随着轨道交通的快速发展, 高速列车制动系统在长大坡道等复杂工况下的服役安全面临日益严峻的挑战。研究制动系统在长大坡道下的摩擦学和动力学行为, 揭示其性能退化机理, 对于提高制动系统在复杂工况下的性能和寿命至关重要。该文总结了长大坡道工况下高速列车制动系统在摩擦学和动力学领域的研究进展, 包含试验研究、有限元仿真和动力学建模等方面的主要成果。通过开展制动性能试验研究、建立热-机-磨损耦合有限元模型、构建考虑界面接触行为的集总参数模型及考虑轮/轨黏着特性的制动系统动力学模型, 可以揭示长大坡道下制动摩擦副的磨损演化规律和性能退化机理以及工况对系统振动响应和稳定性的影响, 为进一步优化高速列车制动性能提供理论依据。
芯片是现代信息社会的基石, 对于国家核心竞争力和国家安全具有重要意义。随着摩尔定律不断推进, 芯片特征尺寸不断缩小并趋近物理极限, 亟需发展原子层抛光, 对器件表面实现以原子层为基本单元的极限精度抛光去除, 以实现原子级精度表面, 满足光刻、键合等工艺苛刻需求。目前, 化学机械抛光是芯片制造中唯一能够同时实现晶圆局部和全局平坦化的关键技术, 具备实现原子层抛光的潜力。为此, 该文系统总结了芯片衬底表面和互连异质表面化学机械抛光的机理和工艺。对于衬底表面, 目前已经实现单晶硅的微观单原子层可控去除和宏观近理论极限表面粗糙度抛光, 基本探明化学机械抛光在晶圆表面的极限精度加工能力。对于互连异质表面, 首先从摩擦学的角度, 依据磨粒与表面之间的不同相互作用, 分类总结化学机械抛光中的材料去除模式：机械犁沟和化学成键。然后在此基础上, 提出互连异质表面同步去除调控原理和方法, 归纳铜/钽、铜/钴、铜/钌等互连异质表面平坦化工艺。最后提出利用机械、化学、电/光/等离子体/能束等多场协同作用, 将化学反应/机械化学反应限域在最表层原子, 以期实现原子层抛光, 助力高端芯片原子级制造。
陶瓷材料的摩擦学性能对陶瓷零部件长效、可靠服役至关重要。因此, 有必要全面、深入理解陶瓷材料的摩擦磨损行为与机制, 为设计优化陶瓷材料、提高陶瓷零部件服役性能提供理论基础。数值模拟方法在求解陶瓷摩擦学问题方面具有成本低、周期短、效率高等优点, 已成为研究陶瓷摩擦磨损行为与机制的重要手段。然而, 目前关于陶瓷摩擦磨损的数值模拟研究大多孤立分散, 模拟方法尚缺少系统归纳和总结。本文将陶瓷摩擦磨损数值模拟分为有限元模拟、分子动力学模拟和离散元模拟3类, 阐述了各类模拟方法的适用场景、研究现状和局限性, 进而从多尺度、多场和多方法耦合以及人工智能辅助方面, 提出了陶瓷摩擦磨损数值模拟的未来发展趋势。
水下甲烷及其他燃料气体的捕获、输运与收集在当前全球环境与能源危机中扮演着至关重要的角色。甲烷作为温室气体, 使气候变暖的能力是二氧化碳的25倍, 因此水下甲烷的泄露不仅加剧全球变暖, 对地球健康构成严重威胁, 也阻碍了中国“双碳”目标的实现。水下燃料气体资源在近海区域广泛分布, 通过有效的界面调控技术手段捕获、输运并收集水下甲烷气泡, 既能缓解温室效应, 助力气候改善, 又能开发新型能源供给方案, 为全球能源危机的解决提供新思路。该文分析了捕获、输运与收集气泡过程中存在的问题, 从气泡捕获的基本原理与方法、气泡的输运方式、气泡一体化收集方法、气膜稳定性及流固界面减阻等方面进行了综述, 总结了捕获、输运与收集气泡过程中存在的挑战, 并给出合理建议。未来的技术突破将集中在设备小型化、集成化和智能化方面, 可借助微流控技术、智能界面控制系统和新材料, 实现更加高效的气泡捕获—输运—收集一体化操作。
