表面织构设计参数的效应与应用

表面织构设计参数的效应与应用摘要：表面研究已经证明表面织构化影响着减摩减损的作用，但是在不同的工况下，最优的去设计表面织构的参数才能够最大化的发挥表面织构对减摩减损的作用，在机械行业高速发展的今天，表面织构加工技术已日益成熟，更多的研究者在表面织构参数设计方面已开展了很多研究，研究结果表明表面织构的面积率、表面形貌、以及尺寸等都对摩擦学特性方面有着重要的影响。随着表面织构技术的发展，仿生学方面的表面织构在减阻应用方面的研究也日益增多，同时在防污应用方面，研究证明表面织构作为物理性的防污方法，与防污涂层结合才能最大化的达到防污的效果。关键词：表面织构作用原理；参数设计优化；减阻；防污EffectandapplicationofsurfacetexturedesignparametersAbstract:Surfacestudieshaveshownthatsurfacetextureaffectstheroleoffrictionreduction,butunderdifferentworkingconditions,theoptimaldesignofsurfacetextureparameterscanmaximizetheeffectofsurfacetextureonfrictionreduction.Withtherapiddevelopmentofthemachineryindustrytoday,surfacetextureprocessingtechnologyhasbecomeincreasinglymature.Moreresearchershavecarriedoutalotofresearchinthedesignofsurfacetextureparameters.Theresearchresultsshowthatthearearatioandsurfacemorphologyofsurfacetexture,Andsizehaveanimportantinfluenceonthetribologicalcharacteristics.Withthedevelopmentofsurfacetexturetechnology,theresearchonresistancereductionofsurfacetextureinbionicsisalsoincreasing.Atthesametime,intermsofanti-fouling,researchhasprovedthatsurfacetextureisaphysicalanti-foulingmethod,andanti-foulingcoatingsThecombinationcanmaximizetheanti-foulingeffect.Keywords:principleofsurfacetextureaction;parameterdesignoptimization;dragreduction;anti-fouling0引言自Hamilton[1]于1966年，最先应用表面织构技术在机械密封件表面制造出微型凸起物导致增强了表面的承载能力，同时降低了表面的摩擦系数，由此表面织构技术逐步受到越来越多地研究者的瞩目。在机械行业快速发展的今天，关于如何改善摩擦性能的研究已经做了很多，例如润滑能够改善摩擦性能的研究，郭飞飞等[2-3]分别探究了类金刚石膜和卵磷脂对CoCrMo合金的摩擦性能发现不同条件、不同工况下的减摩效果各不相同。而大量的研究证明经织构化处理的具有一定设计参数的表面有降低摩擦、减小磨损以及提高界面的承载能力等的特点，因此，表面织构技术已被视为一种能够有效改善界面摩擦性能的方法[4-10]。随着研究者对自然界功能化表面的认识逐步加深，越来越多的功能化表面[11]也受到研究者的认识。例如，鲨鱼体表的微小结构使其在水里游动时减小受到的水的阻力，借助这种结构和功能新型泳衣[12]；荷叶表面上的水滴可以向任意方向滚动在于荷叶表面的微尺度结构导致了其超疏水的性质[13-14]，因此超疏水涂层的研究有了更多的可能性。本文主要介绍了表面织构作用原理和表面织构的设计参数在摩擦学性能方面的影响，以及分析了表面织构的参数设计在减阻、防污应用等方面的影响。ab图1a)新型减阻泳衣[15]；b）自清洁效应，污染物粘附与夜滴上而不是植物表面[16]Fig.1a)Newdragreductionswimsuitb)Self-cleaningeffect,contaminatingparticlesadherenottotheleafsurfacebuttothedroplet1表面织构技术1.1表面织构作用原理当表面织构在不同的工况下，它的减摩减损原理也并不相同，直至目前，表面织构技术提高摩擦学性能的作用原理主要有三种，分别为：在干摩擦中，表面织构的捕获作用；混合润滑中的“二次润滑”作用；流体润滑中的附加流体动压效应[17-21]。