冰摩擦是北方冬季最常見(jiàn)的自然現(xiàn)象之一,冰摩擦的研究在道路安全、冰川運(yùn)動(dòng)、冰上運(yùn)動(dòng)、海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和破冰器等領(lǐng)域都有著重要的意義。本文基于自然界超疏水形成機(jī)制和納秒激光加工技術(shù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了仿生疏水微結(jié)構(gòu),并在不銹鋼表面進(jìn)行了加工。通過(guò)分析激光加工的基本原理以及研究激光掃描速度、激光加工功率、重復(fù)脈沖次數(shù)、掃描結(jié)構(gòu)間距對(duì)金屬表面微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬表面微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的控制,構(gòu)建了類蓮藕溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光掃描速度、激光加工功率和重復(fù)脈沖次數(shù)、激光掃描間距參數(shù)會(huì)影響微結(jié)構(gòu)的表面形貌,進(jìn)而影響表面接觸角。采用激光掃描速度200mm/s、加工功率10w、重復(fù)脈沖次數(shù)15次、掃描間隔0.05mm可以實(shí)現(xiàn)類蓮藕溝槽復(fù)合超疏水微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。納秒激光加工的超疏水表面黏附性較大,低表面能物質(zhì)修飾可改變表面的黏附性;加工后的表面初始為親水特性,與空氣接觸一段時(shí)間后轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?機(jī)理分析發(fā)現(xiàn),不銹鋼表面C/Fe的比例增加是親水性到疏水性的轉(zhuǎn)化原因。低表面能物質(zhì)修飾后,其靜態(tài)接觸角變化較小,但動(dòng)態(tài)接觸角變化較大,滾動(dòng)角降為6.4°,呈現(xiàn)較好的自清潔性和彈跳性能。微結(jié)構(gòu)是使不銹鋼表面呈現(xiàn)超疏... 

【文章來(lái)源】：長(zhǎng)春理工大學(xué)吉林省

【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

生活中無(wú)處不在的摩擦

冰上行走也需要增大摩擦保持身體的平衡。然而，在海上貨物運(yùn)輸和海上結(jié)構(gòu)計(jì)中，需要低摩擦材料來(lái)降低維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本，例如，為克服冰摩擦，需要消船 70%的功率。此外，減少冰摩擦在競(jìng)技體育中也很重要。目前，國(guó)外學(xué)者，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者，對(duì)冰摩擦的相關(guān)研究做出了巨大的貢獻(xiàn)[1-3]，但是國(guó)內(nèi)的對(duì)來(lái)說(shuō)較少。因此，展開(kāi)對(duì)冰摩擦的相關(guān)研究很有必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)仿生表生結(jié)構(gòu)-冰之間摩擦的大量研究發(fā)現(xiàn)，表面潤(rùn)濕性在冰摩擦中尤其接近熔點(diǎn)時(shí)具作用，但其具體的作用機(jī)制有待進(jìn)一步探討和完善。此外，在研究對(duì)象上，主在冰-聚合物、冰-混泥土、木材、巖石、冰-橡膠上，在冰-金屬的研究較少。金種具有光澤（即對(duì)可見(jiàn)光強(qiáng)烈反射）、富有延展性、容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)的物用廣泛。例如不銹鋼及其合金被廣泛應(yīng)用于北極越冬的破冰船船頭及船身吃水、海上結(jié)構(gòu)物；鋁及其合金被廣泛應(yīng)用于對(duì)鹽敏感海岸結(jié)構(gòu)物，鋁也被用來(lái)制研究海冰的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。金屬具有導(dǎo)熱性，因此與傳統(tǒng)的冰-冰摩擦提供有價(jià)值的對(duì)摩擦模型依靠不同材料之間的比較來(lái)區(qū)分各種材料性質(zhì)的重要性，因此新的實(shí)，以及未研究的材料，可以為冰摩擦理論提供支持證據(jù)。

面構(gòu)造該微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)金屬表面潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變。.2 納秒激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介激光加工屬于高精密、非接觸加工，主要通過(guò)激光熱燒蝕表層金屬，金屬表層，從而在金屬表面生成了微結(jié)構(gòu)。激光光束經(jīng)過(guò)掃描振鏡和聚焦透鏡后具有較高量，作用在金屬材料表面轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽e聚的高溫以熔化表層金屬，去除表層物3]。這種去除材料表面的過(guò)程可以分為四個(gè)階段（如圖 2.1 所示）：第一階段為表溫階段。激光照射材料表面，被照射區(qū)域吸收熱量，此時(shí)金屬表面無(wú)裂痕。第二為表面凹陷熔化階段。照射區(qū)域吸收熱量達(dá)到一定量時(shí)，表層金屬熔化，金屬材現(xiàn)凹陷。第三階段為表面氣化階段。表層金屬熔化后，繼續(xù)吸收能量，達(dá)到一定后發(fā)生汽化，氣體積聚。此時(shí)的表面產(chǎn)生裂紋，噴射的金屬熔融物在金屬表面會(huì)再凝結(jié)，從而堆積在金屬表面。第四為洼池形成階段。照射區(qū)域持續(xù)吸收熱量，持續(xù)積聚，熱影響區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，繼續(xù)向下熔融金屬，洼池形成。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]速滑運(yùn)動(dòng)冰面摩擦作用的力學(xué)機(jī)理探析[J]. 劉貴寶.  冰雪運(yùn)動(dòng). 2017(06)
[2]納秒激光制備鈦表面紋理結(jié)構(gòu)及其潤(rùn)濕性研究[J]. 楊成娟,李媛,梅雪松,田延嶺,張大衛(wèi).  河北科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2016(04)
[3]輪胎胎面橡膠-冰面摩擦試驗(yàn)方法研究[J]. 郭孔輝,莊曄,CHEN Shih-Ken,LIN William.  摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2005(03)
[4]速滑冰刀刃表面改性技術(shù)對(duì)提高成績(jī)的前瞻性探討[J]. 關(guān)亞軍,朱寶峰,馮慶波.  哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào). 2003(01)

碩士論文
[1]速滑冰刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)及摩擦特性分析[D]. 周驥.吉林大學(xué) 2016
[2]仿生凸起幾何結(jié)構(gòu)對(duì)冰摩擦學(xué)特性的影響[D]. 徐蘇雷.吉林大學(xué) 2013
[3]鈦基超雙疏表面的制備及其潤(rùn)濕性控制[D]. 陸遙.大連理工大學(xué) 2013
[4]淡水冰與多種材料間摩擦因數(shù)的試驗(yàn)研究[D]. 秦緒祥.大連理工大學(xué) 2013



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