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关键词： Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层   电化学行为   腐蚀磨损   协同作用  

摘要： 海洋资源是人类生存与社会经济发展不可或缺的自然资源,随着对海洋资源的不断探索,对海洋装备不断提出新的需求,而海洋装备在服役过程中,会受到磨损、腐蚀以及二者交互作用的影响,从而加速其失效进程,最终降低其服役寿命。表面处理技术能够突破基底材料限制,可大幅提升零件服役寿命,是目前海洋装备零部件制造不可或缺的工序。物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,PVD）类金刚石碳基（DLC）薄膜因其出色的耐腐蚀性能、机械性能和摩擦学性能广泛应用于材料表面防护领域。金属陶瓷涂层因其高硬度、高强度而被广泛应用于金属材料的表面防护。在DLC薄膜与金属基体之间引入该类涂层,可实现接触应力梯度过渡,避免应力集中,显著提升顶层DLC薄膜的承载能力及耐磨耐腐蚀性能。本文基于DLC薄膜与金属陶瓷涂层性能优势协同的设计思路,利用PVD和HVOF（High Velocity Oxygen Fuel）技术相结合的制备方法,在38CrMoAl合金钢表面成功制备了Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层,并对其电化学性能和腐蚀磨损性能进行了研究,阐明了复合涂层在腐蚀磨损过程中涂层与薄膜的协同作用机制。然后通过调整Cr3C2-NiCr金属陶瓷中间层的组分配比（Cr3C2含量分别为20 wt.%、35 wt.%、50 wt.%、65 wt.%、80 wt.%）,研究了中间层组分配比对复合涂层电化学性能和腐蚀磨损性能的影响机制,从而确定最佳中间层组分配比。在此基础上,通过调控最佳组分配比中间层厚度（25、50、75、100、125μm）,进一步探究了中间层厚度对Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层电化学性能及腐蚀磨损性能的影响及作用机理。主要研究结果如下: ***薄膜与金属基体之间引入Cr3C2-NiCr金属陶瓷中间层后,膜-层界面和层-基界面均结合良好,但顶层DLC薄膜的粗糙度和孔隙率增大。电化学测试结果表明:Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层的耐腐蚀性能要优于单一DLC薄膜的耐腐蚀性能。腐蚀磨损实验结果表明:与单一DLC薄膜相比,Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层的磨损率下降了一个数量级,拥有优异的耐腐蚀磨损性能,并且Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层具有更低的摩擦系数,约为0.066。顶层DLC薄膜对Cr3C2-NiCr中间层起到封孔的作用,提升了其耐蚀性;中间层对DLC薄膜起到了支撑的作用,提升了其耐磨性。 2.随着Cr3C2-NiCr中间层中Cr3C2含量的增加,Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层的粗糙度和孔隙率也随之增加。电化学腐蚀试验结果表明20 wt.%Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层具有优异的耐腐蚀性能。而在腐蚀磨损条件下,35 wt.%Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层因其优异的电化学性能和良好的摩擦学性能,表现出优异的耐腐蚀磨损性能(磨损率为1.242×10-7 mm3/N·m)。并且,随着Cr3C2含量的增加,腐蚀与磨损的交互作用造成的材料损失逐渐增加,其中腐蚀对磨损的促进作用更为显著,纯机械磨损导致的材料损失则随之降低。 3.在优选中间层组分配比的基础上,中间层厚度的变化不会引起Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层电化学腐蚀性能的变化,但对其腐蚀磨损性能影响显著,当中间层厚度为100μm时,Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层表现出优异的耐腐蚀磨损性能(磨损率为1.343×10-7 mm3/N·m)。随着中间层厚度的增加,腐蚀和磨损的交互作用造成的材料损失逐渐减少,腐蚀对摩擦的促进作用也随之降低,其中,机械磨损仍是导致材料损失的主要因素。