化学机械抛光(CMP)技术利用纳米颗粒机械磨削作用与抛光液化学作用的有效结合, 为互连结构不间断的层层堆叠提供可能性。随着集成电路制造技术发展到7 nm及以下节点, 金属钴因其较低的平均电子自由程和出色的沉积性能, 已在后段制程(back-end-of-line, BEOL)中成为代替铜最有潜力的新型互连材料。在钴互连异质结构晶圆CMP过程中, 实现互连层钴与阻挡层钛的去除选择性及晶圆全局平坦化是首要解决的关键问题。该文探讨了互连结构中钴和钛在CMP过程中的去除机制, 并通过电化学测试、静态腐蚀及纳米划痕等多种实验手段, 分析了含不同数量氨基和羧基决定性官能团的络合剂对钴和钛去除选择性的影响。结果表明, 钴的去除主要依赖于化学腐蚀和腐蚀促进机械磨损作用, 而钛的去除则主要依赖机械磨损作用。含氨基基团的络合剂可显著提高钴的去除速率, 而钛的去除速率则可通过增加磨料质量分数得到增强。基于大量实验, 构建了决定性官能团数据库, 提出了钴和钛异质结构去除选择性的调控策略, 并通过图形晶圆验证了有效性, 确定了两道抛光的最佳工艺参数。该成果为抛光工艺优化提供了理论支撑, 对先进集成电路中的多层互连结构平坦化具有重要指导意义。
导电滑环是航空航天、深海探测、医疗器械等领域高端装备的重要零部件, 其电接触稳定性显著影响设备运行的寿命与稳定性。烧蚀坑作为导电滑环电接触稳定性下降的重要结构特征, 对于导电滑环电接触稳定性的影响规律与机理尚未揭示清楚。该文主要开展了实验研究, 通过微纳材料力学表征与形貌分析, 证明烧蚀坑导致导电滑环表面形貌与力学特性发生一定变化, 但宏观接触面积未发生显著变化。结合导电原子力显微镜(C-AFM)技术和元素分析发现, 烧蚀过程的表面材料变化会导致与磨痕区相比, 烧蚀坑内环区黏附力降低和导电性升高, 烧蚀坑外缘区黏附力升高而导电性降低了2个数量级。烧蚀坑外缘区导电性显著下降、烧蚀坑区域微纳尺度导电性和界面黏附的波动是烧蚀坑局部电接触稳定性降低的重要原因。研究结果对理解烧蚀坑对导电滑环电接触稳定性的影响机理具有重要理论意义。
利用亲/疏水图案化基底限域吸附液体生成液滴微阵列的方法比传统微注射方法具有高效率的优势, 然而由于限域吸附过程涉及三相接触线钉扎、滑移的跨尺度动力学问题, 且吸附液滴边缘接触角极小、蒸发损失效应显著, 导致无论是通过理论还是基于实验都难以定量获取限域吸附液滴最大高度。该文首先通过相场动力学和润滑近似方法分别对亲/疏水图案化基底限域吸附液体过程进行了数值建模, 然后基于测量限域吸附溶液干燥后固体残留形貌的方法对限域吸附液滴最大高度进行了实验研究, 最后对比了理论和实验结果。研究结果表明, 2种数值建模方法均能模拟出限域吸附动力学过程的基本特征, 但相场动力学方法能够更准确地描述亲水区域吸附液滴最大高度随毛细数的变化规律, 有望用于指导液滴微阵列中液滴最大高度的精准调控。
二硫化钼(MoS2)薄膜是一种性能优异的润滑材料, 但在高温条件下容易氧化成MoO3, 极大降低润滑性能。为提高MoS2薄膜的力学性能和高温摩擦学性能, 该文采用直流磁控和高功率脉冲复合溅射技术制备了掺杂非晶碳的MoS2-C复合薄膜, 并研究了非晶碳掺杂及含量对MoS2薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明：MoS2-C复合薄膜表现出(002)晶面的择优取向, 非晶碳的掺入使其具有致密的结构, 同时呈现较低的表面粗糙度。掺杂合适含量非晶碳的MoS2-C复合薄膜纳米硬度和弹性模量分别达到5.50和82.53 GPa; 膜基结合力达到8.30 N, 约为纯MoS2薄膜的3.6倍。MoS2及MoS2-C复合薄膜在室温下的摩擦学性能表现不佳, 这主要是由于空气水分子对摩擦界面MoS2层间的侵入和氧化。MoS2-C复合薄膜在真空环境下的摩擦学性能得到提升, 主要是由于隔绝了氧气的侵蚀。100~300 ℃高温条件下, MoS2-C复合薄膜摩擦系数低于纯MoS2薄膜。特别在300 ℃下, 纯MoS2薄膜迅速发生失效, MoS2-C复合薄膜仍具有较低的摩擦系数和较长的磨损寿命, 这主要是由于碳的掺入有效抑制了MoS2在高温环境下的氧化, 从而提升了薄膜在高温环境下的耐磨性和承载能力。