（1）在干摩擦中，由于物体的接触摩擦，所产生的小碎屑会堆积在物体表面，从而导致物体的接触摩擦力变大，而当物体表面增加了表面织构后，所形成的表面微型形貌可将因磨损而产生的小碎屑储存起来，这样就减小了表面粗糙度，从而改善了摩擦学性能[22]。（2）在速度低、负载大且使用润滑油的工况下，对物体的表面进行织构化后，表面织构所形成的微型形貌可充当存储润滑油的作用，从而形成“二次润滑”的效果。因此可改善摩擦学性能[23-24]。（3）在速度高、负载小的工况下，对物体表面进行织构化后，表面织构所形成的微型形貌在局部形成了流体动压润滑，同时摩擦副在接触过程中产生液体动压薄膜，促进流体动压润滑产生，从而了提高摩擦副的承载能力，降低了接触表面的摩擦因数。而这种现象的产生则是因为附加流体动压效应[25-26]。从表面织构的作用原理可知表面织构的形貌尺寸多少影响着表面织构提高摩擦学性能的三种作用机理，因此表面织构的设计参数优化就显得十分重要。1.2表面织构参数效应表面加工技术即通过设计参数，对其进行加工所得到的按照设计的规则所分布的表面微型结构的技术。而表面织构化则是在其试样表面通过表面织构技术加工出按设计的具有一定参数的表面[27]。目前为止，表面织构的加工技术主要有反应离子刻蚀表面技术[28-29]、喷丸表面技术[30-31]、电火花表面技术[32-34]、光刻表面技术[35]、电子束刻蚀表面技术[36]，激光加工表面技术[37-42]等。而众多的表面加工技术中的激光加工表面技术因其具有无接触、不磨损、热变形小、操作灵活、精度高等特点被学者广泛使用[43-44]。1.2.1面积率的影响众多的研究发现，表面织构在承载力、减摩、减损等方面的效果与表面织构的面积率并非成线性增加关系，同时表面织构的面积率在不同的设计参数以及不同的工况下的最优面积比不同。何霞等[45]在钻头滑动轴承表面摩擦学的研究中发现，当织构化滑动轴承偏心率为0.4时，轴承承载力在面积比为8%时达到最大值，使其承载力提升了17.4%；当轴承偏心率为0.6时，承载力在面积比为13%时达到峰值，是无织构光滑轴承的1.167倍；当偏心率为0.8时，最佳织构面积比为18%，使轴承承载力提升了28.7%，而当表面织构的面积比大于20%时反而出现了润滑性能降低的现象。同样戴庆文等[46]在探究表面能否提升机械密封性的研究中，在密封副表面设计出V型沟槽表面织构和直槽型表面织构，研究发现当密封副由硬质合金/碳石墨组成（硬对软）且表面织构的面积比为4%，减摩和抑制泄漏效果较优。而当密封副由硬质合金/碳化硅组成（硬对硬）且表面织构的面积比为6%的直槽型表面织构，减摩和抑制泄漏效果较优。两人的研究结论一致，表明表面织构的面积率和减摩等效能并未成线性关系。李亚军等[47]使用激光加工的技术对45钢进行表面织构化，研究其在干摩擦和乏油两种状态下的摩擦磨损性能，研究发现，在干摩擦和乏油两种条件下，当表面织构的密度逐步增大时，其45钢表面的磨损率呈先减后增的变化趋势，且当表面织构的密度为8.1%的时候，其45钢表面的抗磨效果最优。该研究结论同样表明了表面织构的面积比与减摩效果并未成线性关系。而周元凯等[48]在往复运动条件下研究了在不同载荷下，圆凹坑形的表面织构的面积率的减摩性能时发现，在不同载荷下表面织构的面积率与减摩效果并未完全成线性关系。在低载荷下，表面织构的面积率为10%时，减摩效果最好，在中载荷下，表面织构的面积率为6%时，减摩效果最好，而在较大载荷下，表面织构的面积率为2%、6%和10%时，摩擦因数都增大，减摩效果较差。通过这些研究结果可以发现表面织构的面积比和减摩、减损、提高承载力以及抑制泄露效果等并非成线性关系，而是在不同的工况下、不同的设计参数条件下表面织构的最优面积比不同。1.2.2表面织构形貌、尺寸等参数的影响表面织构改善摩擦学性能的效果不光取决于表面织构的面积比，表面织构的形貌、尺寸等同样与其润滑性能及摩擦学性能并非成线性关系，且不同的工况下各自存在最优的形貌及尺寸等参数。廖文玲等[49]在研究织构表面动压润滑性能时，设计出圆形、椭圆形和条形三种不同的表面织构进行试验，试验结果表明三种表面织构中动压润滑性能由优到劣依次分别为圆形表面织构，条形表面织构，椭圆形表面织构，同时试验发现在不同的表面织构深度和不同的表面织构分布角度条件下表面织构动压润滑性能的影响也并不相同，结论表明当不同截面形状织构表面织构的平均深度越接近摩擦副表面的油膜厚度，其表面织构的动压润滑性能越好。该研究结果表明了表面织构的形貌、深度、分布角度等参数对其动压润滑性能分别有着影响。