生物非光滑耐磨技术的研究进展

生物非光滑耐磨技术的研究进展

生物非精密表面的表征在数亿年的自然进化中，植物和动物不仅适应周围环境，而且程度相当完美。实际上一些植物和动物的特殊功能超越了人类,因此,近几十年来仿生学发展异常迅速。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能,仿生技术将各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究,实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。生物非光滑表面普遍存在于自然界中无论是陆地、海洋或是天空中的生物,其表面的不同形貌往往都是为适应不同的生活环境需要而进化成的。天空中飞行的生物的体表或翅膀并未进化为光滑的表皮或翼膜,而是由羽毛组成的低能量非光滑表面;水中生物的体表,尤其是行动敏捷的生物,其体表也不是光滑的,而是由鳞片或皮下结缔组织构成的非光滑表面;生活在粘湿土壤中而又不易粘附土壤的生物体表也都表现为非光滑表面形态,生物非光滑表面的形貌特征与其功能特性关系是工程仿生学研究的一个方向。对生物非光滑技术的研究,主要集中于非光滑表面的减阻脱附和耐磨方面.1生物非滑动嘴唇仿生学认为,生物的器官、结构和功能是为适应生存环境经过亿万年的长期进化而形成的最佳结果。生物非光滑表面同样是长期进化的结果。按生物进化论,生物生长中会受到外力的作用或刺激,这些外力的刺激不可能是均匀地、全面地覆盖于其全部体表,依据生物“用进废退”学说,部分反复经受刺激作用的部位可能就会出现一定凸起或凹陷,最终进化形成形态各异的非光滑生物表面。基于同样的逻辑推理,生物非光滑耐磨体表也正是这些生物在其生存的自然环境中长期经受不均衡外力刺激或作用的结果。吉林大学研究人员最早于1990年提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理论,发现竹材与穿山甲鳞片的磨粒磨损行为具有明显的方向性,磨损表面呈明显的非光滑形态。对某些海洋生物如沙滩贝壳表面的非光滑形态的研究发现,它们对承受海水的冲刷有重要作用。动物的牙齿表面的非光滑形貌也是比较典型的例子。下面以贝壳、牙齿、竹材、穿山甲鳞片等几种典型生物非光滑耐磨形态为例,对每种特定生物的非光滑表面形态几何形状与尺寸进行分析,这对工程仿生设计与制造具有借鉴与指导作用。非光滑耐磨表面主要包括以下几种基本类型(见图1):(1)凸包状:以贝壳为例,如图1c所示。凸包单元尺寸为50～100μm,形状近似为圆柱型或方柱型,高度在10～50μm;凸包单元分布密度为50～100个/mm2,呈规则的环型且中心辐射状均匀分布;图1e和图1f分别示出了人的门牙耐磨表面的凸包状形态及天然竹材端面磨损后的凸起纤维结构形态。(2)凹坑状:以贝壳为例,如图1b所示。凹坑直径约10～30μm,形状多数近似椭圆状或圆形,凹坑单元分布密度为2000～3000个/mm2,单元基本呈随机分布。(3)沟槽状:以贝壳为例,如图1a所示。贝壳表面凸起单元分布整体呈沟槽状,沟槽间距在50μm以下,沟脊之间近乎平行或呈中心辐射状。(4)鳞片状:穿山甲体表具有典型的鳞片状形貌,如图2所示。以上几种类型只是基本的单元形貌形式,实际的非光滑生物表面的形貌形式是各种各样的,大多可归结为几种基本单元的复合形式,如图1d,即可视为凸包状、沟槽状单元按中心辐射状分布的表面耐磨形貌。2非滑动材料表面检测对非光滑的概念有不同的理解,目前有毛化、粗化和翅化几种不同提法。非光滑尺度一般分宏观非光滑、细观非光滑和微观非光滑3类,通常所讨论的尺度一般指的是细观范围。目前,工程中材料或工件表面实现非光滑形貌的技术方法有多种,激光束、离子束、电子束3种高能量密度热源的实用化,为细观、微观非光滑耐磨技术在工程实际中的应用提供了支撑。但限于加工工艺与成本,目前多采用凹坑、凸包形态,还需研究其它非光滑形态的成型工艺。3非平滑表面技术在工程中的应用3.1活塞环及气缸套系统NakadaM通过对一种典型的发动机的调查发现,大约40%的能量被发动机的摩擦力所消耗,而在发动机的零部件中,摩擦损失最大的是活塞环及气缸套系统,占50%～60%。因为适当的润滑及表面粗糙度是减小活塞环及气缸套系统摩擦力的关键,为此各国学者做了大量研究。RohdeSM于年首次提出用微观非光滑表面减小摩擦力的方法;RonenA等人用不同大小的凹坑表面代表活塞环模拟活塞环及气缸套系统,研究结果表明,非光滑表面试件的平均摩擦力比光滑表面试件的平均摩擦力减小30%,甚至更多。