第1章表面形貌与特性
《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
课程思政融入《表面分析测试技术》的教学探索
2021年第10期广东化工第48卷总第444期 · 275 · 课程思政融入《表面分析测试技术》的教学探索吴起白1，张丹枫2，曾国勋1，王文广1*(1．广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006；2．广东工业大学学位办公室，广东广州510006)Teaching Exploration of Ideological and Political Education Integrating intoSurface Analysis and Testing TechnologyWu Qibai1, Zhang Danfeng2, Zeng Guoxun1, Wang Wenguang1*(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006；2. Diploma Office, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)Abstract: The implementation of “ideological and political education of curriculum” in professional courses is an important way for college education to realize the fundamental task of values establishment and people cultivation. “Surface Analysis and Testing Technology” is an applied engineering professional course focusing on the analysis and testing technologies of materials surface morphology, chemical composition, and crystal structure. Through the teaching exploration and practice of integrating ideological and political elements into the professional content of the course naturally, students can establish a correct outlook on life and values while mastering professional knowledge, and give full play to the educating function of professional courses.Keywords: curriculum ideology and politics；surface analysis；teaching reform；engineering courses；teaching exploration课程思政是新形势下高等教育改革的重要内容，教育部于2020年印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，要求“结合专业特点分类推进课程思政建设”[1]，专业课教师有必要从思政教育的角度，科学合理地深入挖掘课程中蕴含的思政元素，让专业知识与思政元素相互交融，发挥隐性教育的特色，在润物细无声中，实现专业知识的传授和价值观的引领互促共进，引导学生树立科学精神、爱国精神和工匠精神[2-3]。
第1章 材料表面的基本特征
列与内部原子的排列具有较为明显差别。 这种差异经过4～6层原子之后，原子的排列与体内原子的排列
已相当接近，这个距离也可以看作是实际清洁表面的范围。
延伸
清洁表面原子排列结构 1、表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但仍作对称
