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超薄纳米薄膜的划痕硬度评价方法及应用

深圳大学学报（理工版） 2019年第5期36卷 510-518页

作者：范雪刁东风深圳大学纳米表面科学与工程研究所广东深圳518060 广东省微纳光机电工程重点实验室广东深圳518060

纳米压痕是一种常用的薄膜硬度评价方法.然而,当薄膜厚度<10 nm时,该方法难以去除基体对薄膜硬度的影响,因而无法获得薄膜自身的硬度,限制了纳米结构与硬度之间关系的认知,阻碍了超薄纳米结构薄膜的应用.本研究提出一种基于纳米压痕硬... 详细信息

纳米压痕是一种常用的薄膜硬度评价方法.然而,当薄膜厚度<10 nm时,该方法难以去除基体对薄膜硬度的影响,因而无法获得薄膜自身的硬度,限制了纳米结构与硬度之间关系的认知,阻碍了超薄纳米结构薄膜的应用.本研究提出一种基于纳米压痕硬度标定下的纳米划痕硬度评价方法,并将其应用于纳米结构碳膜的硬度研究.首先,利用自行设计搭建的纳米刻划装置,通过对比碳膜在纳米划痕和纳米压痕方法下的残余变形深度,分析不受基体影响的临界薄膜厚度,得到纳米划痕深度不受基体影响的临界薄膜厚度.其次,采用压头形状等效接触模型,利用划痕的残余顶角、宽度和深度,通过计算压头前端的接触压力分布得到硅基体的纳米划痕硬度,与纳米压痕硬度标定结果一致.最后,将纳米划痕硬度方法应用在电子回旋共振等离子体溅射方法制备的3种不同纳米结构碳膜上,得到交联结构碳膜和非晶碳膜的硬度分别约为19.1 GPa和14.6 GPa,高于硅基体11.2 GPa的硬度,而石墨烯嵌入式碳膜的硬度约为2.7 GPa.分析不同纳米结构碳膜的刻划机理表明,在sp 2含量较高的纳米结构碳膜中,sp 3含量并不是决定碳膜力学特性的唯一因素,小尺度、多石墨烯层间交联结构能够有效增加层间的剪切强度,薄膜展现出较好的耐刻划特性.研究结果有助于进一步拓展纳米划痕方法的应用,也为不同纳米结构碳膜的应用提供了理论基础.

关键词：测试计量技术及仪器纳米划痕纳米压痕硬度碳膜纳米结构

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沙尘粒子对轮-铲摩擦学系统的侵入机制分析

摩擦学学报 2008年第2期28卷 184-188页

作者：武通海刁东风西安交通大学现代设计及轴承转子系统教育部重点实验室陕西西安710049

以自动取款机的轮-铲摩擦学系统为研究对象,建立了无黏着刚性接触条件下理想球形粒子侵入轮-铲摩擦学系统的静力学计算模型;分析了单个粒子在完整侵入过程中所受的侵入力及其临界侵入条件和侵入运动方式;进一步探讨了粒子在黏着摩擦作... 详细信息

以自动取款机的轮-铲摩擦学系统为研究对象,建立了无黏着刚性接触条件下理想球形粒子侵入轮-铲摩擦学系统的静力学计算模型;分析了单个粒子在完整侵入过程中所受的侵入力及其临界侵入条件和侵入运动方式;进一步探讨了粒子在黏着摩擦作用下的侵入条件.结果表明:在无黏着刚性接触条件下,粒子侵入与否仅取决于初始侵入位置;在不同界面条件下,不同粒径粒子的侵入以滚滑运动为主,纯滚动只发生在临界侵入曲线所确定的运动轨迹上;在黏着摩擦作用下,粒子的侵入由表征摩擦副材料和粒子的粒径2个组合特征因子共同决定.

