仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計、加工及應用的研究進展

呂延軍，方重陽,，邢志國，郭偉玲，黃艷斐，王海斗

（1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048；2.陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

人們從自然界中獲得了許多借鑒，根據(jù)蝙蝠超聲定位的原理發(fā)明了雷達，研究螢火蟲發(fā)明了冷光燈，模仿蒼蠅的楫翅制成了“振動陀螺儀”，根據(jù)長頸鹿的皮膚研制了飛行“抗荷服”等，并且此類研究形成了一門新的學科—仿生學。仿生學的發(fā)展為科學進步與技術(shù)創(chuàng)新提供了新原理、新思路和新理論[1]。仿生學也應用到了表面織構(gòu)上，如鯊魚表面的微觀結(jié)構(gòu)能夠改善流動區(qū)的分布，進而大大提高鯊魚在水中的游動速度；荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)使荷葉表面呈現(xiàn)出超疏水狀態(tài)，水滴在荷葉表面滑動，帶走了表面灰塵等雜質(zhì)，對表面產(chǎn)生了清潔的效果?；谶@些生物體表面微結(jié)構(gòu)的減摩、減阻以及疏水親水等功能，成功應用于潛艇表面和飛機表面。在隱身領(lǐng)域，模仿生物的表面，如蝴蝶翅膀多鱗片結(jié)構(gòu)，加上鱗片上的微小凹槽，可以對光線發(fā)生不同的折射，能使蝴蝶很好地融入周圍環(huán)境中，將這些鱗片凹槽結(jié)構(gòu)應用于軍用裝備領(lǐng)域起到隱身效果。隨著高精尖、高性能裝備的出現(xiàn)，對儀器、零件和材料的要求越來越高，如在航空航天領(lǐng)域不僅要求使用高性能的合金材料，而且對零部件的服役性能也提出了更高的要求。目前，已有實例將表面織構(gòu)圖案加工于航空關(guān)節(jié)軸承上，極大地提高了軸承的表面質(zhì)量和表面硬度[2-3]，進而大幅提高了航空航天零部件的服役壽命。

生物體表面形態(tài)結(jié)構(gòu)復雜，織構(gòu)圖案提取難度大，作用機制還沒有形成統(tǒng)一的研究體系，大量研究主要是對仿生表面形態(tài)進行簡化，制作成規(guī)則的織構(gòu)圖案進行測試分析，不同的研究人員只是對某部分或某類仿生織構(gòu)進行研究，如何有效利用仿生技術(shù)成為一大難題。目前，仿生織構(gòu)圖案的功能性設(shè)計、多尺度復合加工和最終服役性能的關(guān)聯(lián)機制還沒有被系統(tǒng)地探討，本文主要針對仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計和加工的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)論述，并探討了其對零件服役性能的影響。

1 仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計

在數(shù)億年的進化中，生物為了適應環(huán)境，形成了獨特的幾何形貌和體表特征。這些復雜的構(gòu)形具備一定的減摩耐磨、減阻疏水以及增加/降低粘附性的功能等，并在工程領(lǐng)域得到廣泛應用，不僅能夠提升零件表面的多種服役性能，而且可拓展賦予零件表面新的功能。因此，系統(tǒng)地論述基于生物表面的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計仿生圖案變得尤為重要。仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計根據(jù)表面功能不同大致分為耐磨表面、減阻表面、疏水表面、粘（脫）附性表面。在圖案尺寸上，耐磨仿生織構(gòu)圖案尺寸相對較大，多在20 μm 以上，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以承受較大的外力；減阻疏水表面具有細微的突起狀結(jié)構(gòu)，能有效地通過微結(jié)構(gòu)改變表面力學性能；粘附性表面得益于生物體微結(jié)構(gòu)的形狀尺寸，毛狀微結(jié)構(gòu)擁有良好的吸附性。