关键词： 涡旋压缩机   动涡旋盘   摩擦磨损   分形预测  

摘要： 涡旋压缩机具有节能环保、结构紧凑、振动噪音小等优点,在新能源、居民采暖、工业压缩等领域被大量投入运用。涡旋压缩机在运行时,由于动静涡旋盘特殊的结构和转动方式,二者存在一定的接触,故动涡旋盘齿顶摩擦副接触面的摩擦磨损是影响涡旋压缩机容积效率和运行可靠性的重要因素之一。通过对国内外涡旋压缩机研究现状的总结,考虑到涡旋压缩机在工作时摩擦损耗严重导致的整机容积效率降低的问题,以动涡旋盘齿顶摩擦副的接触面为研究对象,基于分形理论,建立了动涡旋盘齿顶摩擦副的摩擦力预测模型,并在干摩擦环境下进行了摩擦磨损试验,揭示了其磨损机理。本文的主要研究内容如下: (1)论述了涡旋压缩机摩擦磨损和分形接触理论的研究成果以及存在的不足。建立了动静涡旋盘的型线结构,根据型线结构分析了动涡旋盘的受力情况,分析了动涡旋盘所受的气体力和力矩随主轴转角的变化规律。最后,结合动静涡旋盘的型线结构和受力特点,建立了动涡旋盘齿顶摩擦副的力学模型。 (2)将本文研究对象与分形理论结合起来,基于M-B分形接触模型建立了动涡旋盘齿顶摩擦副接触面的分形接触模型,分析了动涡旋盘齿顶摩擦副接触面的分形参数与齿顶的名义接触面积及实际接触面积的关系,并通过对齿顶接触面二维和三维的分形表征,结果发现在不同分形维数下,齿顶摩擦副接触表面有不同的形貌特征。 (3)针对动涡旋盘齿顶磨损严重问题,建立了基于分形理论的齿顶摩擦力预测模型。通过对模型进行编程和数值仿真,研究了主轴转角以及微观接触下摩擦副接触面的分形参数和真实接触面积对齿顶摩擦力的影响,结果表明:摩擦副的真实接触面积和摩擦力在主轴转角为排气角处达到最大值;随着分形维数的逐渐增长,摩擦力呈现出先下降后上升的趋势;同时,随着无量纲特征尺度参数和无量纲真实接触面积的减小,摩擦力也会减小。 (4)为了验证所建摩擦模型的准确性,在摩擦磨损试验台上进行了试验,记录了试样在不同接触载荷下的摩擦系数,分析了试验结果与理论预测结果的误差。并观察了试样磨损后的磨损形貌和磨痕,揭示其磨损机理。最后利用预测模型计算了动涡旋盘齿顶的理论摩擦功耗,与涡旋压缩机在实际工作中消耗的摩擦功率进行了比较,结果发现动涡旋盘齿顶的摩擦功耗占整机摩擦功率的比值较大,因此动涡旋盘齿顶摩擦副的摩擦磨损不可忽视。

关键词： 轮毂轴承油封   聚四氟乙烯复合材料   有限元仿真   摩擦学性能   密封性能  

摘要： 随着汽车工业的飞速发展,人们对汽车运行的安全性、平稳性、舒适性的要求越来越高。汽车轮毂轴承作为直接关系汽车安全性、平稳性的部件,人们对轮毂轴承的质量标准提出了更高的要求。目前轮毂轴承的设计主要向着低摩擦转矩、良好的密封性、长使用寿命、高可靠性、轻量化的趋势发展。油封作为汽车轮毂轴承单元的密封件,其优良的密封性能是轮毂轴承长寿命的有力保障。因此,本课题对汽车轮毂轴承油封的结构及油封材料进行深入研究,对提高轮毂轴承的密封性和可靠性,确保轮毂轴承的使用寿命,降低轮毂轴承的摩擦转矩,提高燃油经济性,促进汽车行业的环保目标,满足汽车制造商的生产需求具有重要的意义。 本文首先针对轮毂轴承油封密封失效原因对油封的材料进行了改进,选择聚四氟乙烯（PTFE）作为基体材料。由于PTFE的耐磨损性较差,因此通过添加二氧化硅（SiO2）、二硫化钼（Mo S2）、氧化铜（Cu O）、多壁碳纳米管（MWCNTs）4种不同类型填料对其进行改性,对比研究了同一工况下性能差异较大的不同填料对PTFE力学及摩擦学性能的影响,并通过对试样磨痕表面微观形貌进行表征研究不同填料改性PTFE的磨损机理。结果表明4种填料均可降低PTFE的摩擦系数和磨损率,提高拉伸强度和拉伸模量,说明填料的加入有效改善了PTFE复合材料的力学和摩擦学性能。其中,7%SiO2/PTFE的综合性能最好,其磨损率比纯PTFE降低了3个数量级,可以提高油封的耐磨性及使用寿命,同时,也能更好的满足轮毂轴承在恶劣环境中的使用要求。 其次,本文以第三代汽车轮毂轴承单元为例,利用SOLIDWORKS软件建立了第三代轮毂轴承单元模型,并对建立的模型进行简化,导入ABAQUS有限元软件中,以改性后的油封材料7%SiO2/PTFE的性能参数为材料属性,仿真分析了油封的3个密封唇的过盈量及径向唇的油侧唇角对油封密封性能的影响,并设计了正交试验,基于正交试验对油封结构进行了优化设计。此外,本文依据油封的密封原理研究了泵吸效应对油封密封性能的影响。通过雷诺方程推导出了油封泵吸率的方程,并利用控制变量法分析了油封油侧唇角、气侧唇角、接触宽度、油膜厚度、接触载荷等因素对油封泵吸率的影响。结果表明,随着油封油侧唇角、油膜厚度、接触载荷的增加,油封的泵吸率增大,随着气侧唇角、接触宽度的增加,泵吸率减小。其中,不同因素对泵吸率影响的剧烈程度不同,接触宽度和油膜厚度对泵吸率的影响最显著。 另外,由于改性后的PTFE复合材料仍然存在耐磨损性较差的缺陷,因此,本课题设计在保证不影响油封唇部密封性能的前提下在油封唇口涂一层耐磨涂层来提高油封的耐磨性。选择热固性聚酰亚胺（TPI）为基体材料,通过水热法将氧化镍（Ni O）原位组装在还原氧化石墨烯（RGO）纳米片上制备了氧化镍还原氧化石墨烯（Ni O@RGO）复合材料,并以此来增强TPI。研究了不同质量分数Ni O/TPI和Ni O@RGO/TPI复合材料在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果表明过量的填料加入对TPI复合材料摩擦学性能的改善具有抑制作用,且Ni O@RGO对TPI摩擦学性能的协同效应更显著。当Ni O@RGO的质量分数为0.2%时,摩擦学性能最好,在300N载荷下摩擦系数最低,其值为0.286,磨损率最低,其值为5.125×10-8mm3N-1m-1,与纯TPI相比,摩擦系数和磨损率分别降低了35.7%和84%,与同载荷下7%SiO2/PTFE相比,磨损率降低了2个数量级。