关键词：轮-铲摩擦学系统粒子高聚物形态图

自动取款机摩擦学系统在沙尘环境中的磨损特性研究

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摩擦学学报 2005年第5期25卷 466-469页

作者：武通海刁东风谢友柏西安交通大学润滑理论及轴承研究所陕西西安710049

模拟塔克拉玛干沙漠的沙尘环境,对(ATM)自动取款机摩擦学系统进行了磨损试验,分析了聚酰亚胺(P I)和聚萘二甲酸乙二酯(PEN)高聚物薄带在3种载荷以及有无纸币基体情况下的沙尘磨损性能和机理.结果表明:P I薄带的抗沙尘磨损能力较PEN薄带... 详细信息

模拟塔克拉玛干沙漠的沙尘环境,对(ATM)自动取款机摩擦学系统进行了磨损试验,分析了聚酰亚胺(P I)和聚萘二甲酸乙二酯(PEN)高聚物薄带在3种载荷以及有无纸币基体情况下的沙尘磨损性能和机理.结果表明:P I薄带的抗沙尘磨损能力较PEN薄带强;纸币基体可以改善PEN薄带的抗沙尘磨损能力;P I薄带的磨损机理表现为剧烈的刨削磨损,PEN薄带则表现为微犁沟和疲劳剥落.

关键词：自动取款机摩擦学系统薄带磨损性能

表面纹理磁盘滑动接触的温度和应力及退磁临界条件的研究

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摩擦学学报 2006年第5期26卷 461-466页

作者：刘金依刁东风谢友柏西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室陕西西安710049

采用应力场和温度场耦合的有限元方法,计算磁头/磁盘滑动接触下铝基磁盘磁层内瞬态温度场和应力场及退磁临界条件,分析接触压力、滑动速度、摩擦系数以及磁盘表面纹理对磁层内最大摩擦温升值和最大应力值的影响.结果表明:波形纹理表面... 详细信息

采用应力场和温度场耦合的有限元方法,计算磁头/磁盘滑动接触下铝基磁盘磁层内瞬态温度场和应力场及退磁临界条件,分析接触压力、滑动速度、摩擦系数以及磁盘表面纹理对磁层内最大摩擦温升值和最大应力值的影响.结果表明:波形纹理表面瞬间滑动接触所产生的温度分布呈波形特征,表面纹理越尖锐,磁层内的温度和应力越大;滑动速度对磁层内温度的影响大于对应力的影响;当磁层最大应力小于1.2 GPa时,所对应的速度和压力为安全工况;当温升大于180 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.

关键词：硬盘磁头/磁盘滑动接触表面纹理退磁

PEN薄带在沙尘环境中磨粒磨损分形特征研究

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摩擦学学报 2006年第3期26卷 279-283页

作者：武通海刁东风谢友柏西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室陕西西安710049

选取聚萘二甲酸乙二酯(PEN)薄带在ATM自动取款机摩擦学系统中进行了沙尘磨粒磨损试验,利用表面形貌仪以一定时间间隔测量薄带磨损形貌,采用结构函数法考察磨损形貌的分形特征,并利用扫描电子显微镜分析其磨损机理.结果表明:经过沙尘磨... 详细信息

选取聚萘二甲酸乙二酯(PEN)薄带在ATM自动取款机摩擦学系统中进行了沙尘磨粒磨损试验,利用表面形貌仪以一定时间间隔测量薄带磨损形貌,采用结构函数法考察磨损形貌的分形特征,并利用扫描电子显微镜分析其磨损机理.结果表明:经过沙尘磨粒磨损的PEN薄带表面形貌表现出二重分形特征,沙尘粒子的犁沟和切削磨损及PEN材料的微观断裂是引起大尺度和小尺度区间分形特征的主要机理.

关键词： ATM摩擦学系统沙尘薄带磨粒磨损分形

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两种高聚物薄带的沙尘磨损特性研究

润滑与密封 2006年第1期31卷 11-13页

作者：武通海刁东风谢友柏西安交通大学润滑理论与轴承研究所陕西西安710049

首次开展了ATM(Auto TellerMachine)高聚物部件在沙尘环境中的磨损研究。在实验室模拟降尘环境中使用ATM中的Tape-scraper摩擦系统,对PI(聚酰亚胺)和PEN(聚萘二甲酸乙二酯)两种高聚物薄带的磨损行为进行了研究,并利用扫描电镜对薄带的... 详细信息

