摩擦过程中多物理场行为与机理研究

人们早就发现摩擦过程中耦合了力、热、声、光甚至电磁发射等多物理场现象，这些现象与摩擦的系统依赖性、时变性和复杂性等特征密切相关，同时也强烈体现了摩擦学研究的多学科交叉特点。但是目前摩擦学基础研究大多集中在对摩擦副的弹塑性变形与其力学行为规律研究上，结合摩擦过程多物理场现象对摩擦机理进行深入认识的研究较少。本项目拟建立摩擦多物理场现象测试平台，对若干常用摩擦副材料进行摩擦多物理场现象的系统表征，从分子、原子尺度上系统讨论各物理场现象发生的定量物理模型及其耦合，揭示摩擦多物理场现象与摩擦、磨损和润滑之间的联系，初步建立综合考虑摩擦过程多物理场现象的摩擦及润滑材料选择及设计准则，并对其对高精密仪表的漂移误差和相对误差的影响进行定量分析。希望通过本研究对摩擦多物理场现象进行更系统深入的认识，并把它们与摩擦、磨损与润滑等行为有机联系起来，为高精度、长寿命、高可靠性的机械表面界面技术提供一定理论支撑。

随着我国制造业的发展，机械表面界面行为的控制已经成为机械高精度、长寿命、高可靠性运行的重要保障。但是目前摩擦学基础研究大多集中在对摩擦副力学行为的研究上，摩擦过程热、声、光甚至电磁发射等多物理场现象虽早已被发现，然而目前仍偏向对单一物理场现象的测试技术及应用研究，缺乏多物理场现象与摩擦的微观机理的耦合研究。. 针对以上背景，本项目设计搭建了摩擦过程多物理场同步在线测试平台，以此为基础系统研究了多种金属及非金属材料摩擦过程中热、声发射、接触电阻、发光以及电磁辐射现象及其规律。提出了多种物理场现象相关耦合分析方法，通过对摩擦过程温度场、声发射以及接触电阻的耦合分析提出了考虑材料物理性质的磨损状态在线监控方法，并分析了各物理场现象的微观机理。针对摩擦过程基础单元—粘滑运动进行了多物理场系统研究，通过不同载荷、速度、系统刚度、接触角度等条件下的测试探讨了粘滑运动不同阶段各种能量的转变及耗散情况。以此为基础设计并测试了各项异性仿生粘着表面。同时研究了外场作用下的摩擦行为，系统研究了外加磁场作用下磁粉颗粒间的剪切应力及压缩应力，以此为基础进行了磁粉离合器的应用研究。探究了磁流变液在外加磁场作用下的流变行为及其磁性颗粒微观剪切机理。系统研究了不同测试条件下磁流变液的剪切历史效应。发现随剪切速率增加，其稳态剪切应力依次表现出应力跳变和两个不同的平滑变化阶段，不同动态剪切频率下磁流变液的损耗因子曲线在某一励磁电流附近发生重合。提出了基于颗粒链模型的磁流变液粘弹性模型，揭示了颗粒簇与平板间固-固摩擦在磁流变液形成高剪切强度中的重要作用。磁流变液在低场强和低剪切速率条件下具有明显的剪切历史效应，高剪切速率有助于减弱历史效应。建立了考虑颗粒间润滑和摩擦的悬浮液流变数值仿真模型。发现在磁流变液的流变状态转变过程中，颗粒簇结构尺寸会随剪切速率的增大而减小，提高颗粒间固-固摩擦系数可以增强磁流变液中紧密堆积颗粒结构的剪切强度。通过本项目的研究发现了若干新物理现象，并发表国际学术期刊论文十余篇。. 通过上述研究，理论方面对摩擦过程中的物理化学过程及其微观机制有更深的揭示，可以对相关摩擦与润滑设计做出更有效指导。对于轴承及很多带电运行的摩擦副，其寿命常与电磁特性有密切关系，深刻理解其中的摩擦多物理场现象以及外场控制下的摩擦行为对改善或提高该类摩擦副的寿命和可靠性具有参考价值