摩擦加熱的案例
大連理工大學賓月珍教授團隊《CEJ》：天然橡膠增韌碳納米管巴基紙及其在電磁屏蔽，導熱，焦耳加熱和摩擦納米發電等領域的應用
此外除了優異的電磁屏蔽性能，還應考慮在實際應用中對多功能的要求，如兼具導熱、焦耳加熱、摩擦發電、傳感、阻燃等。
鑒于此，大連理工大學賓月珍教授團隊
選擇環保
的天然橡膠（NR
）
作為BP
的
“增韌
劑
”，通過簡單的真空過濾方法，制備了NR
增韌BP
（簡稱NR-BP
），制備的NR-BP
兼具柔韌性和高電導率，拓展了其在電磁
屏蔽，導熱，焦耳加熱和
摩擦納米發電機（TENG
s）等領域的應用，
為制備多功能可穿戴電子設備提供了一種新策略 (圖1
)
。
圖1. NR-BP的制備及其多功能性（電磁屏蔽，導熱，焦耳加熱和TENGs）
由圖2
可知，真空輔助過濾可以很容易地放大得到A4
或更大尺寸的NR-BP
。
制備
的NR-BP
可以進一步折疊成紙鶴和紙船，放置在花上，
顯示
出良好的柔韌性和
輕質的特點
。
同時NR-BP
在高斷裂
伸長率
下仍然表現出優異的導電性
，其中CNR4
（20
wt% NR
）
的
斷裂伸長率和電導率分別為 27.80%
和32.26 S/cm
，CNR1
（50
wt% NR
）
的
斷裂伸長率和電導率分別為191.23%
和21.74 S/cm
。
圖2.
展開 Moldex3D模流分析之澆口貢獻度、壓力、溫度、剪切應力、剪切率
藉由溫度結果判讀, 可以判定塑件成品中的積熱情形，或者冷卻/加熱效果是否符合設定與設計。
注：冷卻階段的溫度結果顯示于色桿上的最大最小值，參考的是目前顯示的表面結果而非整個模型(使用檢視工具時則會恢復一般的顯示方式)。
判定哪個區域的摩擦加熱較高
在澆口附近和厚度較薄的區域，流向殘留會較高。這會導致塑料熔體的摩擦加熱。
只要從「溫度」結果檢查澆口附近和厚度較薄的區域是否有溫度升高的現象。
檢查溫度變化是否符合制程條件或設計變更
在大多情況下，設計師會修改產品設計或制程條件，以取得優化結果。當您進行變更時，以壁面厚度來說，溫度分布會因為較厚的塑件比較難熱散至模具而變更。
剪切應力 (Shear Stress)
剪切應力結果會顯示塑料熔體于目前時間步長的剪切應力分布。
在優化條件中，剪切應力應平均分布。不統一的剪切應力分布可能會在完成的塑件上產生翹曲。
最大剪切應力
最大應力結果記錄了局部在充填過程中，產生過的最大剪切應力。機械元素的最大剪切應力達到材料的實驗限制時，會產生降伏。
剪切率 (Shear Rate)
剪切率結果顯示目前時間輸出時的剪切率分布。剪切率是聚合物制成時材料剪切變形率。剪切率分布與速度梯度和分子排向的變化相關。高剪切率傾向于發生大幅度的分子鏈變形，即使中斷并弱化產品。也應注意因高剪切路導致的黏滯加熱。
最大剪切率
此結果顯示充填階段每個元素的剪切率記錄的高峰值。注意，此結果顯示的最高剪切率值不見得在相同的步進時間輸出。
剪切率是聚合物制程時材料剪切變形率。剪切率分布與速度梯度和分子排向的變化相關。高剪切率導致大幅度的分子鏈變形，甚至使分子鏈斷裂，降低產品強度。也應注意因高剪切率導致的黏滯生熱。
展開 復旦大學ACS Nano: 大面積制備堅固透明的超雙疏聚合物薄膜