1.1 耐磨仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計

在表面減摩耐磨領(lǐng)域，研究者們發(fā)現(xiàn)，生物表面與外界接觸時必定會發(fā)生磨損，其體表進化出許多能夠有效降低摩擦的功能與結(jié)構(gòu)，像貝殼的瓣、沙漠蜥蜴和穿山甲的鱗片能起到良好的減摩耐磨作用。

在沙漠中生存的蜥蜴要面對惡劣的環(huán)境，尤其是沙石對其體表的磨損，因此，沙漠蜥蜴都進化出堅硬的體表。基于此，高峰[4]以新疆巖蜥和變色沙蜥為研究對象，對試驗用新疆巖蜥和變色沙蜥的腹部及背部皮膚進行了分析，發(fā)現(xiàn)新疆巖蜥鱗片大而厚且以五邊和六邊為主，部分鱗片呈現(xiàn)突起棱紋狀態(tài)的多邊形，且呈覆瓦狀和緊密結(jié)合狀生長于表面皮膚，這種結(jié)構(gòu)具有承載能力強、韌性好的特點，能減小沙礫對皮膚的沖蝕，而變色沙蜥鱗片為覆瓦狀排列的凸起圓或長圓的盾形，在鱗片狀微飾結(jié)構(gòu)上存在亞微米的凹坑，這種結(jié)構(gòu)能使沙礫在鱗片表面光滑滾動，從而增強了鱗片的耐受沖蝕磨損能力?；谝陨戏治?，設(shè)計了抗磨損織構(gòu)陣列，在不同試樣上加工了精細表面凹坑形結(jié)構(gòu)，采用壓縮空氣攜帶磨料顆粒對試件表面進行沖蝕，試驗結(jié)果表明，具有織構(gòu)表面的試樣磨損量小于原始表面的試樣，仿生表面織構(gòu)可以大幅提升零件表面的耐磨性能。同樣，貝殼類生物為抵抗沙石的沖擊磨損，瓣上具有呈放射狀分布的棱紋結(jié)構(gòu)[5]。張金波等[6]仿照櫛孔扇貝瓣表面的棱紋形結(jié)構(gòu)，設(shè)計出寬5 mm、高1.3 mm 的肋條，將其按一定間距平行加工于試樣表面，經(jīng)過磨損實驗測試，分析出擁有肋條型的65Mn 和T10 試樣的磨損量比平板型試樣分別減小了17%～30%和13%～24%。穿山甲也擁有鱗片結(jié)構(gòu)，可以適應嚴峻的生存環(huán)境，在挖掘洞穴的過程中鱗片直接與沙石土壤接觸，經(jīng)過長期進化，鱗片上形成了縱向紋理，具有良好的耐磨性能。杜宏益等[7]仿照穿山甲鱗片的紋理結(jié)構(gòu)，在道具上設(shè)計了矩形微結(jié)構(gòu)，其截面寬20 μm、深20 μm、平均相距40 μm，并建立刀具切削模型，仿真分析發(fā)現(xiàn)這種微結(jié)構(gòu)最有利于降低切削力和刀具溫度，起到了良好的耐磨效果。現(xiàn)有的耐磨仿生織構(gòu)大多從具有堅硬外殼的動物體上得到，殼類生物體表圖案尺寸較大，微觀組織容易觀察，為耐磨仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計帶來了很好的借鑒。

1.2 減阻疏水仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計

在表面減阻疏水領(lǐng)域，像豬籠草滑移區(qū)和鯊魚的表皮微結(jié)構(gòu)具有減阻功能，荷葉表面的微結(jié)構(gòu)具有超疏水性[8-9]。

