机电性能（精选4篇）
机电性能 篇1
目前我国很多矿山企业为了能够优化资源配置, 增大企业生产规模, 都在积极的推行资源整合建设, 并在此过程中花巨资购买了大批生产机电装备, 以满足日益增长的生产需求。然而经过一段时间的运行之后, 却发现这些投入巨大成本所购置的机电生产设备并没有为企业的安全经营和生产效率提高带来太大的好处, 甚至有些还反而影响了矿山的正常生产。面对这种情况, 矿山企业应该加强管理, 积极探索导致这一现象的原因。以下笔者就集合自己的工作体会, 来对影响矿山机电装备安全性能的因素进行简单探讨。
1 专业的机电装备技术人员严重匮乏
矿山企业是一个相对较为传统的生产企业, 其中的生产技术人员大多是老员工, 其对计算机信息技术、电子技术、数字化技术以及PLC技术等先进科技的掌握和了解并不多, 然而矿山企业所用的机电装备却是由上述多种高新科技设计制造而成, 若技术人员不了解其工作原理和相关专业技术, 当机电装备出现故障问题时, 是很难及时正确的解除故障的。这样一来, 机电装备就非但能够为企业提高生产效率做出贡献, 反而还会对安全生产造成影响。
然而目前很多企业在引进先进机电装备的同时, 并没有意识到引进相关专业技术人才的重要性和必要性, 专业技术人员的严重匮乏是影响矿山机电装备安全性能正常发挥的重要因素。如机电设备在使用中不能按照正确科学的方法进行操作, 日常维护保养工作不到位, 设备出现故障时不能及时检修而是继续带病工作, 等等, 这些错误的行为都会对机电设备的安全性能带来严重影响。以矿山生产中必不可少的提升机为例, 先进的提升机是以PLC自动控制技术为主的, 在运行操作中, 一旦发生故障, 操作人员和技术维修人员都不能及时找出故障所在并进行排除, 这就会使提升机无法正常工作, 提升容器被迫停止在井中, 生产只能暂时中断, 等制造商售后维修人员到来才能继续生产, 严重影响了生产效率和生产安全性。除此之外, 一些矿山企业为了使机电设备的生产更顺利, 还将一些安全保护设施拆除掉, 这更是给机电装备带来了极大的安全威胁。
针对这一影响因素, 矿山企业领导必须要给予高度的重视, 并改进落后的管理理念, 认识到矿山企业技术部是企业正常生产的技术保障性部门, 必须要为其积极引进专业机电技术人才, 在机电设备引进之后, 还要专门聘请专家来为企业员工进行整体培训, 以以提高整个企业的业务知识水平。同时要加强监督管理, 做好机电设备的日常维修与养护, 一旦发现有问题或存在故障的机电设备, 就必须要停止运行进行改造或维修, 指导确保其处于安全正常的运行状态为止。只有在专业技术人员的保驾护航下, 才有可能保证企业机电设备的安全性能。
2 矿山机电装备质量中存在缺陷
矿山企业在选购机电装备时对相关机电装备的技术要求, 安全性能等没有形成书面的要求, 而为了节约采购成本却一味的跟供应商讲价格, 在大多数情况下谁的价格优惠采购谁的装备, 而装备供应商们为了使采购合同成交, 不惜使装备的质量和安全性能大打折扣, 这样一来就在矿山企业从装备的采购时起, 就为机电装备埋下了安全隐患。当然也有些矿山企业很重视机电装备质量和安全性能, 但他们只是听取了供应商对所采购机电装备的宣传和介绍, 没有深入调查研究, 结果采购的机电装备的质量同样不容乐观。
根据现场的调查发现这些机电装备存在的缺陷主要表现在几个方面: (1) 主要零部件的加工精度不够, 极易磨损失效。 (2) 主要承载件的强度不够, 在使用过程中出现疲劳断裂。 (3) 结构设计不合理, 设计时没有考虑现场使用情况, 在现场粉尘和淋水等干扰下极易导致机构锈蚀, 运转不灵活等故障现象。 (4) 选用的电气元件, 质量不过关遇到高温、潮湿等环境极易失效。
为了使选用的机电装备为矿山企业的安全生产做好服务工作, 我们在装备选型采购时应做到以下几点: (1) 矿山企业要着重装备质量, 所采购机电装备必须满足相关国家标准和行业标准要求, 将装备相关技术要求和安全性能用书面形式告知供应商, 并跟供应商签订技术协议, 如果装备供应商提供的装备满足不了技术协议的要求, 必须杜绝采购此装备。 (2) 矿山企业对装备质量要深入调查, 首先查看国家矿用产品安全标志网, 确定该供应商提供的装备是否合法, 其次要询问已经在用该装备的用户, 得到所选购装备的质量和供应商的服务质量。 (3) 矿山企业在机电装备到矿验收时, 要请相关方面的专家或工程技术人员以及矿山主管部门相关科室人员一同对采购的机电装备依据相关标准和签订的技术协议进行联合验收, 验收合格的机电装备方可投入使用。 (4) 矿山企业要跟机电装备供应商签订售后服务和重要零部件供应协议, 并采取有效措施确保售后服务工作及时、准确、有效的进行。