文章報道了一種簡單有效的策略，通過結合單向摩擦和加熱輔助組裝技術，成功的大規模制備了堅固的，透明的超雙疏聚合物薄膜。獲得的聚合物薄膜具有兩種特殊的表面凹角形貌：六方排列三角形突起結構和六方排列矩形微柱結構。兩種結構的不同取決于所使用的二氧化硅模板的粒徑大小。該超雙疏聚合物薄膜對水和低表面張力液體表現出了優異的排斥性，同時薄膜也具有很高的透明性。
【圖文導讀】
圖1 通過單向摩擦結合加熱處理技術制備大面積透明超雙疏薄膜的示意圖
圖2 從不同粒徑二氧化硅微球獲得的具有六方排列三角形突起或六方排列矩形微柱結構的SEM圖像
a）5，b）10，c）15和d）20μm。插圖顯示單個非封閉排列的孔結構。
圖3 制備的超雙疏聚合物薄膜的非濕潤行為
a-c）在所得聚合物薄膜上動態測量水粘附力的照片。d-f）不同油滴在聚合物表面上的接觸角。 g）水（藍色），乙二醇（黃色），礦物油（紅色）和橄欖油（綠色）液滴在聚合物薄膜表面上的形狀照片。
圖4利用Cassie-Baxter方程估算聚合物薄膜實際CAs的單元模型結構
（a，b）具有凹角結構的六方三角突起模型。（c）三角突起結構的俯視圖和（d）側視SEM圖像（用虛線框表示）。（e）圖d中虛線框的放大SEM圖像。（f，g）具有凹角結構的六方矩形微柱模型。（h）利用20μm二氧化硅模板獲得的單元凹角結構（用虛線框表示）的SEM圖像。
展開 秒懂 “Hertz接觸”附秒懂 “Hertz接觸”下載
二、大多數的接觸問題需要考慮摩擦，摩擦效應可能是混亂的，所以摩擦使問題的收斂性變得困難。除了上面兩個難點外，許多接觸問題還必須涉及到多物理場影響，如接觸區域的熱傳導、電流等，更增加了求解的難度。
下載地址：秒懂 “Hertz接觸”
冰面為什么滑？這是個分子動力學問題
研究者測試了一個金屬球在冰面上的滑動摩擦，控制冰面溫度從-100 ℃到0 ℃，小球的運動速度從10-6到10-1 m?s-1。結果發現：低溫時，冰面的摩擦力較大，-70 ℃開始摩擦力迅速下降，在-7 ℃時摩擦力達到最小值。[4]
實驗過程示意圖及分子模擬。圖片來源：J. Phys. Chem. Lett.
有趣的是，摩擦系數并不隨溫度呈現單調變化。在低溫下，冰的表面并不滑，-100 ℃時摩擦系數為μ＝0.5，和干燥玻璃表面的摩擦系數差不多。同時，在低摩擦（-7 ℃和-21 ℃）條件下，摩擦系數與物體的滑動速度無關，滑動速度改變了4個數量級都不能影響摩擦系數的大小，由此可見，與速度相關的摩擦加熱并沒有起到重要的作用。
研究者隨后進行了分子動力學模擬，研究表明大部分的冰中的水分子形成四個氫鍵，而在冰表面的“準液體”層中的每個分子與兩到三個水分子以氫鍵結合。當溫度高于-70 ℃時，只有兩個氫鍵的分子比例開始增加，與下層冰連接的氫鍵斷裂，使得冰表面產生了很多具有流動性的“水分子”，實際上也可以稱作“可移動的冰”。這就像地面上鋪了一層滾動的圓木，冰面也因此變得非常光滑。
現在終于明白了吧，冰面為什么滑？什么時候最滑？這都是需要用分子動力學來解釋的化學問題。
PS：身邊如果有高考完的年輕人向你請教如何填報專業，不妨把本文發給他們看下，說不定就有人就和我們一樣上了化學的車呢？
參考文獻：
1.https://www.vox.com/science-and-health/2018/2/13/16973886/olympics-2018-ice-skating-science-speed