水润滑尾轴承在低速和重载工况条件下容易产生严重磨损与表面微缺陷。通过使用自修复微胶囊作为填料, 赋予复合材料内部微缺陷的自修复能力, 可以改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)水润滑尾轴承的使役性能。联用Pickering法与原位聚合法来制备含有活性异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)的自修复微胶囊, 以硅烷交联改性UHMWPE来制备含自修复微胶囊的UHMWPE复合材料, 探究不同的自修复微胶囊添加量对复合材料的机械性能、摩擦学性能及自修复性能的影响。测试结果表明：微胶囊的加入降低了复合材料的机械性能和摩擦学性能, 微胶囊含量越高这2种性能下降越多。与此同时随着微胶囊含量的提升, 复合材料自修复性能越好。综合考虑自修复微胶囊含量对复合材料的这3种性能的影响, 当微胶囊含量达到10%时复合材料的综合性能达到最佳, 为设计优异使役性能的新型水润滑轴承材料提供了参考。
采用绿色环保的水基润滑剂代替易造成环境污染的油基润滑剂, 是实现绿色摩擦学的有效方法之一。然而, 水基润滑剂普遍存在黏度低、易腐蚀、润滑效果差等问题。该文通过合理的分子结构设计, 将聚合物链式增黏结构与质子型离子液体润滑结构相结合, 制备了具有一定抗腐蚀性能、优异增黏和润滑性能的质子型聚离子液体(PPILs)水基润滑添加剂PPD-N。借助SRV-V微动摩擦磨损试验机和全自动真彩共聚焦显微镜表征了不同温度条件下PPD-N的减摩抗磨性能; 采用扫描电子显微镜(SEM)考察了磨斑的表面微观形貌; 通过光干涉法研究了PPD-N在弹性流体动力润滑状态(EHL)下的润滑性能; 利用X射线光电子能谱(XPS)和飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)对添加剂的润滑机理进行了研究。结果表明：PPD-N不仅能显著提高水基润滑液的黏度, 还能有效抑制铸铁在水中的腐蚀。与商用增黏剂Koreox W55000相比, 含有6%质量分数PPD-N的水基润滑液的摩擦系数和磨损体积可分别降低约75%和60%。EHL测试结果表明PPD-N水溶液在界面处的薄膜厚度随着滚动速度的增加而增大, 接触区域中心膜厚和润滑剂出口处的最小膜厚均显著高于去离子水。在边界润滑状态下, PPD-N能在摩擦界面处形成吸附膜和摩擦化学反应膜, 两者协同作用, 显著提高了水基润滑液的摩擦学性能。PPD-N不含磷、硫和卤素, 合成简单, 绿色环保, 有望作为难燃液压液和水基全合成金属加工液的增黏、润滑添加剂使用。
控制力矩陀螺(CMG)是重要的空间执行机构, 受柔性转子和外框架耦合运动影响, 高速轴承容易因滚动体异常滑动发生润滑失效和磨损, 引起CMG微振动。为揭示CMG高速滚动体空间运动特性, 该文考虑轴承接触与润滑状态、柔性转子、框架-轴承-转子耦合效应等因素, 基于有限单元法建立了CMG非线性动力学模型, 分析了转子柔性特征对CMG高速滚动体接触与空间运动特性的影响, 进一步搭建了CMG高速滚动体运动原位测量实验台, 基于双目视觉技术实现了滚动体空间运动测量, 验证了CMG动力学模型的正确性。研究表明, 转子柔性会改变径向力和力矩的分布, 影响滚动体的接触行为, 减小滚动体俯仰角, 增大滚动体与内滚道的旋滚比。
为深入理解抛光过程中抛光垫纤维结构、抛光液与工件间的相互作用机制, 该文构建了一种流-固耦合分析框架。通过综合实验验证与数值建模两大路径, 系统评估了有序平纹和无序非织造布抛光垫在抛光效能上的差异。针对熔融石英材料的超精密加工需求, 特制了一种绿色环保的抛光液, 其配方融合了氧化铈磨料、过氧化氢及瓜尔胶成分, 并在不同纹理的抛光垫(平纹与非织造布)上进行了应用测试。实验结果显示, 采用非织造布抛光垫的抛光后表面粗糙度Sa低至0.181 nm, 显著优于平纹抛光垫的0.486 nm; 同时, 前者导致的亚表面损伤层厚度也大幅减少至4.14 nm, 仅为后者的1/3(约12.12 nm)。进一步, 流-固耦合模型分析揭示, 非织造抛光垫在抛光过程中展现出更为均匀的纤维应力分布, 最大应力值仅约0.5 MPa, 远低于平纹抛光垫的6 MPa; 此外, 抛光液中的应力分布也趋于均匀, 这一特性优化了整体抛光系统内应力的传递与扩散效率, 促进了材料的均匀去除。综上所述, 本文不仅从实验与数值双重维度凸显了无序非织造抛光系统在熔融石英超精密加工领域的优越性, 更为纤维集合体抛光垫、抛光液与工件间复杂抛光系统的分析、设计乃至制造实践开辟了新的思路与方法。