豬籠草因可以捕捉昆蟲而受到科學家廣泛關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)豬籠草葉籠滑移區(qū)域表面夾雜分布著規(guī)律的變形氣孔，和下方的保衛(wèi)細胞形成帶凸面的新月形輪廓表面，周圍覆蓋著刻度形狀的蠟質(zhì)晶體網(wǎng)格，使得滑移區(qū)具有良好的減阻性能，豬籠草滑移區(qū)的微結(jié)構(gòu)如圖1 所示。周強等[10]以阿拉塔種屬豬籠草為研究對象，截取豬籠草葉籠口緣部位，經(jīng)過測量得出，蠟質(zhì)片狀晶體長度為(1.04±0.30) μm，厚度為(0.10±0.02) μm，高度為(1.00±0.70) μm，針對豬籠草滑移區(qū)的表面顯微組織特點及尺寸，構(gòu)建了間距范圍為(1.10±0.30) μm的片狀晶體，運用計算機圖形技術(shù)和OpenGL 的圖形建模技術(shù)真實地實現(xiàn)仿生豬籠草滑移區(qū)表面織構(gòu)設(shè)計。結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)具有良好的滑移特性，有部分研究者將這一功能應用于農(nóng)業(yè)中，設(shè)計害蟲捕捉機 械，以減少農(nóng)藥的使用。仿生織構(gòu)設(shè)計對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

圖1 豬籠草滑移區(qū)微結(jié)構(gòu) Fig.1 Microstructure of pitchers’ sliding region

鯊魚一直作為研究的對象之一，是因為鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)具有良好的減阻作用。對鯊魚的表皮結(jié)構(gòu)進行觀測，鯊魚表皮盾鱗呈現(xiàn)明顯的肋骨結(jié)構(gòu)，鱗片略微向上翹起，鱗片寬度為 264.1 μm，鱗片長度為253.9 μm，鱗片厚度為17.7 μm，肋骨寬度為10.4 μm，肋骨間距為108.0 μm，凹槽頂寬為31.4 μm，凹槽底寬為17.7 μm，凹槽深度為40.5 μm，這種結(jié)構(gòu)會改變鯊魚游動時皮膚附近的水流，產(chǎn)生無數(shù)微小漩渦，減小摩擦阻力[11]。BECHERT 等[12]仿照鯊魚表皮微溝槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計了間距為0.5 mm 的交錯肋骨構(gòu)架，并加工于風洞實驗板上，通過試驗測量得到這種V 型溝槽的最大減阻率為8.2%。不僅減阻表面被大量運用，超疏水表面也被應用于許多高科技領(lǐng)域中。

在自然界中典型的超疏水表面就是荷葉表面，研究發(fā)現(xiàn)在荷葉上，有許多乳頭狀凸起，凸起部分的高度為5～10 μm，突起之間的間隙為10～15 μm，復合或分層表面結(jié)構(gòu)是由凸細胞和一個小得多的疊加層疏水三維蠟小管組成[13]，如圖2 所示。尉霞等[14]仿照荷葉微米結(jié)構(gòu)的乳突結(jié)構(gòu)進行織物仿制，用超細海島型纖維制作5～9 μm 的乳突直徑，采用在縐組織和織物中加入高收縮滌綸絲的方法來仿乳突的高度，經(jīng)過SFZ-H 型沾水試驗儀測試分析得出，荷葉的乳突狀結(jié)構(gòu)具有超疏水性。Sinong Xiao[15]提出了一種新的簡便方法加工疏水表面，即液相激光燒蝕法，以獲得一個魯棒的疏水表面，將硬質(zhì)合金試樣浸入氟硅烷溶液中，激光燒蝕，同時控制試樣表面與液位之間的距離，利用該技術(shù)，可獲得具有良好疏水性的表面。實驗發(fā)現(xiàn)，用新方法制備的疏水表面比激光織構(gòu)和氟化處理得到的疏水表面更耐磨。

減阻和疏水仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計注重圖案的幾何形狀，由豬籠草借鑒的減阻織構(gòu)是月牙狀，由鯊魚皮借鑒的是盾鱗狀結(jié)構(gòu)，由荷葉表面借鑒的是乳突狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有明顯特征，為織構(gòu)圖案設(shè)計帶來方便。