关键词： 混合腔光机械系统   非线性光学   光力诱导透明   高阶边带   光学孤子  

摘要： 光机械系统是一种融合了光传播和机械运动的先进平台,这种平台是量子光学、机械学和材料学等多个学科的交叉融合。得益于光机械系统固态结构良好的可集成特性,这种新型固态结构给量子光学的深入研究提供了一种新的可能。随着激光技术的不断发展,实验上已经成功证明了可以利用光机械系统来实现对光束传播以及机械运动的操控。因此,基于光机械系统的研究成为近年来的研究热点,特别是其在量子光学、量子信息等方面。随着研究的不断深入,人们发现腔光机械系统中的非线性效应也会带来新的量子光学现象,从而腔光机械系统中的非线性效应引起了研究者的关注。基于此,我们也对腔光机械系统的非线性效应进行了相关研究,主要研究内容如下: 1、我们提出了两种在混合腔光机械系统中增强二阶边带转换效率的方案。我们利用在系统中混合非线性介质来与腔内光场产生非线性相互作用,研究了混合系统在外场驱动下产生的透射场和二阶边带,分析了二阶边带的转换效率及其调控手段。为了系统分析这种非线性作用的影响,我们尝试了在微腔中添加金属纳米粒子、光学参量放大器以及三能级原子、机械振子这两种方案来使腔内光场发生非线性相互作用。我们将系统哈密顿量带入海森堡方程中来分析算符的动力学演化,同时利用稳态-微扰法,计算出系统中的相互作用如何影响并操控微观尺度的机械运动。我们发现,透射场与二阶边带转换效率之间表现出了很强的相关性。值得一提的是,我们发现非线性相互作用强度大小是调控二阶边带转换效率的有效方法,非线性作用项中的参数能够显著影响二阶边带的转换效率。通过选取合适的参数能够实现二阶边带转换效率的增强,在不同系统中二阶边带转换效率也同时对参数调制表现出不同的敏感度。 2、我们提出了一种在混合腔光机械系统中产生光学孤子的方案。我们讨论了由混合原子团的微腔组成的一维阵列结构中,由于光子跳变的线性作用和模式之间的非线性相互作用而出现的光场相干局域的现象,同时分析了光场是如何周期演化的。为了对光场局域化的机制进行分析,我们将系统哈密顿量带入海森堡方程中来分析算符的动力学演化。在系统算符运动方程的计算过程中我们利用了振幅缓变的近似和连续近似,我们证明了腔场算符的动力学演化能够用非线性薛定谔方程来进行描述,这是光学孤子产生的信号。在理论推导的基础上,我们利用分步傅里叶这一数值模拟方法对推导出的腔场演化方程进做出了验证。验证的结果告诉我们,光学孤子在机械振子和原子团的辅助下可以产生并传播。系统中的光学孤子展现出了一定的稳定性,这体现在孤子可以在构建的阵列结构中很好地维持自身的脉冲特征。我们同时探究了如何让光学孤子在该系统中稳定传播,发现了原子团激发的声子模式和腔模式之间的耦合强度以及原子系综中包含的原子数量这两个参数是良好的调控途径。必须指出的是,在利用平面波解析方法分析腔模式动力学演化方程的过程中,光学孤子的稳定性会发生一定的改变。我们的计算结果表明,该光机械阵列系统中距离过近两个孤子会相互影响从而导致不稳定,这种现象说明了孤子想要稳定传播,那么它们之间的距离必然存在着极限。我们就此现象进一步分析了系统调制的稳定性,探讨了系统中可以稳定实现孤子传播的距离参数,并初步分析了孤子之间的相互碰撞。 总之,本文通过分析了在混合纳米微腔中通过调控非线性耦合参数实现二阶边带转换效率的增强,讨论了二阶边带这一非线性光学效应。同时本文还讨论了光学孤子这一非线性光学效应,分析了在一维的混合微腔阵列结构中通过调控非线性耦合参数实现稳定传播的孤子。我们不仅分析了如何利用原子团的参数来实现对腔模式的局域现象的有效调制,还研究了系统中光学孤子传播的稳定性。本论文的研究有望为光子器件、光开关以及光通讯等发展提供一定的理论依据。