同样该结论也在其他的试验研究结论中出现，像高元等[50]在表面织构对滑动轴承润滑性能的影响研究中发现表面织构深度与改善润滑效果并非呈线性关系，试验结论还表明不同织构形式其最优深度值也并不相同。在同等条件下，所设计的单列矩形凹槽、矩形凹坑、椭圆形三种不同型表面织构中，发现润滑效果最好的是单列矩形凹槽表面织构，润滑效果最差的是椭圆形表面织构，矩形凹坑表面织构的润滑效果介于两者之间，该研究同样证明了表面织构的参数设计影响其润滑效果。王磊[51]采用激光雕刻技术将试验材料灰铸铁HT250加工成具有凹坑状、条纹状、网格状的表面织构进行试验，结论表明，三种不同型表面织构的耐磨性和摩擦系数均有提高，网格状表面织构最优，依次是条纹状表面织构，最差是凹坑状表面织构。与此同时，试样也经历了温度的试验，发现表面织构化试样的温度与其摩擦学性能成反比，温度越高摩擦学性能越差，尤其是在300℃以上。该研究结果表明不同的工况、不同的形貌都对耐磨性有所影响。张娜等[52]在探究刀具正弦型沟槽表面织构的不同角度对接触表面摩擦学性能的影响时，在硬质合金表面采用激光加工技术加工出不同角度的沟槽型织构，并使用有限元软件对其进行仿真分析，发现90°沟槽型表面织构可以大幅度改善硬质合金表面的摩擦学特性。该研究结论同样表明表面织构的摩擦学性能受到表面织构形貌、尺寸等参数的影响。通过表面织构的形貌、尺寸参数等数据，可以看出，表面织构的优化效果需要在不同的工况下，设计成不同参数的表面织构，这样才能最大化的发挥出表面织构的优势。2表面织构在减阻防污方面的应用2.1减阻效应在20世纪30年代，一些学者逐步开始了关于水面减阻技术的研究，在70年代，NASA兰利研究中心发现，表面为微型凹坑时在顺流向能够降低水面的阻力，该研究发现打破了表面越光滑则阻力越小的传统的阻力认知[53-54]。随着经济的发展，严重的能源危机问题越来越严重，而水面减阻技术的深入研究对舰艇、船舶、流体输运等领域在减少能源损耗方面具有重要意义[55]。江国琛等[56]采用飞秒激光制备微纳结构工艺，在微U形沟槽结构表面减阻性能与耐腐蚀性能的研究中，利用超快激光在6061铝合金表面制备出多种形状的微纳沟槽结构进行试验，试验结果表明，微沟槽结构表面具有一定的减阻效果，并且在试验中发现当微沟槽结构表面的宽度为25μm和50μm，深度均为20μm时，两种不同宽度的表面U形沟槽织构的运动时间相对未经处理过的表面的运动时间分别缩短了4.3%和11.6%。研究结果表明织构化处理过的表面可以有效减小阻力。而表面织构的形貌与尺寸参数影响着减阻的性能。表面织构是仿生设计的一种非光滑表面设计，在广泛应用于机械表面的同时，部分学者将表面织构应用于抽油泵柱塞表面，像赵怡然[57]将抽油泵柱塞表面进行织构化，并对其织构的参数进行优化，来研究其抽油泵柱塞表面的摩擦学性能，研究发现，当表面织构为六边形横纵比为2、夹角角度为135°时摩擦因数出现峰值，当横纵比为2、夹角角度为105°时摩擦因数出现最小值。而进行优化后的六边形表面织构，在横纵比为2、夹角角度为105°的参数设计下具有良好的减阻效果。该研究成果同样表明表面织构的形貌、尺寸参数影响着减阻效果。图2不同的船舶减租技术[55]Fig.2Differentshipcharterreductiontechnologies2.2防污效应目前，海洋的生物污损已成为全球性问题，严重的影响着船只和装备在海洋环境中的性能。越来越多的研究者们通过借鉴海洋生物表面具有的防污特性使用表面织构技术来研究如何防污[58-60]。而表面织构技术作为一种物理性的防污方法，同时对海洋环境不会造成污染，但目前关于表面织构防污技术的研究表明其单独应用，并不能达到广谱的防污效果，因此，表面织构技术与防污涂层技术的结合才能最大化的达到防污的效果。图3生物污损现象[15.61-63]Fig.3Biofoulingphenomena图4防止海洋生物污损附着的方式[62]Fig.4Waystopreventtheattachmentofmarineorganisms陈子飞等[64]将防污涂层表面进行仿甲鱼壳织构化，以此来研究其对生物污损中的舟形藻和新月藻的防污性能时，将PDMS（DOW184硅酮树脂）混合液置于甲鱼壳上在70℃下固化12h，得到PDMS模板，同时将SKCA（有机硅改性丙烯酸树脂）与HDI三聚体（固化剂）和二甲苯（溶剂）按质量比3:1:1.5混合成混合液，随后将PDMS模板与混合液进行混合，最后再在7℃下固化12h，从而得到表面具有甲鱼壳仿生织构正负形貌的有机硅改性丙烯酸酯涂层。该试验结果表明，仿甲鱼壳表面织构化的涂层的表面疏水性增强，从而使舟形藻和新月藻在涂层上的粘附量分别降低了69%、50%和52%、53%，因此表面织构化的涂层对其有较好的防污效果。该研究成果证明了经表面织构化处理后的涂层具有显著的防污性能。