继而导致材料强度、韧性、导热、导电、介电、传感、腐 蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸收与反射 等材料功能改变。
二、界面
定义：一个相与另一个相（结构不同）接触的分界面。 多晶材料的界面分类
同相界面：相同化学成分和晶体结构的晶粒间界面，如 晶界、孪晶界、畴界等。
异相界面：不同化学成分和晶体结构的区域间界面，如 同质异构体界面、异质异构体界面。
其中：k－常数，T－绝对温度，εv－形成一个表面空位的激活能。
（3）实际上，通过LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的表面 实际上不是原子级的平坦，而是呈现出台阶、扭折、空位以及自吸 附原子的情形。
L-台级，T-平台，K-台级处的扭折， Suv-表面空位，SLv-台级处空位， SuA-表面自吸附原子， SLA-台级处自吸附原子
表面与界面关系 物质的气液固三态的界面（液－气、固－气、液－液、
液－固、固－固），已习惯将液－气、固－液（固－气）界 面称为液体表面、固体表面。 固体表面实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几 个原子层（0.5-10nm）组成。 正是这样的原因造成了固体表面有着与固体体内不同的特 点：1．原子排列不同，2．组分不同。
2、调整方式： （1）自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同（驰豫、重 构、偏析、台阶）； （2）靠外来因素，（如吸附杂质－化学吸附，生成新相－化合 物等）。
粗糙表面形貌参数对润滑特性的影响
本文在考虑温度效应和滑流剂非牛顿特性的基础上，假定表面粗糙度呈余弦分布，采用直接迭代法对线接触热弹流润滑问题做了时变分析，探讨了粗糙度峰高、波长和相位等参数对润滑特性的影响。
分析、总结本文计算结果，可以得出如下主要结论: (1)在小波长区，波长参数对于最小油膜厚值、最大压力峰值及油膜最大温升影响很大。
压力分布和油膜形状出现明显波动。
随着波长的增加，油膜颈缩的位置逐渐向出口方向移动，压力峰个数也随之减少。
(2)在大波长区，随着波长的增大，油膜形状及其厚度逐渐接近于光滑表面接触时的稳态解。
此时的最大压力峰和最大油膜温升也均随波长的增大而减小。
(3)粗糙度峰高参数对压力分布和油膜厚度的影响最为明显。
随着粗糙峰高的增大，压力峰的个数及其幅值均在增加，而最小油膜厚度的数值在减小。
当粗糙峰高小于0.1时，平均油膜厚度随着峰高的增加而小幅上升。
当粗糙峰高在0.1-0.2变化时，平均油膜厚度随着峰高的增加而减小。
波长较小时，峰高的微小变化会引起油膜最大温升的急剧增大。
而波长较大时，油膜的最大温升对峰高的变化并不敏感。
(4)粗糙度函数初相位的变化对油膜形状、压力分布和温度分布也有显著影响。
不同的相位会产生不同的余弦粗糙度函数的初值，这会直接影响粗糙度函数波峰和波谷的位置。
在小波长区，相位的变化会引起最小油膜厚度、最大压力峰值和最大油膜温升的急剧变化。
在大波长区，相位的变化对三者的影响较弱。
(5)磨削加工的轮齿齿面形貌一般为横向粗糙条纹。
本研究结果表明:在小波长区，横向条纹粗糙表面间形成的平均油膜厚度明显大于相应光滑表面的平均油膜厚度；而在大波长区其数值与光滑表面的相应结果相差无几。
本文重点研究了粗糙表面形貌参数对滑特性的影响。
由于粗糙度的引入会增大数值计算收敛的难度，所以粗糙度峰高的变化范围取值较小。
此外，应用直接迭代法求解重载问题时收敛困难。
解决上述问题将构成本文今后的研究方向。