3 机电装备供应商售后服务不到位
矿山企业在机电装备的使用过程中, 因使用管理人员对装备的使用维护不当或装备自身的磨损等原因导致装备存在故障, 需要供应商提供售后服务工作时, 售后服务人员却不能及时提供服务。导致机电装备带病运行的现象经常发生, 这将严重影响矿山企业的安全生产工作。
机电装备供应商售后服务工作不及时不到位的原因主要表现在以下几点: (1) 有些给矿山企业提供新装备新技术的供应商规模小生存周期短, 等矿山企业需要服务时这些当初提供装备和技术的企业要么已经解体不存在了, 要么转型改行了, 根本提供不了售后服务工作。 (2) 有些机电装备的供应商自身不规范, 没有建立健全的售后服务保障制度, 等矿山企业需要服务时临时抱佛脚, 很难给矿山企业提供及时准确有效的服务。
为此矿山企业在选择和采购机电设备时, 一定要选择正规大型的厂家, 并且要调查该生产厂家的售后服务质量水平, 订立一定的售后维修合同, 以尽可能的保证机电装备的售后服务到位。
结束语
综上所述, 矿山企业在改革整合的过程中, 应该要紧跟时代潮流, 加强技术力量建设, 积极引进专业技术人才, 严格把关机电设备的采购质量, 注重厂家的售后服务质量, 确保机电装备能够在矿山企业中长期、稳定、安全的生产运行。
参考文献
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[2]周多慧, 冯德清.煤矿机电管理与安全生产[J], 科技信息, 2009 (19) .
机电性能 篇2
1对一般的继电器触点，应能接通和断开电压不大于250V的直流有感负荷电路(电路的时间常数一般取为5ms，直接出口跳闸继电器取为40±5ms)和电压不大于250V的交流电路(电路的功率因数为0.4±0.1)，触点的额定负载根据使用的要求从下列数值中选取：
触点长期允许通过电流：5;2;0.5A(交流为有效值)。
触点允许断开功率直流：50;20W。交流：500;250VA。
触点允许闭合电流：5;2;0.5A。
强力触点的分流，接通和分流、断开的触点开闭能力在具体的产品技术条件中规定。
2继电器的触点应具有短时承受过载的能力，经过载后的触点仍应维持正常的工作特性，
若无特殊规定，触点应能五次可靠闭合与断开产品技术条件所规定的开闭能力的1.5倍，此后触点无损坏，符合要求。
3触点的接触电阻及机械调整参数--触点间隙、触点超行程、触点压力、如有特殊要求，应在产品技术条件中规定。如无特殊要求，触点间隙应不小于1.5mm，触点超行程应不小于0.5mm。
4继电器的过渡转换触点应能可靠地工作，保证在触点转换过程中电流互感器的电路不致断开。
5带有信号牌及信号触点的继电器，其信号触点的开断与闭合能力及特性，应符合信号继电器触点的有关规定。
6装有多对触点的继电器，应妥善调整，保证各触点接触可靠与触点动作的同时性，触点的动作不应有肉眼能分辨出的先后。
7触点的动作与返回应干脆可靠，在动作与返回过程中，应尽量消除或减轻触点的回跳现象，不允许因回跳而影响下一级电路的正常工作。
机电性能 篇3
关键词：选煤厂,机电设备,拆卸,回收,分析
现在我国的大多数选煤厂都已经采用了先进的工艺及一些新型选煤设备, 提高煤质及其产量的同时, 也大大降低了生产成本。在维修机电设备时, 有些设备中的零部件是可以回收并且再次利用的, 怎样经济的回收利用, 这已经受到一些选煤企业的相当重视。当前, 有些选煤企业仍然对零部件的回收及再次利用得不到重视, 或者说就根本就没有这方面的研究措施, 这样也造成了不少车间对一些存在问题的设备随便拆卸, 然后用比较低的价格买到废品回收站, 使得一些还能再次利用的零部件及材料造成了浪费, 造成了财务上的损失。所以说, 选煤企业自身必须要加强机电设备中材料及零部件的拆卸管理, 然后利用一些技术手段进行材料及零部件的回收管理, 使得选煤企业能够控制成本, 节约资源, 获得一定的经济效益。
一、选煤厂机电设备的拆卸与回收中存在的一些问题
