瓷表面孔隙特征与其摩擦特性关联起来。研究表明，影响木陶瓷摩擦性能的主要因素包括分形维数、孔隙面积、孔隙周长、孔隙深度，且分形维数增加，两接触面的凸起与凹槽之间的配合程度越差，摩擦系数呈下降趋势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 木陶瓷材料国内外研究现状分析

1．2．1 木陶瓷的制备工艺与方法

1．2．2 木陶瓷种类及性能特点

1．2．3 国外木陶瓷材料及其摩擦性能研究现状

1．2．4 国内木陶瓷材料及其摩擦性能研究现状

1．3 固体表面形貌及其表征的研究现状分析

1．3．1 固体表面形貌表征及方法

1．3．2 分形理论

1．3．3 分形理论在表面形貌表征领域中的研究现状分析

1．4 研究意义及主要内容

2 木陶瓷表面孔隙结构的图像识别

2．1 图像识别方法

2．2 木陶瓷表面孔隙图像识别过程

2．3 基于MATLAB的木陶瓷扫描图像增强处理

2．3．1 小波分析用于图像增强

2．3．2 直方图均衡化增强

2．3．3 木陶瓷扫描图像增强的组合方法

2．3．4 MATLAB图像增强实验对比

2．4 基于MATLAB的木陶瓷表面孔隙分析

2．4．1 基于MATLAB的图像处理过程

2．4．2 基于MATLAB的图像孔隙尺寸计算过程

2．5 总结分析

3 木陶瓷表面孔隙尺寸分布及分维的表征研究

3．1 模型描述

3．1．1 孔隙边界周长分形的可行性

3．1．2 孔隙边界周长分形维数的计算方法

3．2 试样图形的网格化处理

3．3 对木陶瓷表面孔隙尺寸测试分析

3．4 木陶瓷表面孔隙分形维数计算

3．4．1 计算图像a的边界周长分形维数

3．4．2 计算图像b的边界周长分形维数

3．4．3 计算图像c的边界周长分形维数

3．4．4 酚醛树脂含量对分形维数的影响

3．5 结论与讨论

4 木陶瓷表面孔隙结构与摩擦性能关联性研究

4．1 摩擦学理论基础

4．2 模型研究

4．2．1 建立木陶瓷表面形貌微腔模型

4．2．2 单个微腔模型受力研究

4．2．3 木陶瓷表面孔隙分形维数对微腔摩擦的影响

4．3 实验研究

4．3．1 木陶瓷表面孔隙分布数据

4．3．2 木陶瓷表面总摩擦力实验研究

4．3．3 木陶瓷表面平均摩擦力与分形维数关系

4．4 利用微腔理论进行变量讨论分析

4．4．1 正压力对木陶瓷摩擦系数的影响

4．4．2 滑动速度对木陶瓷摩擦系数的影响

4．4．3 静止接触时间对木陶瓷静摩擦系数的影响

4．5 总结分析

5 结论与展望

5．1 总结

5．2 论文创新点

5．3 需要进一步研究的问题

参考文献

附录A

附录B(攻读学位期间的主要学术成果)

致谢