粗糙表面形全文目录文摘英文文摘论文说明：符号说明第一章绪论1.1 前言1.2 粗糙度效应研究概述1.3 本文研究的主要内容第二章非Newton流体时变热弹流理论2.1 概述2.1.1 干接触理论2.1.2 弹流润滑的特点2.1.3 压力分布及油膜厚度的计算2.1.4 数学模型2.2 考虑多种因素的弹流方程组2.2.1 广义Reynolds方程2.2.2 粘度方程2.2.3 密度方程2.2.4 弹性变形方程2.2.5 膜厚方程2.2.6 能量方程2.2.7 载荷方程2.2.8 油膜内剪应力方程2.3 周期性条件第三章非Newton时变热弹流的数值计算3.1 基本方程的量纲一化3.11 广义Reynolds方程3.1.2 粘度方程3.1.3 密度方程3.1.4 弹性变形方程3.1.5 膜厚方程3.1.6 能量方程3.1.7 载荷方程3.1.8 油膜内剪切应力方程3.2 压力的数值计算3.3 Reynolds的离散3.4 变形矩阵3.5 温度方程的计算第四章数值计算结果及其讨论4.1 输入参数的确定4.2 波长参数的影响4.2.1 波长参数对膜厚的影响4.2.2 波长参数对压力的影响4.2.3 波长参数对温度的影响4.3 峰高参数的影响4.3.1 粗糙峰峰高参数对膜厚的影响4.3.2 峰高参数对压力分布的影响4.3.3 峰高参数对温度的影响4.4 相位参数的影响4.4.1 相位变化对膜厚的影响4.4.2 相位变化对压力的影响4.4.3 相位变化对温度的影响第五章结论参考文献。
第二章表面形貌和表面性质-2022年学习资料
例题-有两条正弦曲线轮廓，其波长分别为入和2-入，最大振幅为A,试证明两条轮廓具有相-等的R2。
峰项线-中线-谷底线-2微观不平度十点平均高度R,:在取样长度内，5个-最大轮廓峰高平均值和5个最大轮廓谷 平均值之和，-y,;第1个最高的轮廓峰高，火，第i个最低的轮廓谷深-只能反映轮廓的峰高，不能反映峰顶的尖锐 平钝-的几何特性，同时若取点不同，则所得R值不同，因-此受测量者的主观影响较大-2小+立
二.表面粗糙度的评定参数-高度特征参数：沿着垂直于中心线的方法测-量的。包括-轮廓算术平均偏差-Ra-2观不平度十点平均高度R,-3轮廓最大高度R-间距特征参数：是沿着中心线方向测量的，-能直接反映表面加工纹理 细密程度。包-括：-1-轮廓微观不平度的平均间距$-2轮廓的单峰平均间距S-形状特征参数：用轮廓支撑长度率 示。
第二章-表面形貌和表面性质
第一节表面形貌-由于摩擦的起因是由于两相互接触表面的相对运-动，因此表面性质和表面接触状态必然会影响到-接 表面间的摩擦。-一.表面形貌-任何表面都不可能是绝-对光滑的，即时宏观看-起来很光滑，但是在显-200-微 下仍然是非常粗糙-2.00-4.00-在微观上看，材料表面-6.00-是由连续凹凸不平的峰-8.00-和谷 成的，右图为金-10.00-属三维表面形貌图。
算术平均偏差R的特点：能充分反映表面微观-几何形状高度方面的特性，但因受计量器具功-能的限制，不用作过于粗 或太光滑的表面的-评定参数；不能真实反映出表面轮廓的离散性-和波动性。但由于其定义与测量仪表读数设计-原理 致，作为衡量表面粗糙度的主要参数，-被广泛采用。-轮廓均方根偏差R,-RMS或均方根值g:轮-廓线上各点距 心线距离平方和的均方根。
3轮廓最大高度Ry-在取样长度内，轮廓的峰顶线和谷底线之间的距-离。峰顶线和谷底线平行于中线且分别通过轮廓 最高点和最低点。-Ry=I Ypmax Yvmax-R值是微观不平度10点中最高点和最低点至中线的垂直-距 之和，因此它不如R值反映的几何特性准确，它对-某些表面上不允许出现较深的加工痕迹和小零件的表面-质量有实用 义。-峰项线
人教版高中地理必修1《第一章 行星地球 问题研究 月球基地该是什么样子》_40
“问题研究火星基地应该是什么样子”教学设计一、教材分析“火星基地应该是什么样子”是2018年新课标人教版地理必修第一册第一章《宇宙中的地球》后的“问题研究”。
随着世界人口的不断增长，人类对资源的需求不断增大，地球上的不可再生资源终会枯竭。
一系列探测结果表明，在太阳系中，火星被认为是除地球外最适合人类居住的星球，火星基地的建立势在必行。
该节问题研究内容就是围绕本章内容“地球上存在生命的条件”所设计的研究主题。
“问题研究”设计的初衷就是完善教材过于重视系统知识呈现的问题。
教材通过提供研究思路、材料等方法促进学生自主研究。
学生在老师的指导下参与研究性学习，通过搜集材料，小组合作交流等环节，培养丰富学生的认知网，培养综合思维和解决实际问题的能力。
二、学情分析学生已经在第一章中学习了地球的宇宙环境、太阳对地球的影响、地球的历史以及地球的圈层结构。
学生了解了行星地球所处的宇宙环境，认识了地球作为一颗行星的普通性和特殊性，能够辨认适合人类生存自然环境的基本状态，能够理解太阳对地球产生的一系列影响。