1、机电设备拆卸中存在的问题。
设备的拆卸是将一些老旧、淘汰的机电设备及零部件的连接按照需要及回收的目标拆开, 并且将零部件分离的一个过程。回收的基础就是拆卸, 一个比较好的拆卸过程能够将废弃的机电设备中仍然可以使用的零部件完好无损地保存下来, 然后进行回收再次利用, 这样, 企业就能节省出一部分的零部件购置开支, 而且这也提高了设备本身的利用率。当前, 选煤企业中还是存在很多的乱拆现象, 而且现象较为普遍。在企业中, 有一些机电设备一旦出现故障, 我们的技术人员没有对发生故障的设备中能够接着使用的一些零部件分析, 而选择了直接拆卸, 并且在拆卸过程中, 工作人员也没有选择合理的拆卸设备方式, 虽然节省了大量的时间, 但是仓促的拆卸也导致许多能够再次利用的零部件在拆卸过程中发生了一些不能恢复的损害, 也导致零部件发生了破损, 最终导致了回收利用过程的失败。
2、机电设备回收中存在的问题。
机电设备的回收是指把设备中的一些完好的零部件及一些能够再次使用的零部件, 还有一些不能回收利用的报废零部件, 把这些零部件按照一定的属性进行分类, 这样就能实现可以使用的零部件进行再次使用以及报废零部件用在他处, 或者说回炉制作出其他的一些新产品, 这就是回收的过程。回收是建立在拆卸的基础上, 将设备的零部件进一步分类使用, 合理准确的分类, 能够使得一些完好的零部件进行再次利用, 将资源优化的配置, 大大降低了选煤企业的采购成本, 而且设备上拆卸下来被真正淘汰的零部件也能够进行改造用作别的用途。就现在的情况来看, 有很多选煤企业的回收工作都只是一道表明存在的工作流程, 没有得到有关部门对其的重视。这样就造成了机电设备零部件的利用率大大降低, 也造成生产上巨大的浪费。这不单单是选煤企业浪费了资源, 也造成了国家资源的浪费。
二、选煤厂机电设备拆卸与回收的管理
1、选煤设备的拆卸方式。
(1) 将要换的老旧设备从上至下进行拆卸, 也就是完全的拆卸, 把机电设备拆分为一个一个的单独零部件。这种拆卸方式常见于选煤厂进行技术改造而要淘汰的老旧设备进行彻底拆除来安装新型设备。 (2) 部分的拆卸选煤机电设备。通常我们的工作人员在进行机电设备的日常维修中会使用部分的拆卸设备。 (3) 特定目标设备的零部件拆卸。这种拆卸方式是要把设备上的某个零部件拆卸下来后安装到另外的设备上进行使用, 也或者是对设备上的零部件进行更换。
2、对拆卸下来的机电设备的回收方式。
我们在对已经拆卸机电设备的回收方式有这么几种类型:回收的零部件直接进行再次使用, 比如电动机及减速机等设备;一些磨损的零件回收以后进行修复检查后再进行重复使用, 比如十字联轴节等;重新处理的零部件应用在设备中;回收的零部件在设备维修当中进行使用, 比如斗提机提升斗子等;那些不能够进行再次使用的报废零部件进行回收集中, 然后回炉锻造或者直接卖给废品回收站, 比如那些磨损非常严重的管道等设备。对于不能回收的废物要进行集中收集处理, 避免污染环境的现象发生。
3、拆卸与回收要遵循的基本原则。
(1) 选煤厂的机电设备拆卸的基本原则:保证机电设备拆卸的材料、零部件能够最大限度的使用, 设备的拆卸过程中, 工作人员一定要注意拆卸的顺序以及完整度, 使得能够进行再次使用的零部件在拆卸的过程中尽量的不受到损伤, 在再次使用中能够获得比较好的经济效益, 拆卸下来没有使用价值能够完全淘汰的零部件再按照废旧钢材进行报废处理。 (2) 选煤厂机电设备回收的基本原则:第一, 在拆卸前, 一定要组织技术人员对要拆卸的设备进行全面准确的价值评估;第二, 将要拆卸的机电设备必须进行拆卸费用预算, 拆卸费用包括拆卸时的耗时预算、拆卸方式的预算、拆卸路径不同而产生的不同费用预算;第三, 在拆卸前, 必须要对拆卸的设备进行全面系统的检查, 这样就能分辨出可以使用的零件以及要报废的零件, 最后在进行分类处理, 而且零部件的回收必须要考虑到回收成本与再次利用的对比价值, 看零部件是否有回收利用的价值;最后, 无法彻底回收的零部件设备要进行全面清理, 避免造成环境的污染。
4、在对设备修理以及更新的过程中, 必须要根据拆卸设备来确定需维修或更换零部件及部位计算出拆卸费用, 并且确定出拆卸及回收利用的方式。
