织构对铝合金表面润湿性和摩擦学性能的影响

摘要

为研究表面织构和润湿性对表面摩擦学性能的影响，利用激光加工技术在5083船用铝合金表面分别加工圆台形和正方形凹坑织构，结合低表面能修饰和溶胶-凝胶法涂覆SiO2，制备出具有不同润湿性的疏水/油表面。采用往复摩擦实验机，实验研究表面在水、海水和油中的摩擦学性能。基于Reynolds方程分别建立圆台形和正方形凹坑织构在流体动压润滑状态下的数学模型，并对润滑膜无量纲平均压力进行数值求解，理论分析了表面织构对摩擦学性能的影响。主要研究内容和结果如下:
　　激光加工并结合低表面能修饰和涂覆SiO2制备出超疏水/疏油的铝合金表面，且随凹坑深度的增大，表面的水、海水和油接触角增大。正方形凹坑织构表面的疏水/油性能优于圆台形凹坑织构表面。当凹坑深度为30μm时，正方形凹坑织构表面的水、海水和油接触角分别达到163.3°、155.8°和128.7°。涂覆SiO2改变了液滴与表面的黏附力，使表面的水和海水滚动角减小至2.1°和3.5°。
　　摩擦学实验结果表明，超疏水/疏油铝合金表面的减摩耐磨性能大幅度提高。且凹坑深度30μm织构表面的减摩耐磨性能优于凹坑深度为15μm的表面，圆台形凹坑织构表面的减摩耐磨性能优于正方形凹坑织构表面。圆台形凹坑织构表面在水、海水和油中的摩擦系数比光滑表面分别减小了30.5％、34.8％和48.9％。海水介质中的摩擦系数小于水介质中的，但是磨损量却大于水介质中的。海水腐蚀物减小了摩擦系数，但却增大了磨损量，对摩擦学性能具有双重效应。
　　润滑膜无量纲平均压力数值求解结果表明,织构润滑膜无量纲平均压力随凹坑深度的增大先增大后减小，当凹坑深度为75μm时，润滑膜无量纲平均压力最大。圆台形凹坑产生的润滑膜无量纲平均压力约是正方形凹坑的2.4倍。因此，圆台形凹坑织构表面的减摩耐磨性能优于正方形凹坑织构表面，理论计算结果印证了摩擦学实验结果。
　　为优化织构表面摩擦学性能，理论计算了摩擦滑动方向、凹坑深径比及面积率对润滑膜无量纲平均压力的影响。当摩擦滑动方向夹角为0°时，正方形凹坑织构润滑膜无量纲平均压力达到最大值1.47。圆台形凹坑深径比和面积率分别为0.3和55％时，润滑膜无量纲平均压力达到最大值10.1。正方形凹坑深径比和面积率分别为0.35和63％时，润滑膜无量纲平均压力达到最大值8.1。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 铝合金在海洋工程领域的应用

1．1．2 铝合金在海洋环境下的摩擦学问题

1．2 通过改变润湿性提高铝合金摩擦学性能的研究现状

1．3 通过制备表面织构提高摩擦学性能的研究现状

1．4 水和海水润滑的研究现状和意义

1．5 本论文研究内容和意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究意义

第2章 铝合金表面润湿性的实验研究

2．1 实验所用材料和试剂

2．2 实验方法

2．3 圆台形凹坑深度对表面润湿性的影响

2．3．1 圆台形凹坑织构形貌

2．3．2 凹坑深度对润湿性的影响

2．4 凹坑形状对表面润湿性的影响

2．4．1 正方形凹坑织构形貌

2．4．2 凹坑形状对润湿性的影响

2．5 结果讨论与分析

2．6 本章小结

第3章 铝合金表面摩擦学性能测试实验

3．1 实验方法及实验条件

3．2 圆台形凹坑深度对摩擦学性能的影响

3．2．1 凹坑深度对空白织构试样表面摩擦系数的影响

3．2．2 凹坑深度和表面修饰对摩擦系数的影响

3．2．3 凹坑深度对表面磨损量的影响

3．3 凹坑形状对摩擦学性能的影响

3．3．1 凹坑形状对摩擦系数的影响

3．3．2 凹坑形状对磨损量的影响

3．4 结果讨论与分析

3．5本章小结

第4章 基于流体动压润滑的凹坑织构润滑性能分析

4．1 凹坑织构润滑模型的建立和求解

4．1．1 凹坑织构润滑模型的建立

4．1．2 凹坑织构润滑模型的求解

4．3 圆台形凹坑深度对润滑膜承载力的影响

4．4 凹坑形状对润滑膜承载力的影响

4．5 润滑介质粘度对润滑膜承载力的影响

4．6 本章小结

第5章 基于流体动压润滑的润滑膜承载力影响因素分析

5．1 滑动方向对正方形凹坑表面润滑膜承载力的影响

5．2 凹坑织构几何参数对润滑膜承载力的影响

5．2．1 圆台形凹坑面积率和深径比对润滑膜承载力的影响

5．2．2 正方形凹坑面积率和深径比对润滑膜承载力的影响

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