因此学生已经具备一定的理论基础，但要解决该问题又需要学生大胆的创新，科学的思考，团体的协作，对学习及合作能力要求很高。
学生在《地球的外部圈层结构》小节中学习到了大气圈对地表的生命具有保护作用，但没有掌握大气的受热过程、大气圈中天气现象的形成原因，建议将相关知识点结合生活经验，总结出现象，锻炼学生的综合思维能力。
三、教学目标本节内容教学目标设置如下：1．知识与技能（1）通过使用教材、互联网、书籍等收集、筛选火星表面自然状况、火星基地建设等相关材料。
（2）结合地球上存在生命的条件和收集到的火星表面自然状况材料中，整理出火星上具备了哪些人类生存的条件，并说出火星基地还应解决哪些问题。
（3）根据火星概况和人类发展需求，说出火星基地应具备哪些功能。
（4）说出“月宫一号”试验对火星基地的建设能提供哪些参考。
（5）联系收集到的材料，大胆设想和创新，科学地尝试绘制火星基地构想图。
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
摩擦学原理第2章
18
4.表面轮廓高度的分布
第2章 表面
表面微凸体高度的分布如图2-8(a)所示，以表面轮廓中线
为x轴，在标准长度l内，每隔一定距离Δl，测量轮廓图形距
参考中线的高度Z1、Z 2、……Zi，然后求出同一Z值的纵坐 标数之和，也就是该高度的纵标频数。
作 出 从 ＋ Zmax 至 － Zmax 区 间 内 的 直 方图。由此直方图
28
（2）体心立方晶胞(bcc)
第2章 表面
体心立方晶胞如图2—13所示，也是在8个顶角各有1个 原子，在其立方体的中心还有一个原子。显然，每一个原 子周围有8个最近邻原子，因此，配位数为8。属于这种结 构的；金属有钒、铌、钽、钼、铬、钡、β钛、α铁、δ 铁、α钨等。
图2－13 体心立方晶胞 29
15
（3）微观不平度十点高度Rz
第2章 表面
Rz是指在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与五 个最低的轮廓谷深的平均值之和，其计算公式为
式中： hpi是第i个最高的轮廓峰高；hvi是第i个最低的轮廓谷深。
若测量长度包括几个标准长度时，应取该测量长度内所 测得的几个Ra或Rz的平均值作为某一表面的Ra或Rz。
（3）密排六方晶胞(hcp)
第2章 表面
密排六方晶胞如图2—14所示，六棱柱体的各角有一个 原子，在其上、下面中心还各有一个原子，此外在两面的 中间还有三个原子。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、 锆、α铍、α钛、α钴等。
图2－14 密排六方晶胞 30
第2章 表面
表2－3 3种典型金属晶体结构特征
12
（1）轮廓算术平均偏差Ra
算术平均偏差的数学表达式为
第2章 表面
式中 zi——以中线为起点度量出的廓形高度； n——在样品标准长度 l 内的测量次数。
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杜永平
无量纲的自相关函数
R* (l )
R(l ) R(l0 )
R(l )
2
➢ 精加工表面，随机变化分量为主，函数衰减，
相关性随 l 的增加而减小；
➢ 粗加工表面，周期变化分量为主，函数不衰减，
相关性随 l 的增加而不变。
表面形貌特征的描述：
➢ 分布概率密度函数ψ(z)：表示高度分布的大小及 分布状态；
杜永平
2. 轮廓均方根偏差或称均方根值
1 l z 2 ( x)dx l0
1 n
n i 1
zi2
3. 最大峰谷距Rmax或最大凸峰高度Rp
在测量长度内最高峰与最低谷之间的高度差。
4. 中线截距平均值Sma 轮廓曲线与中心线各交点
之间的截距Smi在测量长度 内的平均值。
Sma
1 n
n i 1
S能完善 地说明表面几何特征
二维表面形貌图像
三维形貌参数 即等高线图
摩擦磨损
杜永平
三、表面形貌的统计参数
1. 高度分布曲线（Gauss曲线）
(
z
)
(
z0
)e
z2 2 2
1
2
e
z2 2 2
Gauss分布曲线也称为承载面积曲线， 反映的是承受载荷的能力
摩擦磨损
杜永平
➢ 我国在摩擦学领域内曾有巨大贡献 ：