其次, 必须要提前确定好修理部门以及拆卸单位, 拆卸下来的零部件必须整齐地进行分类存放。在设备更新和设备报废时, 要确定设备的拆卸方法, 确定零部件回收和报废项目。拆卸后交设备管理库房;并且对于报废的材料要尽量的进行自我处理, 避免一些零部件在拆卸中变成废钢材, 从而产生的不必要浪费。在拆卸设备的过程中, 一定要注意拆卸人员的安全, 保护设备的拆卸安全以及人员发生安全事故。最后, 建立起设备及配件库房零部件交旧领新的制度, 回收起旧零部件。
选煤厂的机电设备在进行安装工作时有这两种情况: (1) 安装不拆卸式设备, 这种设备属于一次性安装, 比如大型跳汰机, 它的机体全部用焊接方法连接, 不可进行拆卸。如此这种设备被淘汰, 我们用三产品旋流器选煤设备来代替大型跳汰机, 这给拆卸及回收的工作带来非常大的困难, 即使有计划地分段拆卸, 也会产生废弃物, 造成不应有的损失。 (2) 零配件、槽体、部件、电气设备都是用螺栓分节、分部件连接安装, 如大型斗子提升机、振动筛等, 有利于设备的维护修理有利于设备零部件的同收.可节约拆卸时间和拆卸费用。
1、影响拆卸及回收的因素。
选煤厂机电设备在拆除中遇到的影响因素有这么几种: (1) 拆卸时间, 拆卸设备所花费的时间越长, 那么该设备的拆卸也就越困难, 相应的拆卸费用也要增加很多。拆卸时间包括基本拆卸及辅助拆卸所花费的时间, 基本拆卸时间是拆卸零部件及搬运所花费的时间, 辅助拆卸时间则是组织安排以及准备拆卸工具等所花费的时间。拆卸时间指的是实际拆卸完设备花费的时间。
2、拆卸设备的方式, 机电设备的组装连接形式有3种:
螺栓固定、用焊接固定、黏结固定。因此, 在选择机电设备拆卸的方式有两种:一种方法是将螺栓全部松开, 进行零部件的分离。但有些设备在安装后螺栓就没有松动过。紧固的时间比较长, 螺栓与螺母锈蚀, 用扳手不能直接松开, 我们就需要加润滑油或借助氧气烤, 再用锤头敲开螺栓, 如果还不能松开则用氧气割掉螺栓。另一种方式是使用氧气割开原焊接连接件。
3、拆卸路径。
如果整台的机电设备需要淘汰报废, 或者需要维修机电设备, 我们就要对机电设备进行拆卸。这个时候, 设备拆卸的路径就非常的重要, 要选择比较经济并且安全可靠的拆卸路径。工作人员可以根据拆卸的设备以及其连接状态, 选择回收价值最大的拆卸路径。
4、拆卸回收的经济性。
在进行拆卸废旧的机电设备, 然后进行回收时, 所发生的每个环节都与经济性有着密切的关系。比如, 山东省某公司原料车间员工将几台废旧设备经过巧手组装, 使它们获得了重新“上岗”的机会, 节创价值万余元。作为担负原燃物料输送工作的原料车间, 共有18条皮带输送机, 在物料输送过程中, 皮带机上的电磁离合器和辅材取料机上的电液制动器极易损坏, 更换频繁, 造成车间成本上升。工作人员看着一堆更换下来被废弃设备动起了脑筋。能否将这些损坏的设备零件拆卸重新利用呢?于是, 他们利用工余时间对废旧设备进行了拆卸检查, 发现有些零件是完好的可以使用, 并且几个备件损坏的零件都不一样。经过一周的努力, 他们将所有的零件全部拆卸, 重新组装。仅节约备件采购费用就达万余元。
5、拆卸经济性的分析。
(1) 拆卸费用的计算。拆卸费用可以用这个公式来进行计算:总回收费用=拆卸费用+破碎费用+材料再生费用+倾倒费用。其中, 拆卸费用包括人工费用、机械费用、辅助费用;破碎费用为废弃设备重量乘以单位重量的破碎成本;材料再生费用为某种类型材料重量乘以该材料单位重量的再生费用;倾倒费用为废弃物总重乘以单位重量同体废物倾倒成本。 (2) 拆卸回收机电设备的过程总效益计算。拆卸以及回收机电设备的过程总效益可以用这个公式来表示:总回收效益=旧的零部件收益+回收材料收益+节约能源收益+减少排放收益。 (3) 纯收益=总回收效益一总回收费用。
四、结语
在新技术、新设备的更新使用中, 我们不仅要看到这些新技术所带来的经济效益, 还要能考虑到旧的一些机电设备在拆卸时所能再次利用的一些零部件, 我们把旧的零部件充分利用起来, 一方面提高了选煤企业的管理水平, 另外一方面来说, 也提高了企业的经济效益, 实现了资源的最大化利用。
参考文献
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[5]马新民.矿山机械[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.
