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纳米陶瓷热障涂层改性冰刀表面对冰面摩擦学性能的影响机制研究

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科技在现代竞技体育中所扮演的角色越来越重要，运动器材的科技含量和服役特性对于运动员竞技水平的发挥以及最终的比赛成绩均具有重要的影响。在滑冰运动中，运动员借助冰刀通过蹬冰获得驱动力并克服摩擦阻力在冰面上快速滑行，冰刀与冰面固固界面之间的摩擦学特性对于冰刀的动力学性能有直接影响。冰刀之所以能够在冰面上飞速滑行，在很大程度上依赖于冰面的“水润滑膜”。水润滑膜的出现，使冰刀与冰面的固固界面之间的润滑状态由干摩擦向边界润滑转化；当水润滑膜的厚度足够时，润滑状态进一步转化为流体润滑，可实现极低的摩擦系数。因此，在冰刀与冰面之间构建出足够厚度的水润滑膜，是实现水基润滑减阻的关键。目前，水润滑膜的存在已经被研究人员通过多种技术手段予以证实，但对于水润滑膜的形成机制则存在压力融化、摩擦生热以及低温表面膜等不同理论解释，分歧较大。本文采用有限元方法对冰刀滑过冰面的动力学过程以及摩擦生热的热力学过程进行热-结构耦合数值模拟；考察冰刀滑动轨迹上冰面的温度场及应力场分布，以及表面粗糙度等表面特性和导热系数等材料特性对于冰刀与冰面接触区域的热传导、热对流和热流分配系数的影响等；评估摩擦生热效应对水润滑膜形成过程的贡献度以及冰刀的导热系数对摩擦生热效应的影响程度，为冰刀水基润滑减阻的技术研发提供理论指导；并探讨了采用电子束物理气相沉积的方法制备纳米陶瓷热障涂层对冰刀进行表面改性处理，以大幅度降低冰刀表面的导热系数强化摩擦生热效应增加水润滑膜厚度来实现水基润滑减阻，为开发可工程化的冰刀减阻技术提供可能的实现途径。