2. The Surface of Ice is Like Supercooled Liquid Water. Angew. Chem. Int.
展開 ANSYS接觸屬性
Frictional heating factor (摩擦加熱因子)
設置實常數 FHTG，用于對滑動摩擦生熱建模。
摩擦生熱的速率為：
q = FHTG * τ * V
其中：
τ 為當量摩擦應力；
V 為滑動速率；
FHTG 為摩擦耗散能中轉換為熱能的比例因子，默認值為 1。
Dissipation weight factor (耗散權因子)
設置實常數 FWGT，用于滑動摩擦生熱的建模。它是接觸面和目標面之間熱分配的權因子 (默認值 0.5)。
在接觸面和目標面上摩擦耗散熱能為：
q c = FWGT * FHTG * τ * V
及
q T = (1 - FWGT) x FHTG x t x V
其中：
q c 是接觸面上的摩擦耗散熱能；
q T 是目標面上的摩擦耗散熱能。
FWGT 默認值為 0.5.。
Thermal contact behavior (熱接觸行為)
設置目標單元 TARGE169 和 TARGE170 的 KEYOPT(3)。對于熱接觸行為，有兩個可選項：
¨ Based on Contact Status (KEYOPT(3) = 0) (基于接觸狀態)，默認選項；
¨ Treated as Free Surface (KEYOPT(3) = 1) (作為自由表面)。
展開 銅及其與異種材料的焊接
鋁和銅均為塑性很好的金屬，因此兩者很適于用壓焊焊接，尤其是冷壓焊、摩擦焊、擴散焊等。
主要焊接工藝要點如下：
熔焊： 鋁與銅組合最好采用氬弧焊。焊時，電弧中心要偏向銅板一側，偏移量相當于厚度的1/2，以達到兩側同時熔化。可采用純鋁或鋁-硅作填充焊絲。焊縫金屬中加入合金元素可改善鋁銅熔焊接頭質量，加入鋅、鎂能限制銅向鋁中過渡；加入鈣、鎂能使表面活化、易于填滿樹枝狀結晶的間隙；加入鈦、鋯、鉬等難熔金屬有助于細化組織；加入硅、鋅能減少金屬間化合物。加入方法可在焊前涂到銅的待焊表面上。
采用埋弧焊時，接頭形式如圖1所示。電弧與銅件坡口上緣的偏離值l=(0.5～0.6)δ，δ為焊件厚度。銅側開J形坡口，鋁側為直邊。在J形坡口內預置φ3mm的鋁焊絲。當工件厚度為10mm時，采用焊絲直徑φ2.5mm，送絲速度332m·h-1，焊接電流400～420A，電弧電壓38～39V，焊接速度21m·h-1。焊后焊縫金屬中w(Cu)在8%～10%范圍，可得到滿意的接頭力學性能。
壓焊：（1）摩擦焊。棒料對接時，焊前需對工件退火，銼平接合表面，并盡快焊接，以免沾污或重新生成氧化膜。摩擦焊加熱溫度應低于鋁銅共晶溫度(548°C)，一般控制在460～480°C。這樣既能防止產生脆性的金屬間化合物，又能保證有足夠的塑性變形。
板料對接可以采用攪拌摩擦焊，只要焊接參數選擇合適，也能獲得良好的焊接接頭，以板厚為2mm的鋁合金5A06(LF6)+純銅T1對接焊為例，在攪拌頭轉速375～1180r·min-1，焊接速度30～150mm·min-1較寬范圍內焊接都能獲得良好的焊縫成形。其中以轉速1180r·min-1，焊接速度30mm·min-1時的接頭抗拉強度最高，達到297～62MPa，是鋁合金5A05(314MPa)的95%。
展開 傳統車鉤緩沖裝置鑄造零件的鍛造化