机电性能 篇4
微机电系统(MEMS)通常是由机械、电子、光学及其它功能元件集成在单片或多片芯片材料上以制造毫米以下尺寸的机电一体化系统为主的智能系统[1,2]。由于MEMS具有尺度小、质量轻、能耗低、可靠性高、功能强等特点,目前开发的微机械臂、微阀、微泵、微涡轮机以及具有各种功能的微机器人,已在生物、医学、环境、航空航天、农业、工业和军事等领域得到 广泛的应 用[3,4]。但随着特 征尺度的 显著减小,微机电系统的表面积和体积之比相对增大,表面效应大大增强,在普通机械中被忽略了的表面 力此时将 起主导作 用,由此引起的摩擦磨损、表面粘附等问题成为制约MEMS发展的瓶颈[5]。
为改善MEMS功能表面摩擦特性,减小摩擦、降低磨损从而延长微电子机械中运动部件的工作寿命并提高其运行可靠性的关键在于作用于摩擦副表面的润滑材料[6],现有的润滑材料难以满足高精度、小尺寸以及更为苛刻的工况条件的需求,而只有1个碳原子层的石墨烯具有特殊的吸引力。 石墨烯(Graphene)是一种由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质,具有独特的二维纳米结构,且结构非常稳定的新型碳材料[7,8],因此,研究石墨烯力学性能及其在接触部件中不同尺度摩擦学性能对于今后在制备石墨烯器件和结构方面具有非常重要的意义。
1石墨烯在力学性能方面的研究现状
石墨烯在力学性能方面所表现出来的特异性,已有很多人通过试验和理论模拟的方法分别对石墨烯的杨氏模量和泊松比进行了研究,如表1所示[9,10,11,12,13]。Faccio等[13]利用密度泛函理论中的GGA-PBE近似研究了石墨烯纳米带的结构和力学性能,计算获得的杨氏模量要比前期研究的石墨和碳纳米管的高,研究还发现C-C键边缘处的几何结构重建使得这种纳米结构变硬,且这种电子结构特征对于线性弹性范围的应变并不敏感。基于前人在分子动力学和量子力学方法对石墨烯力学性能研究的基础上,Hao等[14]又利用量子力学和量子分子动力学方法分别对锯齿形和扶手椅形的石墨烯拉伸和压缩力学性能进行了理论研究。分析方法基于罗特汉霍尔方程和牛顿运动规律求解得 出,在拉伸和 压缩作用 下,锯齿形结构的石墨烯比扶手椅形的更能够承载,而二者的破坏方式是相似的,均开始于最外层的碳原子层。在石墨烯力学方面的计算结果研究表明,石墨烯作为目前世界上发现强度最高的物质,断裂强度高达130GPa,是钢的200倍, 且密度较小,因此具有较高的E/ρ共振频率,是当前MEMS材料不可或缺的一部分。
因此,在理论计算研究的同时,人们也进行了大量的试验验证及相关力学性能的研究。比较典型的是Gomez-Navarro等[15]利用尖端诱导变形试验测得了无支撑的单层石墨烯的弹性模量。同期,Lee等[16]利用纳米压入方法测量无支撑的单层石墨烯的杨氏模量和固有强度,结果显示单层石墨烯具有1TPa的弹性模量,如图1所示,该数据表明所测得的石墨烯是目前获知的强度最高的材料。至此,更多学者开始着手于石墨烯特殊的力学性能的研究工作。除了相关的实验之外,原子模拟方法是获得石墨烯杨氏模量、剪切模量和泊松比的主要手段。