圖2 荷葉表面乳突微結(jié)構(gòu) Fig.2 The papillary microstructure on the surface of lotus leaf

1.3 粘（脫）附性仿生織構(gòu)圖案的設(shè)計

在增加/降低粘附性領(lǐng)域，像壁虎腳掌的微結(jié)構(gòu)可以增強粘附性，而土穴動物（螻蛄、螞蟻和蜣螂）的體表微結(jié)構(gòu)可以降低粘附性。

壁虎也是研究者們熱烈討論的對象之一。壁虎可以輕松地在光滑的天花板上行走，因此，人們就廣泛地研究壁虎的腳掌，推測其具有很精細的腳掌結(jié)構(gòu)[16]。壁虎腳掌剛毛微結(jié)構(gòu)如圖3 所示。Ruibal 等[17]用電子顯微鏡觀測到壁虎腳掌是由許多細小的剛毛組成，剛毛上又擁有數(shù)百根絨毛，每根絨毛的半徑大約為0.2～ 0.4 μm。Irschick[18]發(fā)現(xiàn)東京壁虎腳掌每平方毫米約有5000 根剛毛。Giem 等[19]用AFM 刻蝕法在5 pm 厚的聚酰亞胺薄膜上仿照壁虎腳掌剛毛，制作了長為2 μm、直徑為500 nm、間距為1.6 μm 的聚酰亞胺纖維陣列，證明了壁虎腳掌剛毛結(jié)構(gòu)具有極強的吸附能力。

圖3 壁虎腳掌剛毛微結(jié)構(gòu) Fig.3 Setae microstructure of gecko foot

對土穴動物（螻蛄、螞蟻和蜣螂）體表的微觀形態(tài)進行觀察并掃描，發(fā)現(xiàn)螞蟻鱗片呈現(xiàn)凹陷狀，螻蛄和蜣螂體表有許多纖毛[20]。程紅等[21]模仿蜣螂頭部的非光滑體表特征，制造了非光滑表面的推土板，經(jīng)過實驗對比發(fā)現(xiàn)，仿生推土板比普通推土板減粘29.3%。根據(jù)土壤動物非光滑表面減粘脫附特征，利用數(shù)值優(yōu)化原理，對非光滑表面進行了CAD 幾何造型設(shè)計，考慮幾何形狀類比中圓形最有利于減小粘附性，設(shè)計了圓柱形、半圓柱形、鏈形和布形等多種非光滑表面結(jié)構(gòu)，并用原理性實驗表明了仿生非光滑表面具有良好的降低粘附性的作用[22]。無論是壁虎腳掌的剛毛，還是土穴動物體表的纖毛，都是極微細的結(jié)構(gòu)，可以改變表面力學性能，增強或減小粘附性。通過研究這些結(jié)構(gòu)設(shè)計織構(gòu)圖案，很難復刻原生物體 的全部特征，比如無法達到極微細尺寸，在設(shè)計過程中需要考慮現(xiàn)有加工手段所能加工出的精度，因此需要適當放大結(jié)構(gòu)尺寸。

不同研究者對不同生物體體表微結(jié)構(gòu)尺寸進行了提取，針對不同研究對象設(shè)計了多種功能性織構(gòu)圖案結(jié)構(gòu)，并取得了良好的工程實際應用效果。對生物體表面微結(jié)構(gòu)的精準提取，能夠極大程度地繼承生物適應環(huán)境的優(yōu)良特性，因此研究者們通過先進的顯微技術(shù)觀測生物體表面，準確地提取形貌的幾何尺寸，并精確地加工在零件表面，實現(xiàn)零件表面服役性能的提升。仿生織構(gòu)圖案設(shè)計很難保留原生物體的結(jié)構(gòu)特征，因此失去了一部分性能，不能單純地簡化結(jié)構(gòu)，應該結(jié)合生物耦合原理，結(jié)合多種特征，在現(xiàn)有工藝可以達到的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。

