表面織構(gòu)技術在摩擦控制中的應用

表面織構(gòu)技術在摩擦控制中的應用

摩擦和副之間的相對運動不可避免地會產(chǎn)生摩擦和磨損。世界上約80%的設備零件損失是由摩擦和磨損造成的。通過電火花加工、激光加工、表面噴丸處理、微細電解、化學反應離子刻蝕、光刻、3D打印、LGD技術和納米壓印等方式在材料表面制備出具有一定排列規(guī)則的幾何陣列，即為表面織構(gòu)技術，能夠有效控制材料表面的摩擦性能在過去的二十年中，已發(fā)表和引用了大量的表面織構(gòu)技術在控制摩擦方面的文章，如圖1所示，近五年顯著增多，體現(xiàn)了較高的研究潛力，包括機械工程、冶金工程、航天工程、化學工程、船舶動力工程、光學、新能源、高新技術、生物工程等各個領域，如圖1（b）所示，在機械領域中應用最為廣泛。例如：軸承為提高表面織構(gòu)的減摩效果，已進行了大量的理論和實驗研究，開發(fā)出了多種理論模型、優(yōu)化方法及實驗方法。Mao和Zeng1降低磨損面積在不同摩擦形式下，表面織構(gòu)的減摩機理也不同目前，能夠解釋不同摩擦形式下表面織構(gòu)的減摩機理有以下幾種：（1）在干摩擦下，表面織構(gòu)的存在能有效儲存摩擦副表面相互摩擦時脫落下來的磨粒和磨屑，延遲磨損過程，與此同時，還能有效減少摩擦副表面間的實際接觸面積，減少固體間的直接接觸，進而起到降低摩擦、減小磨損的作用，如圖3（a）所示。（2）在邊界潤滑或混合潤滑下，摩擦副在一定載荷作用下的相對運動會使表面發(fā)生一定的擠壓變形，儲存在表面織構(gòu)內(nèi)的潤滑液被擠壓出來，使表面織構(gòu)起到“二次潤滑”的作用除這些作用外，滑動過程中潤滑膜的形成對表面織構(gòu)的摩擦行為也起著重要的作用2織物幾何特征的影響材料表面的摩擦學性能會很大程度的受到表面織構(gòu)幾何特征的影響，包括織構(gòu)形狀、直徑、深度、面密度和排列方式。如果表面織構(gòu)的幾何特征設計不合理，可能不起作用，甚至比無織構(gòu)表面產(chǎn)生更高的磨損2.1織構(gòu)形狀的選擇表面織構(gòu)的形狀已被證明可以精確的控制摩擦織構(gòu)形狀對表面摩擦性能的影響由摩擦副表面固有特性和潤滑形式?jīng)Q定，不同織構(gòu)形狀在不同材料及不同摩擦形式下所表現(xiàn)的摩擦特性不同。例如：He等此外，在選擇并優(yōu)化表面織構(gòu)形狀時，值得注意的是，應避免選擇相同的幾何參數(shù)值進行比較，因為這些選定值可能遠不是某些形狀的最佳值，從而并未選出最佳形狀。因此，正確的方法是先根據(jù)每個形狀的參數(shù)單獨優(yōu)化每個形狀，然后再比較單個優(yōu)化來的不同形狀，從而優(yōu)選出最佳的織構(gòu)形狀2.2數(shù)值分析與試驗相結(jié)合的方法更省時可靠。在一般通過使用法織構(gòu)直徑和深度是影響摩擦學性能的重要參數(shù)通過實驗方法找到不同織構(gòu)形狀、工況條件下的最佳深度和直徑比較耗時、且工作量較大，因此，采用數(shù)值分析與試驗相結(jié)合的方法會更省時可靠。以典型的優(yōu)化方法為例，Liu等目前對于織構(gòu)深度的研究大部分都是底部對稱剖面，會導致潤滑劑的有效剪切力降低，產(chǎn)生的“空化”作用使法向力的測量不準確。因此，在進行優(yōu)化時有必要考慮織構(gòu)底部的不對稱性，以便準確地確定織構(gòu)產(chǎn)生的法向力，并獲得最佳摩擦性能。例如：Schuh和Ewoldt2.3織構(gòu)面密度的影響因素織構(gòu)面密度是提高摩擦學性能重要的幾何因素之一，對承載能力起決定性作用然而，織構(gòu)面密度受到材料、溫度及操作條件等因素的影響很大。例如：Henry和Bouyer在流體潤滑下，優(yōu)化常見織構(gòu)形狀面密度的參考范圍如下：圓形凹坑織構(gòu)，面密度在5%-35%之間2.4織構(gòu)排列方式凹槽的排列方式對表面的摩擦學性能有較大影響，Wang等此外，多邊形織構(gòu)的排列方式也會對摩擦性能產(chǎn)生不同程度的影響。