發(fā)布時間：2020-07-12 02:30

【摘要】：自然界中植物葉片表面具有不同的微納結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)致植物具備不同的生物學(xué)性能。本論文從仿生學(xué)的角度出發(fā),利用流涎-轉(zhuǎn)印工藝制備了聚乙烯醇(PVA)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、及磺化聚醚醚酮/聚四氟蠟(SPEEK/PFW)三種不同材料的光滑薄膜及不同植物葉片的仿生織構(gòu)薄膜�？疾炝吮∧さ姆肿咏Y(jié)構(gòu)、熱性能、及力學(xué)性能。系統(tǒng)性的研究了三種光滑薄膜及其對應(yīng)的仿生織構(gòu)薄膜在干摩擦條件下的摩擦學(xué)性能。對于不同種類的薄膜,又分別研究了載荷,轉(zhuǎn)速對薄膜摩擦學(xué)性能的影響。借助,X射線光電子能譜儀(XPS)、場發(fā)射掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、三維輪廓儀等測試儀器對磨痕處的成分,形貌進行了綜合的考察。分析其測試結(jié)果,得到了仿生織構(gòu)薄膜的減磨機理。本課題完成的研究工作如下所述:(1)本課題首先通過對植物葉片表面及仿生織構(gòu)薄膜表面的光學(xué)顯微鏡(OM)分析,得到仿生織構(gòu)薄膜表面的微觀結(jié)構(gòu)與植物葉片的一致,成功的完成了對聚合物薄膜表面的改性工作。并同時研究了仿生織構(gòu)化對聚合物薄膜的分子結(jié)構(gòu)和熱性能的影響,通過紅外光譜(FTIR)和熱重(TGA)分析,得出仿生織構(gòu)化對聚合物自身的分子結(jié)構(gòu)和熱性能并沒有產(chǎn)生影響。此種改性方法僅僅改變了聚合物薄膜的表面結(jié)構(gòu),并沒有破壞聚合物原有的分子結(jié)構(gòu)和性能,且仿生織構(gòu)薄膜的力學(xué)性能優(yōu)于光滑薄膜。(2)在載荷為5N,轉(zhuǎn)速為200 r/min時,七葉樹葉片織構(gòu)薄膜(B-PVA)和鳶尾葉片織構(gòu)薄膜(M-PVA)兩種仿生織構(gòu)薄膜的摩擦系數(shù)分別為0.09和0.07,相比光滑薄膜,摩擦系數(shù)分別下降了0.06和0.08。而隨著載荷的增大,光滑薄膜(S-PVA)、B-PVA及M-PVA三種薄膜的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢,但是兩種仿生織構(gòu)薄膜隨載荷變化的幅度較小,載荷每增加2N時,摩擦系數(shù)僅上升0.02,而光滑薄膜則上升0.05。而隨著轉(zhuǎn)速的增大,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,符合聚合物摩擦理論。(3)在干摩擦條件下,載荷為5N,轉(zhuǎn)速為200 r/min時,鳶尾葉片織構(gòu)薄膜(F-SPEEK)和美人蕉葉片織構(gòu)薄膜(C-SPEEK)兩種薄膜的摩擦系數(shù)均低于SPEEK光滑薄膜,分別降低了0.13和0.15。這是由于一方面仿生織構(gòu)化可以減少摩擦副間的接觸面積,另一方面在摩擦過程中可以容納磨屑,阻止了磨屑進一步對摩擦表面的劃傷,與此同時在摩擦熱和摩擦力的作用下,仿生織構(gòu)形貌變?yōu)轸~鱗狀,減小了摩擦中的阻力,使得摩擦系數(shù)和磨損率均降低。而在海水條件下,兩種織構(gòu)薄膜同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。(4)加入聚四氟蠟(PFW)后,薄膜的摩擦系數(shù)整體下降。且楓葉織構(gòu)薄膜(A-SPEEK/PFW)和美人蕉織構(gòu)薄膜(C-SPEEK/PFW)兩種薄膜的摩擦系數(shù)在載荷為3~11 N的范圍內(nèi),摩擦系數(shù)均保持在0.1左右,體現(xiàn)出良好的摩擦穩(wěn)定性,而隨著轉(zhuǎn)速的增加,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出上升的趨勢,且由于兩種仿生織構(gòu)薄膜表面微觀結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其表現(xiàn)出不同的摩擦學(xué)規(guī)律。本課題的研究表明,采用流涎-轉(zhuǎn)印工藝可以成功的將植物葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)制在聚合物薄膜表面。在干滑動條件下,仿生織構(gòu)均表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,摩擦系數(shù)最高可降低0.15。這為聚合物的改性提供了一種新的思路,也為仿生織構(gòu)化的制備提供了一種新的方法,進一步的優(yōu)化仿生織構(gòu)形貌,對推動仿生摩擦學(xué)的發(fā)展有著重要的意義。
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;O631
【圖文】：

圖 1-1 兩體磨粒磨損Fig. 1-1 Wear of two-body abrasive particles圖 1-2 三體磨粒磨損Fig. 1-2 Wear of three-body abrasive particles機理：在接觸表面粗糙時，在交變應(yīng)力集中作用以及界面

圖 1-2 三體磨粒磨損Fig. 1-2 Wear of three-body abrasive particles損機理：在接觸表面粗糙時，在交變應(yīng)力集中作用以及界面接觸合物材料的損失，這種現(xiàn)象被稱為疲勞磨損。對偶表面的粗糙度合物抵抗疲勞的能力均會對疲勞磨損造成影響。有時接觸面間存裂紋的產(chǎn)生與擴展造成影響[1]。能很好的抵抗磨粒磨損通常將這種能力稱為聚合物的嵌藏性；除裝配誤差，此性能稱為順應(yīng)性。聚合物具有很好的抗腐蝕性能，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得其力學(xué)性能降低，此時會發(fā)生體積膨脹[1構(gòu)概述及其摩擦學(xué)研究進展構(gòu)概述構(gòu)技術(shù)（Surface texture）即使用特定的加工手段，在材料表面者凸起，從而提高材料的摩擦學(xué)性能，是在表面鍍層和表面改[13]

在其看似平整的葉片表面上可以觀察到排列整齊的微米級別的凸著著納米級別的蠟晶[14]。圖（b）為蝴蝶表面的宏觀和微觀形貌，其微格狀的，這種結(jié)構(gòu)使得蝴蝶在雨天不易被打落[15]。圖（c）為美人蕉葉表面排列著致密，有序，整齊但大小不一的四邊形[9]。圖（d）所示為構(gòu)，當鯊魚在水中快速游動時，位于磷脊間的圓谷便可以起到有效的減的微觀結(jié)構(gòu)為蜣螂的前胸背板，這種特殊的結(jié)構(gòu)使其對生活環(huán)境中的土功能[16]。圖（f）中壁虎能夠自由行走在垂直的表面，是因為其足部的細小粗糙處能夠緊密接觸[16]。這些特殊的幾何形貌賦予了這些生物不物的功能，也成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。a）荷葉表面乳突形貌 b）蝴蝶翅膀形 c）美人蕉表面形貌

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本文編號：2751291