在微纳器件中石墨烯表面接触摩擦力学问题也一直是人们关注的焦点之一。Strachan等[17]利用侧向力显微镜研究了石墨烯边缘的摩擦、粘着和弹性性能。研究发现,在暴露的石墨烯边缘存在明显的摩擦增加的现象,而重叠层的移除也会增加局部的摩擦。这表明石墨烯或许是一种与原子层台阶的分布有关系的理想的薄膜涂层。试验采用低粘着力的探针表征了石墨烯边缘的弹性应变,发现这种弹性响应的能垒与石墨烯边缘的面外弯曲是一致的。Lee等[17,18]对石墨烯边缘效应进行了研究,提出了石墨烯表面局部折皱的纳米弹簧机制(图2,(a)石墨烯边缘的横向力显微镜扫描图,左边是双层,右边是单层,(b)压头尖端滑动过程中在边缘处产生的平面外应变示意图,(c)利用横向力显微镜来回单次沿图中绿线方向的扫描结果)。当尖锐的FFM探针滑过暴露的石墨烯边缘时,上层石墨烯边缘的面外弯曲产生可逆的弹性应变,导致石墨烯边缘附近的摩擦力突然增大,显示出较大的黏-滑现象;而当探针滑过被上层石墨烯覆盖的下层石墨烯边缘时,有效势垒宽度的增加或势垒深度的减小抑制了探针的原子尺度黏-滑,摩擦力几乎没有变化。
由此可以看出,基于二维薄膜结构的石墨烯材料由于其独特的结构特征及力学性能,在未来微纳米电子器件中由于受力、变形及接触等作用下所产生的力学问题,借助该材料不失是一种很好的选择。但从目前研究也可看出,理论中所谓的单层完整的石墨烯结构很难存在,一般通过其表面褶皱或者边缘效应降低其表面能,这也必将影响到其相应的一些力学性能,如何在实践中避免或利用该问题也是人们一直在探索的工作。
2摩擦学方面的研究现状
自石墨烯高强度的力学性能及超薄的润滑性能经理论和实验证实之后,J.T.Robinson等[19]又利用石墨烯的优良性质,如轻巧、异常的坚硬和极高的杨氏模量等机械特性,制备了高品质的NEMS共振器。至此,人们开始关注利用石墨烯的低摩擦系数来解决微纳器件中存在的微摩擦问题。
2.1石墨烯薄膜的摩擦学行为研究现状
Carpick等[20]使用AFM测量了机械剥落制得石墨烯撒落在Si/SiO2基底上的摩擦性质,比较了不同层数石墨烯的摩擦力和表面粘着力。实验表明石墨烯的摩擦力随着石墨烯层数的增加而减少,不同厚度的石墨烯的表面吸附力没有明显区别,悬空的石墨烯薄膜与撒落在基底上的石墨烯的摩擦力没有明显区别。Filleter等[21,22]测量了碳化硅热裂解生成石墨烯的摩擦力以及粘着力,并与碳化硅基底做了比较。 研究表明石墨烯摩擦力远小于碳化硅基底摩擦力,有作为碳化硅表面润滑材料的潜质。他们还研究了在SiC表面外延生长的单层和双层石墨烯膜的摩擦性能。研究发现单层石墨烯降低了摩擦,而双层石墨烯则比单层的低2倍左右,单层和双层石墨烯摩擦作用的差异在于电子和声子的耦合作用,而双层石墨烯显现出更加明显的摩擦性能,主要在于其降低了粘着作用。这一结论与Feng等[23]的观点相似,他们认为堆叠的多层石墨烯将是非常有效的纳米润滑剂,这是因为多层石墨烯中的纳米层片易于转变为非公度态,从而产生超润滑,如图3所示。
除了在纳米尺度研究石墨烯的摩擦学性能之外,如何与微纳器件材料结合起来更好地发挥石墨烯高强度、低摩擦特性,进行微宏观尺度的摩擦学性能研究 具有重要 的应用价 值。Kim等[24]将采用CVD技术制备的石墨烯成功转移至聚酯基底表面,大幅降低了基底的微摩擦系数,减少了树脂的黏-滑现象。Yan等[25]同样将CVD技术制备的石墨烯转移至聚酯基底之后,又进一步在石墨烯表面进行滚涂聚(4-乙烯基苯酚),所形成的多层膜表现出了更高的承载能力。