• 公元前两千年左右就使用水碓、滑车等，采 用木质轴承，以动物油作润滑剂；
• 14世纪以前，我国在掌握轴承、齿轮、凸轮、 润滑剂等方面一直居于世界的前列；
摩擦磨损
杜永平
• 1962年召开了摩擦、磨损和润滑研究的报告会； • 1979年在广州成立了中国摩擦学会； • 1987年首次在北京召开了国际摩擦学会议。
摩擦磨损
杜永平
二、表面形貌参数 最常用的表面形貌参数是表面粗糙度（Surface Roughness）： 取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。
1. 轮廓算术平均偏差Ra 轮廓各点高度在测量长度范 围内的算术平均值。
l
Ra
0
z( x) dx l
1 n
n i 1
zi
Ra 越大，表面越粗糙。
摩擦磨损
摩擦磨损
杜永平
摩擦磨损造成的损失:
➢ 工业方面约有1/2～1/3的能量消耗在摩擦中； ➢ 大约80%的损坏零件是由于磨损引起的； ➢ 1981年美国公布，每年磨损造成的损失为100
亿美元； ➢ 前苏联由于磨损造成的损失每年约120～140亿
卢布；
摩擦磨损
杜永平
➢ 中国五个行业（冶金矿山、农机、煤炭、电力、 建材）的统计，每年由于磨料磨损而需要补充 的备件100万吨钢材，大约15～20亿人民币， 40%的农机具备件是由于磨料磨损消耗的， 30%的锅炉钢管是由于腐蚀磨损失效的。
摩擦学：是摩擦、磨损、润滑科学的总称，是研 究在摩擦与磨损过程中两个相对运动表 面之间相互作用、变化及其有关的理论 与实践的一门学科。
摩擦磨损
杜永平
➢ 十七世纪开始对摩擦进行研究，但真正形成一门 学科还是六十年代的事。
➢ 1966年英国的Jost教授提出摩擦学（Tribology） 的概念，但到目前，摩擦、磨损的机理研究尚未 完全弄清，甚至实践比理论先得到解决。
摩擦磨损
杜永平
第一章 表面形貌与特性 Surface Forms and its Characteristics
一、表面轮廓曲线及测量
摩擦磨损
杜永平
表面轮廓仪测量零件表面的轮廓曲线
测量样本必须具有代表性和可鉴别性： 各向同性的表面，测量数据有代表性； 各向异性的表面，测量数据没有代表性；
测量的数据受测量仪测头圆弧半径的影响。
➢ 2005年11月5日新闻联播报道，在河南长垣举 行的第三届中国国际腐蚀控制大会上获悉，我 国每年由腐蚀所造成的损失大约为5000亿元人 民币，远远超过自然灾害和安全事故。
摩擦磨损
杜永平
磨损造成巨大损失的原因： ➢ 零件表面工作状态发生变化（点蚀、剥离）； ➢ 零件尺寸发生变化:
工作精度达不到要求； 强度达不到要求，可靠性降低。
R(l) z( x) z( x l)
1 n
R(l ) n i1 z( xi ) z( xi l )
1L
R(l) lim L 0 z(x) z(x l)dx
l＝0时：
1 R(l0 ) lim L
L z2 ( x)dx 2
0
摩擦磨损
杜永平
精品课件！
摩擦磨损
杜永平
精品课件！
摩擦磨损
➢ 自相关函数R(z)：表示高度分布的变化和性质。
摩擦磨损
杜永平
摩擦：在正压力作用下相互接触的两个物体受切 向外力的影响而发生相对滑动（或有相对 滑动的趋势）时，在接触表面上产生抵抗 滑动阻力的现象。
磨损：摩擦造成的能量损耗和摩擦表面物质丧失 或转移的现象。
润滑：为了控制摩擦、减少磨损、提高机器效率、 减小能量损失、降低材料消耗、保证机器 工作可靠性的一种有效手段。
2. 分布曲线的偏差 （1）偏态S
衡量分布曲线偏离对称位置程度的指标
z3 (z)dz
S 3
S＝0 标准高斯分布 S＞0 正偏态（右偏） S＜0 负偏态（左偏）
摩擦磨损
杜永平
（2）峰态 K 表示分布曲线的 尖峭程度
z4 (z)dz
K 4
K＝3 标准高斯分布 K＞3 尖峰态，曲线陡峭 K＜3 低峰态，曲线平缓
摩擦磨损
杜永平
➢ 机器磨合的目的就是为了增加承载面积，进而 提高承载能力。
➢ 磨合要体现“载荷由轻到重，速度由低到高” 的原则进行磨合。
➢ 零件磨合后的表面性质： 左偏态（S＜0 ）、低峰态（K＜3 ）
摩擦磨损
杜永平
3. 表面轮廓的自相关函数 自相关函数R（l）： 相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。