郭飞飞等[65]在人体关节表面材料的应用中指出，微/纳结构与功能仿生的结合在未来的表面织构发展中是一个重要的应用方向，像许季海等[66]制备了直径3μm，高度500nm的规则微/纳凸柱状织构表面的有机硅改性丙烯酸酯涂层来探究其涂层的防污性能，试验结果表明，织构化涂层表面的接触角随微/纳凸柱状织构的表面覆盖率呈正相关线性关系，而丝藻和舟形藻在涂层的附着量随着微/纳凸柱状织构化表面覆盖率呈负相关线性关系。并且当微/纳凸柱状织构表面覆盖率为21%时，相对于无表面织构化涂层，丝藻的粘附量降低了82%，舟形藻的粘附量降低了73%。该研究结论与陈子飞等[64]研究结论一致，同时该研究结果表明表面织构的面积率影响其涂层的防污性能。张海春等[67]在研究表面微结构与自抛光的协同防污效果时，将具有吸水溶胀能力的微球加入到自抛光树脂中，通过交联反应制备了表面微结构自抛光防污涂层，试验结果表明，涂层自抛光过程中，微结构形貌的变化随微球含量的增加而更加明显；涂层溶胀率与微球的含量正相关，自抛光率与可水解单体含量正相关，但可水解单体含量过大时，涂层溶胀与自抛光成相互制约关系；小球藻附着率随微球含量的增加而增大，随可水解单体含量的增加而下降，当微球分散液质量分数为10%、可水解单体质量分数为40%时，涂层抑制小球藻附着的效果最佳。该研究结论与许季海等[66]结论一致表明涂层表面织构的参数设计影响着防污性能。图5微/纳凸柱状织构化的涂层的SEM观察图[66]Fig.5SEMobservationofmicro/nanoconvexcolumnartexturedcoating图6舟形藻附着在涂层上两种形态的SEM观察图[66]Fig.6SEMobservationsofthetwomorphologiesofS.marinaattachedtothecoating通过这些研究表明表面织构的参数设计影响着在单独防污应用方面以及与防污涂层结合时的防污应用效果。3总结与展望表面织构技术已被证明能够改善摩擦学性能，但是其参数设计影响着最优的摩擦学性能，因此，我们需要找到最优的参数设计方案，才能发挥出最优的摩擦学性能，同时参数设计也影响着表面织构技术在其减阻、防污应用等方面。随着国内外关于表面织构的研究日益增多，在接下来的研究中研究中如何高效的去研究表面织构，这是接来下研究者需要的解决的一个关键：（1）由于探究表面织构的不同参数设计在其不同工况下摩擦学性能的研究周期较长，所以更多的需要利用仿真软件进行仿真分析，这样可以加快试验研究周期。（2）表面织构技术在未来有望结合其他技术，从而应用到更多的应用中去。参考文献（References）：Atheoryoflubricationbymicroirregularities:D.B.Hamilton,J.A.WalowitandC.M.Allen,Trans.ASME,Ser.D,88(1)(1966)177–185.(J.BasicEng.)[J].Elsevier,1967,10(5).郭飞飞,胥光申,任明基,等.类金刚石膜对CoCrMo合金摩擦性能的影响[J].表面技术,2020,49(02):172-177.GUOFF,XUGS,RENMJ,etal.Theeffectofdiamond-likecarbonfilmonthefrictionpropertiesofCoCrMoalloy[J].SurfaceTechnology,2020,49(02):172-177.郭飞飞,董光能,金守峰,等.卵磷脂润滑对CoCrMo合金摩擦行为的影响[J].华中科技大学学报(自然科学版),2018,46(06):26-30.GUOFF,DONGGN,JINSF,etal.TheeffectoflecithinlubricationonthefrictionbehaviorofCoCrMoalloy[J].JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition),2018,46(06):26-30.向道辉,胡永伟,陈艳彬,等.刀具基体表面织构化对硼掺杂金刚石薄膜性能的影响[J/OL].表面技术:1-9[2020-06-16].XIANGDH,HUYW,CHENYB,etal.Effectofsurfacetextureofcuttermatrixonthepropertiesofboron-dopeddiamondfilm[J/OL].Surfacetechnology:1-9[2020-06-16].李甜甜,孙耀宁,张丽,等.表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展[J].