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仿生六边形微凸起织构的摩擦学特性研究

作　者: 穆谦
导　师: 王晓雷
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 表面织构聚二甲基硅氧烷(PDMS) 六边形微凸起摩擦
分类号: TH117
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在研究摩擦学的历程中，自然界的非光滑表面给了我们很多启示。树蛙足掌致密的六边形微凸起结构，是其能够稳稳地停在潮湿的树皮和砾石表面而不滑脱的主要原因之一。树蛙等生物体表可以认为是广义的软材料，而橡胶等软材料在当今工业生产中得到日益广泛的应用。从仿生学的角度出发，在软材料上加工出类似动物表面具有特殊功能的表面，实现高摩擦、高黏附、控制摩擦的增大或减小，意义非凡。本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为试件材料，采用光刻—转印工艺在盘状PDMS表面加工出不同参数的六边形微凸起织构，以销盘式摩擦磨损试验机研究了PDMS/PDMS、钢球/PDMS摩擦副在不同润滑状态下时，PDMS表面六边形微凸起织构的作用效果，并探讨了织构的润滑机理。本文获得的结论主要有：1.干摩擦条件下，PDMS表面的粘着、弹性形变和粘滞作用发挥重要作用，摩擦因数随着滑动速度的增加而不断上升，且具有高面积密度、小直径的织构具有更好的减摩作用。2.采用甲基硅油为润滑剂时，摩擦副随滑动速度增大从混合润滑状态逐渐步入流体动压润滑状态。在混合润滑阶段六边形微凸起织构表现出增摩效果，且高面积密度的织构增摩效果更佳；流体动压润滑状态时PDMS表面的摩擦因数与润滑剂本身的粘度直接相关，织构的作用减弱，控制摩擦的作用比较局限。3.水润滑条件下，PDMS/PDMS摩擦副主要处于边界润滑状态和混合润滑状态，六边形微凸起织构在低速时减摩，而在高速时六边形微凸起周围的沟槽排水迅速，形成吸附效应提升增摩效果，其中高面积密度、大直径的织构增摩效果更为显著，符合树蛙足掌结构的特殊性能。钢球/PDMS摩擦副在水润滑试验时，主要处于边界润滑和混合润滑状态，中速时织构的增摩作用显著，而高速时呈现出进入流体动压润滑状态的趋势。本文通过试验研究了PDMS/PDMS和钢球/PDMS摩擦副中六边形微凸起织构在PDMS表面的作用，探讨了不同润滑状态下该织构作用机理，同时证实了树蛙足掌的六边形结构是其特殊摩擦学性能的原因，为控制、利用软材料表面以及软材料的应用提供了依据。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 表面织构技术  12-15
    1.2.1 自然界的启示  12-13
    1.2.2 表面织构技术的应用  13-15
  1.3 软材料摩擦学的相关研究  15-18
    1.3.1 生物体表的多边形结构  15-16
    1.3.2 硅橡胶材料的摩擦学研究  16-18
  1.4 课题的来源与意义  18
  1.5 全文概览  18-20
第二章试件制备和试验设计  20-32
  2.1 试件设计  20-28
    2.1.1 材料的选择  20-21
    2.1.2 织构几何参数的设计  21-23
    2.1.3 织构化试件的制备  23-28
  2.2 试验设计  28-31
    2.2.1 试验方案  28-29
    2.2.2 上试件和滑动速度的选定  29
    2.2.3 载荷条件和润滑剂的选定  29-31
    2.2.4 表面粘附力测试  31
  2.3 本章小结  31-32
第三章六边形微凸起织构在 PDMS/PDMS 摩擦副中的摩擦学特性  32-51
  3.1 干摩擦条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  32-40
    3.1.1 1N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  32-35
    3.1.2 2N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  35-38
    3.1.3 干摩擦条件下六边形微凸起织构的作用机理  38-40
  3.2 水润滑条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  40-47
    3.2.1 1N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  40-43
    3.2.2 2N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  43-46
    3.2.3 水润滑条件下六边形微凸起织构的作用机理  46-47
  3.3 甲基硅油润滑条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  47-50
    3.3.1 甲基硅油润滑条件下六边形微凸起织构的作用效果  47-49
    3.3.2 甲基硅油润滑下六边形微凸起织构的作用机理  49-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章六边形微凸起织构在钢球/PDMS 摩擦副中的摩擦学特性  51-72
  4.1 干摩擦条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  51-59
    4.1.1 1N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  51-54
    4.1.2 2N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  54-57
    4.1.3 干摩擦条件下六边形微凸起织构的作用机理  57-59
  4.2 水润滑条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  59-67
    4.2.1 1N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  59-63
    4.2.2 2N 载荷下六边形微凸起织构的作用效果  63-66
    4.2.3 水润滑条件下六边形微凸起织构的作用机理  66-67
  4.3 甲基硅油润滑条件下六边形微凸起织构的摩擦学特性  67-70
    4.3.1 甲基硅油润滑条件下六边形微凸起织构的作用效果  67-69
    4.3.2 甲基硅油润滑下六边形微凸起织构的作用机理  69-70
  4.4 本章小结  70-72
第五章织构化 PDMS 表面的其他摩擦学性能  72-78
  5.1 PDMS 表面粘附力测试  72
  5.2 织构化 PDMS 表面的 Stribeck 曲线  72-76
    5.2.1 无织构 PDMS 表面的 Stribeck 曲线  73-74
    5.2.2 表面织构对 Stribeck 曲线的影响  74-76
  5.3 本章小结  76-78
第六章总结与展望  78-81
  6.1 全文总结  78-79
  6.2 工作展望  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

仿生六边形微凸起织构的摩擦学特性研究

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