人们除了研究CVD制备大面 积石墨烯 摩擦学性 能之外,还利用氧化还原法获得高产量的氧化石墨烯,进而研究其摩擦学性能。Huang等[26]以石墨烯作为油脂的添加剂,研究发现润滑油的承载能力和耐磨性与所添加的石墨烯含量有直接关系,且存在一个最优的含量关系。Choudhary等[27]通过烷基胺共价改性氧化石墨烯方法,制备了极易在非极性有机溶剂(尤其脂肪烃类溶剂)中分散的烷基化石墨烯。研究发现,随着石墨烯表面烷基链长的增加,以及烃类溶剂链长的增加(提高了烷基链和烃类溶剂间的相互作用),烷基化石墨烯的分散性和稳定性进一步提高,其优化结果是硬脂胺改性的石墨烯在正十六烷中的摩擦系数减小26%,摩擦副磨斑直径减小9%。Senatore等[28]通过超声技术直接将氧化石墨烯纳米片分散在0.1%(质量分数)的矿物润滑油中,发现在不同赫兹接触应力、不同温度和速率下,氧化石墨烯纳米片调配的矿物润滑油从边界润滑,混合润滑到弹流润滑域均能降低基础润滑油的摩擦系数,并减小摩擦副的磨损率。
经过前期人们对单一石墨烯薄膜的研究发现,其实在微机械系统中影响低摩擦、低黏着最关键的两个因素是材料表面的疏水性和低的真实接触面积[29]。理论和实验已证实氧化石墨烯片是亲水的,而石墨烯片是疏水性的,据现有的数据来看,以化学法制备的氧化石墨烯及化学气相法生长的石墨烯的表面张力分别为46.7mJ/m2和62.1mJ/m2,而天然石墨鳞片的表面张力为54.8mJ/m2,也就意味着石墨烯具有较高的表面张力,因此,在实际应用中,单层石墨烯仍然存在一定的局限性。一方面,单层石墨烯各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外力时,碳原子面就弯曲变形,磨损寿命非常短;另一方面,单层石墨 烯由于具 有高的比 表面积 (2630 m2·g-1)[30],在摩擦过程中易吸附其他物质,阻碍配副表面转移膜的形成,因此,将导致摩擦系数和磨损率的增加,且缩短磨损寿命。而少数层石墨烯是在单层基础上通过层-层生长模式形成的薄膜材料[31],研究发现,石墨烯层与层之间的堆垛与高定向热解石墨(HOPG)的AB堆垛模式不同,这导致了石墨烯层与层之间的耦合减弱。因此,在摩擦接触应力的作用下,层与层之间的滑移,卷曲、堆积现象引起层片褶皱效应,导致磨损寿命缩短。尽管人们对于石墨烯微观和宏观摩擦学方面的研究已有大量报道,但是石墨烯的磨损寿命并不理想,这必将成为制约其未来工业化的关键问题之一。
2.2石墨烯的表面改性在摩擦学中的研究现状
通过调整基体的粗糙度可实现不同环境条件下的自适应行为。摩擦导致的摩擦学适应性对结合硬质相和润滑相的摩擦涂层特别有利。如日本筑波大学机械工程实验室Yasuhisa Ando等[32]采用集中离子束(FIB)铣出微型沟槽或淀积铂微型凸起在硅表面制造周期性的粗糙形貌,该研究表明微沟槽或微凸起对减小硅表面之间的粘附力与摩擦力具有一定的效果,该特征表面与光滑表面相比,随着微凸起高度的增大,粘附力与摩擦力均减小,摩擦系数有所减小。这种设计保证了硬支撑和向摩擦接触表面的连续润滑剂补充,从而在干环境下获得了长的摩擦寿命和低摩擦。
事实上,石墨烯是通过微观表面几个埃的高低起伏,来保证二维晶 体在三维 空间的稳 定性,以降低其 表面自由 能[33]。前期人们通过同时控制石墨烯表面形态和氧化物膜的化学组成利用激光干涉光刻技术在石墨烯表面制造了彩虹仿生薄膜,并已被证明该薄膜具有超疏水性[34]。结合常规材料已有的表面微织构化研究成果,可应用在石墨烯摩擦学方面的研究中,该方面研究工作并不多[35,36]。
