水凝胶因其对水的超强吸收能力而闻名，它的灵活性与天然组织非常相似。这种相似性使水凝胶不仅成为生物材料的常见选择，而且也成为电子、环境和消费品应用的选择，如隐形眼镜。每个独特的应用都需要特定的水凝胶机械性能。
水凝胶为纳米压痕带来了独特的挑战，如测试参数的选择和样品的准备。许多纳米压痕系统有很大的局限性，因为它们最初的设计并不是用于 这种柔软的材料。一些纳米压痕系统使用一个线圈/磁铁组件在样品上施加力。没有实际的力的测量，导致在测试软质材料时出现不准确的和非线性的加载。 材料。确定接触点是非常困难的，因为 深度是唯一被实际测量的参数。几乎不可能观察到在 深度与时间 期间的情节 当压头尖端接近水凝胶材料时的一段时期。
为了克服这些系统的局限性，在 "纳米 "模块中的 NANOVEA 机械测试仪 使用单独的称重传感器测量力反馈，以确保所有类型的材料（软质或硬质）的高精度。压电控制的位移极其精确且快速。通过消除具有线圈/磁铁组件且无力反馈的系统必须考虑的许多理论假设，可以实现无与伦比的粘弹性测量。
用纳米压痕技术对放置在玻璃片上的水凝胶样品进行测试，使用的是 NANOVEA 机械测试仪。对于这种柔软的材料，使用了一个直径为3毫米的球形尖端。在加载期间，载荷从0.06到10 mN线性增加。然后通过在最大载荷10 mN下70秒的压痕深度的变化来测量蠕变。
接近速度。 100 μm/min
20 mN/min
载荷和深度随时间的变化如图所示 图1.可以观察到，在图上的 深度与时间因此，很难确定加载期开始时的斜率变化点，这通常可以作为压头开始接触软质材料的指示。然而，图中的 负载与时间 显示了水凝胶在外加载荷下的奇特行为。当水凝胶开始与球压头接触时，水凝胶由于其表面张力而拉动球压头，这往往会减少表面积。这种行为导致了在加载阶段开始时测量到的负载为负值。当压头沉入水凝胶时，载荷逐渐增加，然后控制在最大载荷10 mN的位置，持续70秒，以研究水凝胶的蠕变行为。
图1: 负荷和深度的演变是时间的一个函数。
的情节。 蠕变深度与时间的关系 显示在 图2，以及 负荷与位移的关系 纳米压痕测试的曲线图如图所示 图3.本研究中的水凝胶拥有16.9KPa的硬度和160.2KPa的杨氏模量，这是根据使用Oliver-Pharr方法的负载位移曲线计算出来的。
蠕变是研究水凝胶机械性能的一个重要因素。压电装置和超灵敏的称重传感器之间的闭环反馈控制确保了在最大载荷的蠕变时间内的真正恒定载荷。如图所示 图2在3毫米球头施加的10毫牛最大负荷下，水凝胶在70秒内因蠕变而消退~42微米。
图2: 在最大负荷为10 mN的情况下蠕动70秒。
图3: 水凝胶的负载与位移图。
在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 机械测试仪在纳米压痕模式下，对水凝胶的机械性能包括硬度、杨氏模量和蠕变进行精确和可重复的测量。3毫米的大球头确保了与水凝胶表面的正确接触。高精度的电动样品台允许将水凝胶样品的平坦面准确地定位在球头下。本研究中的水凝胶表现出16.9KPa的硬度和160.2KPa的杨氏模量。在10mN的负载下，70秒的蠕变深度为~42μm。
NANOVEA 机械测试仪在一个平台上提供无可比拟的多功能纳米和微米模块。这两个模块包括划痕测试器、硬度测试器和磨损测试器模式，在一个单一的平台上提供最广泛和最友好的测试范围。
系统。
活塞磨损测试可在受控实验室条件下评估活塞裙和气缸套之间的摩擦、润滑和材料耐久性。使用 摩擦仪, 通过该系统，工程师可以复制真实的往复运动，并精确测量摩擦系数、磨损率和三维表面形貌。这些结果为了解发动机活塞所用涂层、润滑剂和合金的摩擦学行为提供了重要依据，有助于优化性能、燃油效率和长期可靠性。.
