發(fā)布時間：2021-04-01 11:39

　　冰摩擦是北方冬季最常見的自然現(xiàn)象之一,冰摩擦的研究在道路安全、冰川運動、冰上運動、海上結(jié)構物設計和破冰器等領域都有著重要的意義。本文基于自然界超疏水形成機制和納秒激光加工技術特點,設計了仿生疏水微結(jié)構,并在不銹鋼表面進行了加工。通過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、重復脈沖次數(shù)、掃描結(jié)構間距對金屬表面微結(jié)構的影響規(guī)律,實現(xiàn)了對金屬表面微結(jié)構形狀和尺寸的控制,構建了類蓮藕溝槽復合結(jié)構。試驗發(fā)現(xiàn),激光掃描速度、激光加工功率和重復脈沖次數(shù)、激光掃描間距參數(shù)會影響微結(jié)構的表面形貌,進而影響表面接觸角。采用激光掃描速度200mm/s、加工功率10w、重復脈沖次數(shù)15次、掃描間隔0.05mm可以實現(xiàn)類蓮藕溝槽復合超疏水微結(jié)構的構建。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,與空氣接觸一段時間后轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?機理分析發(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,但動態(tài)接觸角變化較大,滾動角降為6.4°,呈現(xiàn)較好的自清潔性和彈跳性能。微結(jié)構是使不銹鋼表面呈現(xiàn)超疏... 

【文章來源】：長春理工大學吉林省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

生活中無處不在的摩擦

冰上行走也需要增大摩擦保持身體的平衡。然而，在海上貨物運輸和海上結(jié)構計中，需要低摩擦材料來降低維護和運營成本，例如，為克服冰摩擦，需要消船 70%的功率。此外，減少冰摩擦在競技體育中也很重要。目前，國外學者，一些發(fā)達國家的學者，對冰摩擦的相關研究做出了巨大的貢獻[1-3]，但是國內(nèi)的對來說較少。因此，展開對冰摩擦的相關研究很有必要。國內(nèi)外學者對仿生表生結(jié)構-冰之間摩擦的大量研究發(fā)現(xiàn)，表面潤濕性在冰摩擦中尤其接近熔點時具作用，但其具體的作用機制有待進一步探討和完善。此外，在研究對象上，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（即對可見光強烈反射）、富有延展性、容易導電、導熱等性質(zhì)的物用廣泛。例如不銹鋼及其合金被廣泛應用于北極越冬的破冰船船頭及船身吃水、海上結(jié)構物；鋁及其合金被廣泛應用于對鹽敏感海岸結(jié)構物，鋁也被用來制研究海冰的實驗設備。金屬具有導熱性，因此與傳統(tǒng)的冰-冰摩擦提供有價值的對摩擦模型依靠不同材料之間的比較來區(qū)分各種材料性質(zhì)的重要性，因此新的實，以及未研究的材料，可以為冰摩擦理論提供支持證據(jù)。

面構造該微結(jié)構，實現(xiàn)金屬表面潤濕性的轉(zhuǎn)變。.2 納秒激光加工技術簡介激光加工屬于高精密、非接觸加工，主要通過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。激光光束經(jīng)過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�，積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程可以分為四個階段（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，此時金屬表面無裂痕。第二為表面凹陷熔化階段。照射區(qū)域吸收熱量達到一定量時，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，達到一定后發(fā)生汽化，氣體積聚。此時的表面產(chǎn)生裂紋，噴射的金屬熔融物在金屬表面會再凝結(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)擴大，繼續(xù)向下熔融金屬，洼池形成。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]速滑運動冰面摩擦作用的力學機理探析[J]. 劉貴寶.  冰雪運動. 2017(06)
[2]納秒激光制備鈦表面紋理結(jié)構及其潤濕性研究[J]. 楊成娟,李媛,梅雪松,田延嶺,張大衛(wèi).  河北科技大學學報. 2016(04)
[3]輪胎胎面橡膠-冰面摩擦試驗方法研究[J]. 郭孔輝,莊曄,CHEN Shih-Ken,LIN William.  摩擦學學報. 2005(03)
[4]速滑冰刀刃表面改性技術對提高成績的前瞻性探討[J]. 關亞軍,朱寶峰,馮慶波.  哈爾濱體育學院學報. 2003(01)

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



本文編號：3113269