鍛造鉤尾框的生產實施資質管理，鐵路總公司以文件的形式許可了若干家有鍛造能力、屬鐵路系統或與鐵路系統有供貨關系的廠家生產鍛造鉤尾框，首家試制成功鍛造鉤尾框的廠家是南京中盛鐵路車輛配件有限公司，該廠采用自由鍛制坯，80000kN摩擦壓力機展開模鍛后折彎成形的工藝。其工藝流程是：鋸床下料→加熱→自由鍛制坯→二次加熱→摩擦壓力機上展開鍛造→液壓機上折彎→整形。鞍山太陽鍛造實業有限公司等公司也陸續采用此種工藝生產。
北京機電研究所在自由鍛造的基礎上，利用其在輥鍛方面的技術優勢，聯合寧波捷豐機械公司，對鍛造鉤尾框采用了精密輥鍛的模鍛技術。其工藝流程是：下料→中頻感應加熱→輥鍛機上4道次部分成形輥鍛→3150噸以上摩擦壓力機或高能螺旋壓力機上鍛造→切邊→在通用設備上用專用工裝或專用液壓折彎機折彎→整形。
圖2 鍛造鉤尾框成品
03 鉤舌的鍛造
鉤舌是車鉤的關鍵牽引部件，如果鉤舌發生斷裂，列車就會出現脫離事故，鉤舌在實際運用中出現的主要問題是斷裂和磨耗。據統計，在鉤舌的服役過程出現報廢的情況中，裂紋超限的情況占到90%以上，疲勞破壞是鉤舌的主要失效形式。
傳統的鉤舌生產方法為鑄造，因為鉤舌的形狀比較復雜，采用鑄造的方法能夠容易的生產出形狀復雜的零件。但在鉤舌鑄造過程中會產生氣孔、夾渣、縮孔和疏松等缺陷，這些缺陷在交變應力作用下，容易形成裂紋，甚至在使用過程中出現斷裂等故障。盡管科研人員在鉤舌的結構以及鑄造工藝和材料等方面采取過很多改進措施，但是鉤舌的斷裂和磨耗問題依然存在。因此，采用鍛造工藝來生產鉤舌，以進一步降低故障率顯得十分必要。
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2）加熱時間短、熱量集中、故熱影響區小，變形與應力也小，通常在焊后不必安排校正和熱處理工序。3）不需要焊絲、焊條等填充金屬，以及氧、乙炔、氬等焊接材料，焊接成本低。4）操作簡單，易于實現機械化和自動化，改善了勞動條件。5）生產率高，且無噪聲及有害氣體，在大批量生產中，可以和其他制造工序一起編到組裝線上。但閃光對焊因有火花噴濺，需要隔離。
缺點：1）目前還缺乏可靠的無損檢測方法，焊接質量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗來檢查，以及靠各種監控技術來保證。2）點、縫焊的搭接接頭不僅增加了構件的重量，且因在兩板間熔核周圍形成夾角，致使接頭的抗拉強度和疲勞強度較低。3）設備功率大，機械化自動化程度較高，使設備成本較高、維修較困難，并且常用的大功率單相交流焊機不利于電網的正常運行。
適用范圍：在汽車、飛機、儀器、家電、建筑用的鋼筋、等行業有廣泛應用，適用材料廣泛，只是易氧化金屬的電阻焊焊接性稍差。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板組件。各類鋼材、鋁、鎂等有色金屬及其合金、不銹鋼等均可焊接。
2
摩擦焊
摩擦焊是以機械能為能源的固相焊接。它是利用兩表面間機械摩擦所產生的熱來實現金屬的連接的。摩擦焊的熱量集中在接合面處，因此熱影響區窄。兩表面間須施加壓力，多數情況是在加熱終止時增大壓力，使熱態金屬受頂鍛而結合，一般結合面并不熔化。摩擦焊生產率較高，原理上幾乎所有能進行熱鍛的金屬都能摩擦焊接。摩擦焊還可以用于異種金屬的焊接。要適用于橫斷面為圓形的最大直徑為100mm的工件。
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