设备材料表面粗糙度的分形表征及其对界面粘附强度的影响

摘要

设备开车前或中间检修过程都需要对设备进行清洗，确保设备安全、高效运行。设备材料的表面特性对污垢颗粒界面粘附力的影响较大，表面粗糙程度是其中尤为关键的要素。定量、准确的描述设备材料的表面粗糙程度，并建立其与污垢颗粒界面粘附性能之间的关系将有助于深入了解污垢颗粒与设备材料粗糙表面的相互作用，为设备表面除污提供基础理论。
　　由于材料的粗糙表面具有自相似性，故分形理论可以实现表面形貌的有效表征。而分形参数的精确求解依赖于无标度区间的准确识别，为此，本文基于密度峰聚类算法首先提出一种识别无标度区的新方法。通过铣削、刨削和研磨工艺对新方法加以验证，方法适用性强、精确度高，对大数据量高密度的数据运行时间短，辨识效果较好。
　　传统指标在理论上具有尺度相关性的特征，而分形指标理论上具有尺度无关的特性。然而在实际粗糙表面表征中，二者的尺度独立性是否与理论相一致有待实验验证。本文以铣削加工、刨削加工和研磨加工的粗糙表面为研究对象，考察两种指标的尺度独立性，结果发现传统指标在任何条件下均不具有尺度独立性，与理论相符；分形指标在多数条件下也不具有尺度独立性，与理论有出入。进一步研究分形指标尺度独立性的过程中发现，分形指标随尺度的变化分为不稳定分形区和稳定分形区。本文在对二维表面轮廓线的过程中，将临界点的求取转化为取样长度和夹角α值的定量关系求解，通过实验得出其定量关系，用于确定稳定分形区。
　　采用原子力显微镜测颗粒在不同粗糙表面的粘附力，结合固体污垢清除机理分析，发现表面的粗糙程度对界面粘附力的影响较大。研究表明Ra<0.4627μm时，随着表面粗糙度增加，粘附力减小；1.3461μm3μm时，粘附力保持稳定。粘附力随着分形指标的变化而变化，其变化趋势与传统指标正好相反。随着分形维数的增大，粘附力先是保持稳定，后逐渐增大，随着加工工艺的改变，表面粗糙程度有个剧烈的变化，分维值锐减，后逐渐增大。

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第一章 文献综述

1.1课题背景及意义

1.2粗糙度评价指标

1.3分形基本理论

1.4颗粒与表面作用类型

1.5本文研究内容

第二章 实验流程及分析方法

2.1分形基本分析

2.2粘附实验

2.3本章小结

第三章 密度峰聚类算法在分形无标度区识别中的应用

3.1密度峰聚类算法

3.2无标度区辨识新方法

3.3实验验证

3.4本章小结

第四章 基于分形的粗糙表面指标与界面的粘附行为研究

4.1传统指标的尺度独立性

4.2分形指标的尺度独立性

4.3粗糙表面描述指标固有特性研究

4.4粗糙指标与界面粘附力的关系研究

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

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