为了减少石墨烯的粘着和摩擦表面能,人们可以通过物理和化学方法在石墨烯表面进行修饰和改性。Ou等[37]利用化学方法对石墨烯表面进行修饰和改性,通过化学吸附和氧化石墨烯的热还原多步反应法在硅片上制备出氧化还原石墨烯(RGO),利用环氧基团/羧基与氨基基团的化学反应,将氧化石 墨烯片共 价组装到3-氨基丙基 三乙氧基 硅烷 (APTES)自组装单 层膜修饰 的硅基片 上。利用AFM对RGO及APTES-RGO的表面形貌及微观摩擦性能进行了评价。结果表明,薄膜摩擦学性能得到一定的改善,形成低摩擦耐磨损的自润滑薄膜,适于改善纳/微电子机械系统的润滑问题,如图4(a)所示。除此之外,该研究团队[38]在由氧化石墨烯(GO)外层和APTES自组装底层修饰的硅基片上,进一步接枝了十八烷基三氯硅烷(OTS)分子,成功地构筑了疏水的APTES-GO-OTS三层膜,解决了前期氧化石墨烯由于较高的亲水性,使得该表面和AFM探针间的粘着力较强的问题。该三层膜呈现低粘着性,且其微观摩擦学性能和宏观摩擦学性能均显著提高,如图4(b)所示。
另外,人们也可以在微机械系统表面构筑一定形状和密度的结构,可以减小摩擦副间的接触面积[39]。据报道[40],石墨烯层片褶皱现象的存在与基体之间的界面结合有关。当石墨烯转移至SiO2/Si基体之后,主要以物理吸附为主,因此只能部分地粘附在该基片上,并具有一定的松弛,加之石墨烯固有的表面起伏,从而加强了石墨烯表面的褶皱现象[8]。 已有研究发现[20],石墨烯片层越少弯曲刚度越低,褶皱越多, 接触面积越大,摩擦阻力越高;片层越多,弯曲刚度越大则褶皱现象减弱。报道还指出,如果石墨烯片层被固定在基片或者在平面张力作用下,这种褶皱效应就可以受到抑制,此外, 褶皱也受片层的侧向约束的影响。通过在石墨烯表面构筑一定形状和密度的结构或许对于减小石墨烯层间因滑移、卷曲、堆积等现象引起的褶皱问题具有一定的指导意义,但是该方面的工作尚不成熟。
近来,笔者在研究中发现通过在石墨烯表面生长惰性的软金属阵列织构不仅影响石墨烯的表面能,而且在摩擦过程中减小了配副间的接触面积,影响着摩擦副与石墨烯之间以及石墨烯与基体之间的界面特征,进而有助于改善石墨烯的摩擦学性能。通过在石墨烯表面生长金属微织构材料,当两个摩擦表面受力时,接触首先形成在织 构与配副 的界面之 间,如图5(a)所示。由于软金属材料极好的延展性,织构材料可部分转移至摩擦副表面,形成转移膜,降低摩擦副对石墨烯的损伤,如图5(b)所示。摩擦过程中形成的磨屑吸附在石墨烯表面,降低了其表面自由能,改善石墨烯与摩擦副之间的界面粘着状态。石墨烯表面具有较强表面化学稳定性的sp2态碳晶格结构[40],可以作为过渡层支撑微织构,提高微织构的承载能力,而未磨损的材料通过与石墨烯以及基体材料之间的相互作用,钉扎石墨烯,减少卷曲、堆积等现象引起的褶皱效应。
3结语
无论是CVD生长的单层或少数层石墨烯,还是氧化还原法制备的氧化石墨烯及相关耐磨复合材料的研究,均已证明这种超高强度的极薄碳材料在摩擦学领域表现出了与众不同的特性,但是如何真正实现石墨烯材料在未来微纳机械接触部件中的应用,仍然具有很大的挑战。
(1)石墨烯高的强度和承载能力,通过与其他材料的复合可形成具有自润滑和高结合特性的连续转移膜,对于降低基体的摩擦系数,提高耐磨性能具有重要的影响。但是石墨烯并非与任何基质都具有强结合和强支撑效果,如何通过对石墨烯本身的表面改性获得与基质之间的优异的结合特性, 是发挥其特殊力学特性的关键。
(2)不同层数的石墨烯均不同程度的降低了摩擦,但是不同层数石墨烯的润滑效果不同。因此,如何从试验和理论方面获得石墨烯的层数对其表面摩擦行为的影响规律,是目前尚需要解决的重要问题之一。
(3)石墨烯表面及边缘由于滑移、卷曲、褶皱等现象引起的缺陷问题是限制石墨烯长寿命化及工业化发展的瓶颈之一,研究如何改善石墨烯片层间的各类缺陷问题及提高与其他表面生长材料之间的耦合作用是延长石墨烯磨损寿命,保持其优异的润滑性能的关键。