例如：Zhong等表面織構(gòu)在制備時與設計上可能存在偏差，不同材料表面的粗糙度也會對摩擦性能產(chǎn)生較大影響3.工況條件對織物磨損程度的影響盡管通過表面織構(gòu)幾何特征的優(yōu)化可以起到改善摩擦的作用，但最佳減摩程度在很大程度上還取決于工況條件，相同的幾何參數(shù)在不同的工況條件下也會產(chǎn)生不同的影響。甚至在某些條件下，如往復運動中，一些織構(gòu)的作用會造成大量的磨損。因此，需要通過優(yōu)化工況條件進一步改善摩擦學性能。3.1摩擦形式摩擦形式對摩擦特性的影響更加顯著3.1.1在潤滑中的應用近年來已有不少研究者對水、不同粘度的潤滑油、含砂油等作為液態(tài)潤滑劑對流體潤滑、邊界潤滑和混合潤滑進行對比分析一般情況下，流體潤滑比邊界潤滑具有更好的摩擦性能。例如：Grabon等3.1.2雙重潤滑作用常用的固體潤滑劑包括石墨、二硫化鉬、氧化物和氟化物等層狀固態(tài)物質(zhì)，塑料和樹脂等其他高分子材料還有軟金屬及各種化合物等將固體潤滑劑制成涂層與液態(tài)潤滑劑共同作用可起到雙重潤滑作用。劉思思等人目前，有關固體潤滑劑涂層與表面織構(gòu)相結(jié)合的文章還相對較少，理解涂層形成過程中的微觀結(jié)構(gòu)在生長過程中對表面織構(gòu)的影響更有利于研究涂層與表面織構(gòu)之間的結(jié)合能力。Shoja等3.2操作條件的影響在進行摩擦磨損試驗時，操作條件對織構(gòu)的影響也至關重要，操作條件包括相對速度、接觸載荷、潤滑膜厚度和相對滑動方向等，針對不同材料的織構(gòu)選擇最恰當?shù)牟僮鳁l件更有利于起到減摩效果。3.2.1相對速度和接觸時間摩擦副表面之間的摩擦系數(shù)與滑動速度和接觸載荷直接相關3.2.2膜厚對最佳深度的影響在實際應用中，潤滑膜厚度也是影響表面織構(gòu)減摩效果的關鍵因素，最佳幾何參數(shù)也會隨膜厚的變化而變化，得到的一般規(guī)律是隨著膜厚的增大，最佳深度增大，最佳直徑減小。Codrignani此外，潤滑膜厚度也會直接對潤滑劑的流速產(chǎn)生影響，當潤滑膜越薄，剪切速率會越高，摩擦力就越大。根據(jù)Rosenlranz等3.2.3相對滑動方向的方向滑動方向與織構(gòu)紋理的相對方向也會對材料表面的摩擦性能產(chǎn)生不同程度的影響根據(jù)Costa等4關于對表面織構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化本文基于表面織構(gòu)在幾何特征和工況條件的優(yōu)化對摩擦學性能的改善展開論述。從摩擦系數(shù)、磨損量、承載能力、阻力系數(shù)和升力系數(shù)等參數(shù)對改善表面摩擦性能的方式進行分析和總結(jié)。總結(jié)了不同潤滑條件下表面織構(gòu)的減摩機理及理論模型的研究進展。綜述了表面織構(gòu)幾何參數(shù)和實際工況條件兩方面對材料表面摩擦性能的影響，對織構(gòu)形狀、直徑、深度、面密度和排列方式等幾何參數(shù)對摩擦學性能的影響進行分析，可為今后的研究提供指導和借鑒，以改善材料的摩擦學性能。（a）目前對于表面織構(gòu)的研究工作，大多還是通過重復性實驗展開，缺乏系統(tǒng)的理論模型和模擬研究，當考慮潤滑膜所受壓力、慣性力、表面粗糙度、表面形狀和流速等因素時，應評估雷諾模型在所有模擬中的適用性。因此，深入研究精確的理論模型和普適性的模擬方法是未來的研究重點和方向。（b）本文重點討論了表面織構(gòu)的形狀、直徑、深度、面密度和排列方式等參數(shù)對摩擦學性能的影響，得到的一些參數(shù)范圍可為其他研究者提供參考，但仍需針對特定的工況條件進行設計，有必要開