3.2非润滑表面模型对密封表面进行适当的非光滑处理是未来机械密封件的发展方向,为增加密封件间承载能力和油膜刚度,减小摩擦和磨损,EtsionI和BursteinL于1996年提出规则非光滑表面结构的密封件模型,当一个密封面上均匀分布有半球形微坑时,密封性能得到很大提高。EtsionI等1997年又对经激光处理的几种不同的非光滑坑形密封面进行了研究,结果证明,最佳非光滑表面形貌为球形坑且存在使油膜刚度最大的最佳深径比。EtsionI等1999年在试验室内对水泵中的密封垫进行对比试验研究表明,光滑的密封面可看到磨损痕迹,而非光滑表面丝毫无损。3.3非精密剥削产品近年来为提高冷轧辊的耐磨性,采用特殊调制的高重复频率、高能量密度的大功率YAG脉冲激光束作用于轧辊表面,使其产生一定非光滑形貌以实现非光滑耐磨。目前可实现的非光滑形貌主要有凹坑和凸包。应用表明,冷轧辊经激光处理成非光滑形貌后,其使用效果和寿命明显提高。在20辊森吉米尔轧机上用其冷轧低碳钢钢板,其轧辊寿命比普通轧辊提高3倍以上;用其平整退火低碳钢钢板,其使用寿命可比普通轧辊提高5倍以上,甚至超过10倍。在普通的二辊轧机上用非光滑轧辊冷轧高强度65Mn弹簧钢,其寿命是普通轧辊的2～3倍。4在项目中应用非平滑表面技术4.1干摩擦试验结果根据仿生学理论,利用铝合金活塞和铸铁气缸套材料设计了光滑和几种不同仿生非光滑形貌的摩擦副,并在摩擦磨损试验机上进行对比试验。结果表明,在干摩擦时,非光滑形貌与光滑形貌的摩擦副的摩擦性能差异不大;在沾油润滑条件下,仿生非光滑形貌的摩擦副的抗粘着磨损性能明显优于光滑形貌,最佳非光滑形貌的抗磨损性能比光滑形貌提高4倍多,其原因是在有润滑条件下,仿生非光滑形貌具有较强的贮存润滑油及形成油膜的能力。4.2仿生非精密表面复合层的制备仿生非光滑复合层是将硬质颗粒钎焊在基体材料(碳钢)表面,这种结构既保证了基体的强韧性和非光滑几何单元体的耐磨性,又能保证非光滑表面具有生物非光滑表面的减阻耐磨作用复合层的厚度可根据使用要求从几毫米到几十毫米任意调节,通过调整钎料配比和硬质颗粒类型和数量,可得到耐热、耐蚀、耐磨多功能仿生非光滑表面复合层。非光滑表面能将磨料对表面的犁削变为滚动,在两体静载磨料磨损工况下,仿生非光滑耐磨复合层的耐磨性是45号钢的29倍。4.3铜合金基金体的动态非织造材料对于WC/铜基复合材料,高硬度、高体积分数的WC颗粒凸出在表面上承受载荷,不仅阻止了磨粒的刺入,且可能使磨粒棱角钝化,甚至把磨粒从砂纸上剥下,从而减轻或阻止了磨粒对材料的显微切削或划伤;高塑性的铜合金基体则牢牢固结增强体颗粒、吸收能量、减弱因磨粒多冲效应引起的疲劳剥落,并使犁削、剪切变形局限在很薄的表面层内。随机分布的WC增强体颗粒作为非光滑结构单元体,构成了动态的几何非光滑表面。在一定尺度范围内,WC颗粒增大,耐磨性增加。同时,附着有基体铜的磨粒在非光滑结构单元的阻滞下可能重新嵌入较软的复合材料基体中阻挡其他磨粒对材料的磨损,或在复合材料与磨料之间滚动以削减磨料对复合材料表面的作用力;基体则由于磨料的挤压,在WC颗粒之间变形,焊合微裂纹,吸收能量、松弛内应力。上述过程体现出生物材料的某种自我保护、甚至是自修复功能。5生物表面的计算机模拟和量理系统的建立生物非光滑仿生研究目前正处于发展阶段,还有一些理论与技术问题有待解决。而关于仿生非光滑耐磨理论与技术的研究还刚刚起步,许多问题仍需作深入细致研究。主要包括:(1)建立生物非光滑耐磨表面数学模型及其计算机动态模拟。对一些典型的水生、陆生动植物耐磨表面,依据与环境作用和运动方式不同进行分类,选择基本类型进行数学解析表达,进而通过数学表面的特征参数控制实现生物表面的计算机模拟。(2)建立生物耐磨表面及其耐磨行为与环境影响参数间的动力学方程。选择典型生物的耐磨表面,揭示其与外界作用系统间相对滑动、转动等不同运动方式,不同载荷、速度等因素作用时的界面作用力变化规律。(3)定量探索与定性分析典型生物耐磨表面的耐磨机制以及表面形态参数对耐磨效果的影响规律。对指定的典型生物非光滑表面,从表面形态学、化学、环境条件、运动学等几方面定性定量探索分析光滑与非光滑表面耐磨的机制与规律,考察表面形态参数对耐磨效果的影响规律。(4)生物非光滑耐磨表面在工业应用中的仿生据和评价模型。从生物非光滑耐磨表面的数学描与计算机模拟,到各种材料耐磨表面的加工技术,到耐