动力缸系统和活塞裙边-润滑油-缸套界面示意图。
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机油是一种为其应用而精心设计的润滑剂。除了基础油之外，还添加了清洁剂、分散剂、粘度改进剂（VI）、抗磨损/抗摩擦剂和缓蚀剂等添加剂，以提高其性能。这些添加剂影响油在不同操作条件下的表现。油的行为会影响P-L-C界面，并决定是否发生金属-金属接触的显著磨损或流体动力润滑（极少磨损）。
如果不将该地区与外部变量隔离，就很难理解P-L-C接口。用能代表其现实应用的条件来模拟该事件更为实际。该 NANOVEA 摩擦仪是这方面的理想选择。配备了多个力传感器、深度传感器、逐滴润滑剂模块和线性往复台。 NANOVEA T2000 能够密切模拟发动机缸体内发生的事件，并获得宝贵的数据，从而更好地了解 P-L-C 接口。.
NANOVEA T2000摩擦仪的液体模块
逐滴模块对这项研究至关重要。由于活塞可以以非常快的速度运动（超过3000转/分），因此很难通过浸没样品来形成一层润滑油薄膜。为了解决这个问题，逐滴模块能够持续地在活塞裙部表面施加恒定数量的润滑剂。
新润滑油的应用也消除了脱落的磨损污染物对润滑油性能的影响。
负载 ............................100 N
测试时间 ............................30分钟
速度 ............................2000转/分
AMPLITUDE ............................10毫米
总距离 ............................1200 m
涂层 ............................钼-石墨
销材料 ............................铝合金 5052
针孔直径 ............................10毫米
润滑油 ............................机油（10W-30）
流动速度 ............................60 mL/min
温度 ............................室温和90°C
基于摩擦磨损测试仪的活塞磨损测试可帮助人们深入了解材料选择和润滑策略如何影响发动机的实际可靠性。实验室可以在真实的机械负载和温度条件下评估涂层、润滑油和合金表面，而无需依赖昂贵的全发动机测试。NANOVEA 的 3D 轮廓测量 和摩擦学模块可精确测绘磨损深度和摩擦稳定性，帮助研发团队优化性能并缩短开发周期。.
在本实验中，A5052 被用作对抗材料。发动机缸体通常由 A356 等铸铝制成，而 A5052 的机械性能与 A356 相似，因此可用于模拟测试 [1]。.
在测试条件下，观察到活塞裙部在室温下比在 90°C 下有明显磨损。样品上的深度划痕表明，在整个测试过程中，静态材料和活塞裙之间经常发生接触。室温下的高粘度可能限制了润滑油完全填满接口处的间隙并产生金属与金属之间的接触。温度升高后，机油变稀，能够在销轴和活塞之间流动。因此，在较高温度下观察到的磨损明显减少。图 5 显示，磨损疤痕一侧的磨损明显小于另一侧。这很可能是由于机油输出的位置造成的。一侧的润滑油膜厚度比另一侧厚，导致磨损不均匀。.
[1] “5052 铝与 356.0 铝”。MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum
表1: 活塞的润滑磨损试验结果。
图1: 常温油品磨损试验的COF图A原始曲线B高通过率C低通过率。
图2: 90°C耐磨油测试的COF图A原始轮廓B高通过C低通过。
图3: 来自RT机油磨损试验的磨损痕的光学图像。
图4: 来自RT机油磨损试验的磨损疤痕的孔洞分析量。
图5: 来自RT机油磨损测试的磨损疤痕的轮廓测量扫描。
图6: 来自90°C机油磨损试验的磨损痕的光学图像
图7: 来自90°C机油磨损试验的磨损疤痕的孔洞分析量。
图8: 来自90°C机油磨损试验的磨损痕的轮廓测量扫描。
对活塞进行了润滑线性往复磨损测试，以模拟实际运行发动机中发生的情况。活塞裙-润滑剂-缸套界面对发动机的运行至关重要。活塞裙和气缸套之间的摩擦或磨损会造成能量损失，而界面上的润滑油厚度就是造成能量损失的原因。为了优化发动机，油膜厚度必须尽可能薄，同时不允许活塞裙和气缸套接触。然而，所面临的挑战是温度、速度和力的变化将如何影响 P-L-C 接口。.
NANOVEA T2000摩擦磨损仪的载荷（最大 2000 N）和转速（最大 15000 rpm）范围很广，能够模拟发动机中可能出现的各种情况。未来可能进行的相关研究包括：P-L-C 接口在不同的恒定载荷、振荡载荷、润滑油温度、转速和润滑油应用方法下的表现。这些参数可以通过 NANOVEA T2000摩擦磨损仪轻松调整，从而全面了解活塞裙-润滑剂-气缸套界面的机理。
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