机械工程材料,2020,44(05):44-48.LITT,SUNYN,ZHANGL,etal.Researchprogressontheeffectofsurfacetextureontribologicalproperties[J].MechanicalEngineeringMaterials,2020,44(05):44-48.王丽丽,郭少辉,魏聿梁,等.表面微织构对45#钢摩擦副表面摩擦学性能影响的实验研究[J].表面技术,2018,47(12):149-154.WANGLL,GUOSH,WEIYL,etal.Experimentalstudyontheeffectofsurfacemicrotextureonthetribologicalpropertiesof45#steelfrictionpairsurface[J].SurfaceTechnology,2018,47(12):149-154.林乃明,谢瑞珍,郭俊文,等.表面织构-离子氮化复合处理改善316不锈钢的摩擦学性能[J].中国表面工程,2016,29(02):58-68.LINNM,XIERZ,GUOJW,etal.Surfacetexture-ionnitridingcompositetreatmentimprovesthetribologicalpropertiesof316stainlesssteel[J].ChinaSurfaceEngineering,2016,29(02):58-68.李超,裴世源,郑文斌,等.表面织构对错位瓦轴承静动特性的影响[J].润滑与密封,2020,45(05):18-24.LIC,PEISY,ZHENGWB,etal.Effectofsurfacetextureonthestaticanddynamiccharacteristicsofmisalignedpadbearings[J].LubricationandSealing,2020,45(05):18-24.缪晨炜,郭智威,袁成清,等.缸套-活塞环织构化耦合机理及减摩性能研究[J].表面技术,2020,49(03):124-133.MIAOCW,GUOZW,YUANCQ,etal.Cylinderliner-pistonringtexturecouplingmechanismandanti-frictionperformancestudy[J].SurfaceTechnology,2020,49(03):124-133.王国荣,廖代胜,钟林,等.沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响[J].表面技术,2019,48(12):165-173.WANGGR,LIAODS,ZHONGL,etal.Effectofgroove-shapedsurfacetextureonfrictionperformanceofplungersealpair[J].SurfaceTechnology,2019,48(12):165-173.蒋帆,赵越,胡吉明.超疏水表面在金属防护中应用的研究进展[J].表面技术,2020,49(02):109-123.JIANGF,ZHAOY,HUJM.Researchprogressontheapplicationofsuper-hydrophobicsurfacesinmetalprotection[J].SurfaceTechnology,2020,49(02):109-123.ChelseaM.Magin,ScottP.Cooper,AnthonyB.Brennan.Non-toxicantifoulingstrategies[J].ElsevierLtd,2010,13(4).M.Nosonovsky,B.Bhushan.Multiscaledissipativemechanismsandhierarchicalsurfaces:friction,superhydrophobicity,andbiomimetics.SpringerScienceandBusinessMedia,2008.P.Gregorčič,B.Šetina-Batič,M.Hočevar.Controllingthestainlesssteelsurfacewettabilitybynanoseconddirectlasertexturingathighfluences[J].SpringerBerlinHeidelberg,2017,123(12).秦立果,杨浩,董光能,等.柔性表面织构化在海洋装备减阻与防污上的应用[J].表面技术,2019,48(06):150-157.QINLG,YANGH,DONGGN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