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1、第27卷第4期摩擦学学报Vol27,No42007年7月TRIBOLOGYJuly,2007旋转圆盘空蚀试验中的硅材料破坏过程研究1112蒋娜娜,徐臻,陈大融,李浩群(1.清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084;2.北京工业大学机电学院机械设计及理论学科部,北京100022)摘要:利用自制旋转圆盘空蚀试验装置,以流动自来水为介质,对磨片、化抛片、抛光片和刻蚀片等4种硅片进行连续8h试验以及对磨片进行连续14h跟踪观察试验,研究硅材料的微观破坏过程,并利用扫描电子显微镜、触针式表面形貌仪和原子力显微镜对其表面微观形貌进行分析.结果表明:经连续8h空蚀试验后,磨片原
2、始表面的片状层基本消失,表面破坏程度最严重,化抛片次之,其表面尖锐的边缘发生了钝化,抛光片和刻蚀片的表面变化不大;化抛片的表面粗糙度Ra值由227.79nm降至173.31nm,抛光片的Ra值由0.483nm增加至3.455nm,磨片在14h试验后其Ra值由0.3304μm降至0.1965μm;一定尺度的表面微观形貌对硅材料产生显著影响.关键词:空蚀;硅片;表面形貌中国分类号:TG174.2;TH117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2007)0420393205在液体流动过程中,因局部压强变化,液体内部过程及其影响因素进行研究,为进一步揭示空蚀过或液2
3、固界面的蒸汽或空泡形成、发展和溃灭的过程程材料破坏机理提供实验依据.被称为空化.当空泡在固体表面附近发生溃灭时,所1实验部分产生的微射流或微激波造成固体表面破坏的现象被定义为空蚀.空蚀在船舶、水力机械及水利工程中造采用自制旋转圆盘空蚀试验装置进行空蚀试[1]成的危害很大.[2～6]空蚀程度的影响因素已有较多研究,主要从宏观力学角度对应用于船舶、水力机械过流面的金属类材料和应用于水工建筑物中的混凝土材料的抗空蚀性能进行分析及相应的材料改性.由于影响因素错综复杂,至今尚未完全掌握空蚀机理.部分学者尝试通过对空蚀试样微区进行跟踪观察分析,将宏观形貌和微观破坏过程相结合,用微观
4、机理来解释宏观现象.对于金属类材料,目前已经从马氏体相1.Mainframe,2.Electromotor,3.Container,4.Hydromedium,5.Disk,[7～10]变等材料微观组织的空蚀破坏方面展开研究;6.Sample,7.Refrigerationcontroller,8.Waterpump,9.Flowvalve.对于脆性材料,以混凝土材料为代表,研究大多趋向Fig1Schematicdiagramofrotatingdisktestrig于提高其强度,通常是在普通混凝土干燥后,从表面图1旋转圆盘空蚀试验装置示意图1.机座,2.电机,3.容器
5、,4.流体介质,5转盘,使单分子化合物渗入,经加热或其它方法使其形成[11,12]6.试件,7.制冷机,8.循环水泵,9.流量阀.聚合物浸渍混凝土以增强其抗蚀性,但对其微观破坏过程的研究还较少.由于混凝土受成分和结验,图1所示为其结构原理示意图.变频调速电机通构等因素的影响,材料微观破坏机理复杂,因此我们过皮带传动带动转盘在密闭的容器内高速旋转,转选用成分单一、结构相对简单且容易获得的硅材料盘直径为230mm,厚8mm,其上均布4个40mm×作为研究对象,对其在空蚀试验中的材料微观破坏30mm×5mm的凹槽用于装夹试样.沿转动方向,基金项目:国家自然科学基金资助项目(5
6、0475018).收稿日期:2006209225;修回日期:2006212221/联系人蒋娜娜,e2mail:jnn98@mails.tsinghua.edu.cn作者简介:陈大融,男,1946年生,教授,博士生导师,目前主要从事界面理论与控制技术研究.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net394摩擦学学报第27卷在试样前端加工出贯穿转盘的通孔作为绕流物,嵌了2h、6h、8h、10h和14h的连续空蚀试验.入圆盘上的试件随圆
7、盘以一定速度在介质中顺时针利用Quanta200F型环境扫描电子显微镜旋转,旋转过程中介质与试件作用导致流场与压力(SEM)对空蚀前后的表面形貌进行观察并利用能谱变化而发生空化.仪对材料表面成分进行定性分析.针对不同粗糙度试验中,试样的中心线速度为30.5m/s,试验在的硅片,利用Talysurf5P型触针式表面形貌仪和大气环境中进行,流体介质为循环流动自来水,温度NanoScopeIIIa型原子力显微镜(AFM)对其表面微约为20～30℃.粘在不锈钢基底上的试样分别采用区的三维形貌和粗糙度进行测量.试验前采用离子磨片、化抛片、抛光片和刻