2 仿生織構(gòu)圖案的加工

隨著仿生織構(gòu)在航空航天、水下航行器、軸承、刀具、液壓缸等零件上的廣泛研究，研究者們設(shè)計了許多織構(gòu)圖案，如何將這些圖案有效地加工于目標件表面成為了研究的關(guān)鍵。國內(nèi)外學者通過各種實驗研究，得出了許多表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，不同功能的表面有不同的加工方法，像耐磨表面和減阻表面的制備多應用激光加工，超疏水表面和粘附性表面的制備多應用化學刻蝕，每種加工方法的參數(shù)控制影響著加工表面的形貌特征，合理選擇工藝可以提升仿生表面的質(zhì)量。

2.1 仿生減摩耐磨表面的加工

圖4 不同的織構(gòu)化表面[23-25] Fig.4 Different textured surface[23-25]: a) dot, b) strip, c) mesh

對減摩耐磨生物體表特征進行研究發(fā)現(xiàn)，像甲魚殼、貝殼、沙漠蜥蜴、蜣螂等生物表面，擁有顆粒狀、條紋狀、網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)，經(jīng)簡化后可以簡便加工出這些表面圖案[23-25]，如圖4 所示。通過“生物原樣-PDMS模板-目標涂層”的制備過程，制作甲魚殼仿生織構(gòu)形貌，先將PDMS 混合液倒在甲魚殼上，固化后剝 離，再將SKCA 與HDI 三聚體二甲苯的混合液倒在PDMS 模板上得到仿甲魚殼織構(gòu)化涂層，觀察仿生織構(gòu)表面發(fā)現(xiàn)，其正形貌有類似于甲魚殼的顆粒狀突起，負形貌表面的顆粒狀形貌轉(zhuǎn)化為納米凹坑[26]，這種模板復制加工方法，能很大程度上節(jié)省仿生圖案的設(shè)計過程，盡可能地復刻了生物表面的微結(jié)構(gòu)形狀，但這種表面加工技術(shù)只適用于零件的模具鑄造，提前在模具上設(shè)計好微結(jié)構(gòu)，不利于后續(xù)表面處理，在工程應用上局限較大。

激光熔覆技術(shù)用來制作耐磨表面比較常見，采用預置合金粉末的方法，在灰鑄鐵基體表面上進行激光熔覆制備貝類表面仿生條紋，首先對灰鑄鐵試樣表面用0.7 mm 直徑的激光束，加工出1 mm×0.4 mm 的矩形條紋陣列，間距為4 mm，然后用400 目和800 目的砂紙打磨除去表面的留痕，并用丙酮溶液清洗試樣，制備的仿生表面沒有孔洞和裂紋等缺陷，熔覆部位形成了致密的樹枝晶組織結(jié)構(gòu)，制成的表面耐磨性能提升了1.4 倍[27]。Yiqiang Wang 等[28]通過對沙漠中蛇類、蜥蜴、駱駝腳掌等動物角質(zhì)層形態(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)點狀、條狀和網(wǎng)狀表面微結(jié)構(gòu)具有良好的耐磨性能，采用300 W Nd:YAG 激光器加工仿生織構(gòu)圖案，將WC 粉末預涂覆在基體上，形成厚度為0.3 mm 的預層，沿著X 軸和Y 軸的運動用于處理仿生單元，分別加工出1～5 mm 的點狀、條狀、網(wǎng)狀陣列。實驗發(fā)現(xiàn)，點狀處理試樣的質(zhì)量損失隨間距的增大而增大；在經(jīng)過條紋處理的樣品中，質(zhì)量損失隨間距的增大略有變化，在單位空間為4 mm 時達到最小；在經(jīng)過網(wǎng)格處理的樣品中，隨著單位空間的增大，質(zhì)量損失開始減小，但在單位空間為3 mm 時達到最小值，而后開始增大。Chao Meng 等[29]仿照蜣螂頭部微結(jié)構(gòu)，利用激光熔覆（LC）技術(shù)，用電火花機將退火后的H13熱加工工具鋼切割成40 mm×20 mm×6 mm 的試樣，并在試樣一側(cè)鉆一個直徑為3 mm 的圓孔，使其能夠固定在熱疲勞試驗機的板上，為避免試樣因加工痕跡而過早產(chǎn)生裂紋，對其進行研磨拋光，然后用激光加工出尺寸為1.5 mm×0.55 mm（寬度×深度）的陣列，將摻有硅酸鈉的粉體填入槽內(nèi)，在烘箱中烘干。為避免激光加工過程中粉末在凹槽內(nèi)飛濺，預涂膜厚度比試樣表面厚1 mm。采用固態(tài)Nd-YAG 激光器在試件表面制作平行條狀仿生非光滑單元，采用氬氣作為屏蔽氣體，流量恒定為5 L/min。通過控制工作臺的位移，使平行條紋單元與試件表面的距離保持在4 mm，加工出的非光滑單元表面形貌良好，不存在氣孔或裂紋。上述三種耐磨表面加工過程均采用激光熔覆加工技術(shù)，加工過程簡單，織構(gòu)圖案易于成形，適用于簡單的織構(gòu)圖案。但在激光熔覆過程中，對激光掃描速度的要求很高，激光掃描速度要選擇適中，速度過快會導致合金粉末完全熔化而很難形成熔覆層，而如果速度過慢就會導致合金粉末過燒而分解。