轴承复合故障严重影响设备的可靠性和使用寿命。为研究滚动轴承复合故障特性变化规律, 本文基于ANSYS workbench, 建立了角接触球轴承复合故障动力学仿真模型, 研究了不同转速下复合故障轴承的动态响应规律; 提出一种基于优化变分模态分解(VMD)的复合轴承故障特征识别方法, 能有效消除噪声对轴承故障特征提取产生的干扰。采用改进的北方苍鹰寻优算法对VMD的参数进行自适应寻参, 在确定最佳参数后对振动信号进行变分模态分解, 基于最大峭度原则对本征模态函数(IMF)进行信号重构后做频谱分析。研究结果表明：复合缺陷对滚动体和外圈的接触应力分布影响显著, 等效应力主要集中在凹坑缺陷的边缘; 滚动体通过外圈缺陷时会导致轴承内部局部的应力集中和释放, 应力会下降。改进的北方苍鹰寻优算法优化过的VMD可以有效提取轴承中的复合故障特征频率成分, 频率峰值清晰地对应了理论计算的故障频率, 准确率高于其他广泛使用的特征提取方法。
石英摆片两侧金镀膜的应力及其对称性直接影响石英挠性加速度计的零位和精度, 应力分布的建模仿真与原位测量表征显得尤为重要。该文建立了石英摆片的有限元模型, 计算了石英摆片的基本模态, 分析了石英摆片两侧应力差值对摆片变形及电容的影响规律, 建立了摆片的应力-应变-位移-电容的变化关系。提出了一种基于电容法的非接触式应变测量方法, 搭建了基于AD7747芯片的飞法级多通道测量装置, 实现了20 nm级微小变形测量。该研究为石英摆片微小变形及其复杂环境条件下的原位检测提供了高精度有效测量方法。
高端装备制造业经历从传统手工制造到数字智能制造的转型, 推动了制造精度的提升。在航空航天、半导体制造等领域, 对高端装备核心零部件的可靠性与耐用性要求日益增加, 因此摩擦引起的微观缺陷成为重要研究方向。摩擦微观缺陷是指材料微观结构中的细微变化, 包括微裂纹和由摩擦引起的相变等, 这些微观缺陷在正常条件下可能不易察觉, 但其累积效应会对整体性能产生显著影响, 但目前缺乏针对摩擦微观缺陷影响半导体发光特性的系统研究。利用机械剥离法制备无缺陷的单层二硫化钼(MoS2)材料, 并通过原子力显微镜引入摩擦微观缺陷, 随后使用光致发光光谱和Raman显微镜对其光学特性进行了表征。实验结果显示, 摩擦微观缺陷引入了新的缺陷能级, 导致发光强度下降和激子寿命缩短。同时, 在低温条件下, 缺陷峰逐渐主导光致发光特征, 表明摩擦微观缺陷显著影响材料的光学性能。这项研究为优化光电子器件提供了理论依据, 并强调了对缺陷控制的重要性, 以提升高端装备零件的性能和效率。
聚合物材料在摩擦设计上具有广泛的应用。对聚合物进行改性, 增强聚合物表面与水合离子的结合能力, 利用水合效应减小摩擦是聚合物摩擦副减摩设计的重要手段。但聚合物材料的弹性模量通常比较低, 对这种低弹性模量材料在水合效应作用下的接触情况, 目前还没有构建出很好的数值模型。该文构建了考虑水合效应的低弹性模量聚合物材料接触数值模型, 分析了表面力和弹性模量对接触状态的影响。发现低弹性模量材料接触压力小, 接触区域的各处分布压力可能完全由水合层承担, 形成纳米级间隙。研究还表明, 表面形貌对低弹性模量下考虑表面力的接触计算结果影响较小, 对高弹性模量下的则影响较大。此外, 弹性模量对模型收敛性有显著影响, 低模量情况下收敛难度显著增加。该成果为后续聚合物材料在表面力作用下的混合润滑数值计算研究奠定了基础。
近年来随着国家对火星和金星等相关星系深空探测战略的实施, 开发特殊环境如CO2气氛中的重载超滑技术具有重要的研究意义。该文以高硬度低含氢碳膜和低硬度纳米银掺杂改性二硫化物薄膜构成的异质界面摩擦副为研究对象, 探究该体系的力学特性、纳米结构和摩擦学行为。重点分析了在0~3.2 GPa宽载荷域内GLCH/WS2-Ag和SUJ2/WS2-Ag润滑系统的宏观超滑行为及影响因素。基于接触界面摩擦层的表面形貌与纳米结构表征, 揭示了滑动区域应力诱导类石墨烯纳米转移膜和WS2剪切层的形成规律, 阐释了接触界面原位形成的多相有序化摩擦膜对润滑系统超高压超滑构筑的作用机理。