首次开展了ATM(Auto TellerMachine)高聚物部件在沙尘环境中的磨损研究。在实验室模拟降尘环境中使用ATM中的Tape-scraper摩擦系统,对PI(聚酰亚胺)和PEN(聚萘二甲酸乙二酯)两种高聚物薄带的磨损行为进行了研究,并利用扫描电镜对薄带的磨损表面进行了分析。实验采用了采集自沙漠的自然沙尘。实验结果表明:PI薄带比PEN薄带表现出更优良的耐沙尘磨损性能。PEN薄带的微观磨损机理主要是纤维组织的塑性流动和拉断,而PI薄带的微观磨损机理为裂纹的萌生、扩张和块状剥落。用材料的机械变形因子可以很好地解释两种聚合物薄带的磨损特性差异。

关键词： Tape—scraper摩擦系统高聚物薄带磨损

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

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摩擦学学报 2005年第5期25卷 451-455页

作者：刘金依刁东风谢友柏西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室陕西西安710049

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时... 详细信息

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.

关键词：硬盘磁头/磁盘滑动接触有限元温度热退磁

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纳米粒子气膜承载能力研究

机械工程学报 2013年第14期49卷 51-58页

作者：刁东风杨志儒范红艳范雪西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室西安710049

利用自行研制的纳米粒子气膜承载能力测试平台,将粒径30 nm的SiO2球形纳米粒子添加到气体推力轴承中形成45μm厚纳米粒子气膜,研究不同纳米粒子体积分数对气膜承载能力的增强效果与作用机理。通过测试纳米粒子添加前后气膜承载能力和压... 详细信息

利用自行研制的纳米粒子气膜承载能力测试平台,将粒径30 nm的SiO2球形纳米粒子添加到气体推力轴承中形成45μm厚纳米粒子气膜,研究不同纳米粒子体积分数对气膜承载能力的增强效果与作用机理。通过测试纳米粒子添加前后气膜承载能力和压力的变化与气膜厚度间的关系研究纳米粒子体积分数对承载能力的影响规律。结果发现,纳米粒子气膜的承载能力随着纳米粒子体积分数的增加而逐渐增加,在纳米粒子体积分数约为0.04%时,承载能力的增加幅度最大约为20%。纳米粒子体积分数进一步增加时承载能力增加幅度开始减小。为理解这一变化规律以及纳米粒子气膜对承载能力的增强机理,使用考虑纳米粒子气膜中气体和粒子相互作用的流体力学方程计算纳米粒子气膜中的压力分布。通过计算结果与试验数据的对比,验证纳米粒子体积分数对承载能力的影响规律。提出并证实纳米粒子对气膜承载能力的增强作用,纳米粒子气膜承载能力研究结果对纳米粒子气膜润滑新型转子轴承系统的设计具有工程意义。

关键词：纳米粒子体积分数纳米粒子气膜承载能力压力

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基片偏压对MCECR溅射硬碳膜特性的影响

光子学报 2005年第5期34卷 734-736页

作者：蔡长龙刁东风三宅正司松本武西安工业学院光电工程学院西安710032 西安交通大学机械工程学院西安710049 大阪大学熔接研究所日本大阪5670047

采用封闭式电子回旋共振(MCECR)氩等离子体溅射碳靶的方法在硅片上沉积了高质量的硬碳膜,膜层厚度约40nm. 使用X射线光电子能谱仪(XPS)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析了碳膜结构,并用POD摩擦磨损仪测试了碳膜的摩擦磨损特性,用纳... 详细信息

采用封闭式电子回旋共振(MCECR)氩等离子体溅射碳靶的方法在硅片上沉积了高质量的硬碳膜,膜层厚度约40nm. 使用X射线光电子能谱仪(XPS)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析了碳膜结构,并用POD摩擦磨损仪测试了碳膜的摩擦磨损特性,用纳米压入仪测试了碳膜的纳米硬度.详细研究了基片偏压对碳膜的结构、摩擦磨损特性以及纳米硬度的影响,得到了最佳基片偏压.

关键词： MCECR溅射硬碳膜摩擦特性纳米硬度薄膜结构