2.2 仿生疏水性表面的加工

疏水性表面具有特殊的微納米結(jié)構(gòu)，由微米級粗糙形態(tài)構(gòu)成一級結(jié)構(gòu)，其上分布著形態(tài)、大小不一的單元體，構(gòu)成表面的二級微觀結(jié)構(gòu)，這種復合微觀形貌為表面疏水性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，因此，要加工出仿生疏水性表面，需要運用精細加工方法，化學刻蝕法和壓印復制法最為突出。采用紫外納米壓印光刻（UV-NIL）技術(shù)制備超疏水薄膜，先是設(shè)計了一個由氣壓系統(tǒng)、真空吸盤、夾具、石英板、紫外光固化光敏聚合物、紫外光束反射器組成的UV-NIL 實驗設(shè)備，如圖5 所示。通過控制器設(shè)置好程序，將具有疏水特性的植物葉片用夾具固定，將可固化的光聚合物涂在玻片上，抽去空氣以給氣缸施加壓力，將光聚合物暴露在紫外線中以復制葉片表面形貌，最后將復制膜從夾具中分離出來，便制備好了仿生疏水薄膜。這種方法能夠?qū)⒅参锶~子表面的孔洞和粗糙結(jié)構(gòu)很好地復制出來，卻很難復制納米結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于UV-NIL 過程中施加的壓力將葉片表面納米結(jié)構(gòu)塌陷或斷裂，從而導致納米結(jié)構(gòu)的復制較差，但并不影響加工出的薄膜具有良好的疏水性能[30]。

圖5 UV-NIL 設(shè)備示意圖[30] Fig.5 UV-NIL device schematic diagram[30]

化學刻蝕法也是常見的制備疏水性表面的方法。Tan 等[31]采用顯微蝕刻技術(shù)在黃銅表面構(gòu)建了超疏水表面形貌，將厚度為0.5 mm 的黃銅板材切割成100 mm×60 mm 的試樣，為了去除表面的有機污染物，首先用砂紙打磨銅板（砂紙的粒度從400 目到1200 目），然后用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗6 min。樣品在10%H2SO4溶液中浸泡30 s 去除氧化層，用去離子水和乙醇清洗并風干。制備了一種質(zhì)量比為6∶1 的NaCl 和Na2SO4混合銅微蝕刻液對銅板進一步刻蝕，清洗后的黃銅試樣在室溫浸液中浸泡10 s，在110 ℃恒溫干燥箱中加熱，進行微蝕刻工藝，逐漸形成蒲公英狀結(jié)構(gòu)，隨后通過修飾得到超疏水表面。采用這種簡單快速的微蝕刻技術(shù)，制備的超疏水表面的潤濕性和形貌受溫度、pH 值、浸液濃度和蝕刻時間等因素的影響，微蝕刻時間對表面疏水性的影響較大。通過彎曲試驗和磨損試驗發(fā)現(xiàn)，制備的表面保持了良好的拒水性和良好的機械性能，該方法是在黃銅基板上構(gòu)建超疏水表面的有效方法，可進一步擴展到各種工業(yè)應用上。

