Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| DOI | 10.27162/d.cnki.gjlin.2021.000061 |
| 形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的制备与性能研究 | |
| 张帅军 | |
| 出版年 | 2021 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 吉林大学 |
| 中文摘要 | 冲蚀磨损是指材料表面遭受小而松散的流动颗粒冲击时,材料表面出现质量损失的一类磨损现象,其会降低设备的使用可靠性、缩短设备的工作寿命。据不完全统计,我国每年由于磨损造成的经济损失高达400亿元,而冲蚀磨损的占比就高达8%。冲蚀磨损不仅会造成材料磨损、能源消耗和经济损失等问题,在一些工况复杂并且对设备可靠性要求高的领域,它的危害甚至是致命的。由此可见,降低冲蚀磨损导致的危害是工程实际中亟待解决的重要课题。现阶段,为了克服冲蚀磨损问题,学者们开发出了材料改性、表面涂层、复合材料和改进设计等方案来提升材料的抗冲蚀性能。虽然上述方案已经广泛地应用于多种工业领域,但是冲蚀磨损在各领域造成的重大问题依然没有得到完美地解决。而从仿生学角度出发,进行仿生抗冲蚀研究,可以为冲蚀磨损问题提供新的解决方案。生物经历亿万年的进化,其体表生物特征早已进化出特定生存环境下的最优组合,研究生物体表的生物特征可以为制备抗冲蚀功能表面开辟出一条捷径。沙漠中风沙天气频发,生活在沙漠中的生物在长期的风沙冲蚀作用下,体表进化出了可以抵御风沙的生物特征,使沙漠生物具有优异的抗冲蚀性能,这些生物特征给材料抗冲蚀研究提供了新灵感、新借鉴。本文以生活在沙漠中的典型生物黑粗尾蝎(Parabuthus transvaalicus)和红柳(tamarisk)为生物模本,建立了形态-材料耦合仿生抗冲蚀模型;提出了大面积精确制备形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的方法,并测试了其基本性能;完成了形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面对冲蚀过程影响的数值模拟;进行了形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的冲蚀磨损试验,并揭示了形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的抗冲蚀机理。本文的主要研究内容如下:(1)形态-材料耦合仿生抗冲蚀模型的设计与优化。在课题组前期的研究基础上,对生活在沙漠中的典型动物黑粗尾蝎和典型植物红柳的抗冲蚀特性进行了深入地分析,建立了两种生物的形态-材料生物耦合抗冲蚀模型。结合耦合仿生学原理,提出了仿生模型的并行优化设计方案。根据工程实际需求,建立了一种新型的形态-材料耦合仿生抗冲蚀模型。同时,还进行了形态-材料耦合仿生抗冲蚀模型的尺寸参数设计。(2)形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的制备与基本性能测试。面对大面积、尺寸精确制备的需求,提出了形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的制备方法,该方法可以分为线切割工艺制备凹槽表面形态和电镀工艺制备凸包表面形态和异质材料两个阶段。同时,对制备出的形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面进行了镀层晶相、物相间结合力、表面形态尺寸、异质材料尺寸和镀层微观硬度与弹性模量等基本性能测试,结果表明,提出的方法可以实现形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的精确制备。(3)形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面冲蚀过程的数值模拟。对形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的冲蚀磨损过程进行了流体力学和瞬态动力学数值模拟,分析了仿生表面形态和异质材料对冲蚀磨损过程的影响。流体力学数值模拟结果表明,仿生表面形态可以改变流场分布和冲蚀粒子速度,但是单独的仿生表面形态只能在气-固两相流入射角度为20°、30°和40°时明显提升材料的抗冲蚀性能。瞬态动力学数值模拟结果表明,异质材料在不同冲蚀粒子入射角度时均可以提升材料的抗冲蚀性能,而且凸包部位异质材料的抗冲蚀性能提升效果优于平面和凹槽部位异质材料。(4)形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的冲蚀磨损试验与抗冲蚀机理分析。对制备完成的形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面进行抗冲蚀性能测试,试验结果表明,其具备良好的抗冲蚀性能,不同气-固两相流入射角度下,其对抗冲蚀性能的提升率不同,提升范围在28.88%-50.96%之间。冲蚀后表面微观形貌的分析结果表明,凹槽和凸包表面形态可以明显改变材料表面的材料损失形式,进而影响冲蚀磨损过程。同时,对形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面抗冲蚀机理进行了分析,在冲蚀粒子与材料表面接触前、接触瞬间和接触后三个阶段,其分别具有仿生表面形态改变冲蚀粒子运动状态、仿生表面形态改变冲蚀粒子入射角度、异质材料软质层降低用于表层材料冲蚀磨损能量和异质材料硬质层提升表层材料抵御局部压入或者刻划破裂性能的抗冲蚀机理。在冲蚀磨损的不同阶段,仿生表面形态和异质材料通过上述几种机理的协同作用,最终达到不同气-固两相流入射角度时均能提升材料抗冲蚀性能的效果。 |
| 中文关键词 | 冲蚀磨损 ; 耦合仿生 ; 大面积精确制备 ; 抗冲蚀 ; 功能表面 ; 数值模拟 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | TB306 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/373334 |
| 作者单位 | 吉林大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张帅军. 形态-材料耦合仿生抗冲蚀功能表面的制备与性能研究[D]. 吉林大学,2021. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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