2.3 仿生減阻表面的加工

從鯊魚皮、豬籠草等生物體表借鑒了減阻表面特征，鯊魚皮表面的溝槽結(jié)構(gòu)，豬籠草表面的月牙結(jié)構(gòu)，都擁有良好的減阻特性，運用復制成形技術(shù)和激光加工技術(shù)能夠行之有效地加工出這些仿生結(jié)構(gòu)[32-33]。采用合成生物復制成形工藝制作出高精度復合減阻鯊 魚皮，工藝如圖6 所示，以預處理的鯊魚皮為微復制模板，預處理前需將鯊魚皮邊緣固定于底板上，以防止鯊魚皮皺縮、翹曲，利用軟刻工藝中的軟模成型技術(shù)，將硅橡膠澆注到鯊魚皮上，排出空氣制備硅橡膠質(zhì)彈性陰模板。以水性環(huán)氧樹脂與聚丙烯酰胺的接枝共聚物為基材，對彈性陰模板進行復型翻模，真空脫氣后置于干燥箱中固化，制出一種兼具納米長鏈減阻界面與逼真微米溝槽形貌的復合減阻鯊魚皮，三維掃描如圖7 所示。復制的鯊魚皮鱗片的幾何形狀和尺寸精度較高，減阻性能測試結(jié)果表明，復合減阻鯊魚皮具有優(yōu)異的復合減阻效應，在測試速度范圍內(nèi)，最高減阻率達到24.6%。這種加工方法精確復制了生物表面微結(jié)構(gòu)，過程簡單，易于制作，適宜制作仿鯊魚皮模型并用于實驗研究，但其復制面積小、對加工材料局限大不適用于工程應用[34]。

圖7 鯊魚皮原型及其對應復合減阻鯊魚皮微形貌掃描[34] Fig.7 Scanning of shark skin prototype and corresponding composite drag reduction shark skin microtopography[34]: a) pre-treated shark skin, b) silicone rubber elastic Yin template, c) composite drag reduction shark skin

對豬籠草葉籠滑移區(qū)進行觀測，發(fā)現(xiàn)滑移區(qū)域表面夾雜分布著規(guī)律的變形氣孔。有研究者通過掃描電鏡和三維白光形貌干涉儀獲取三維結(jié)構(gòu)參數(shù)，在45鋼基板上加工減阻表面，先是用數(shù)控機床在基板上加 工出滑移區(qū)月骨體的三棱柱狀二重斜坡結(jié)構(gòu)，并用激光微納加工技術(shù)在制備出二重斜坡結(jié)構(gòu)的基板表面上加工微米級盲孔結(jié)構(gòu)，在高壓靜電作用下，將具有良好潤滑性的鱗片狀石墨吸附至基層的盲孔中，從而制得昆蟲捕集滑板。經(jīng)實驗測試加工出的昆蟲捕集滑板具有良好的滑移特性，能達到較好的仿生效果[35]。這種加工方法主要是依靠激光微納加工技術(shù)和高壓靜電吸附技術(shù)來實現(xiàn)功能表面的加工，能夠很好地控制加工參數(shù)，為達到表面功能要求，需要借助具有良好潤滑性能的鱗片狀石墨潤滑，這種加工方法為工程應用提供了思路。

2.4 仿生粘（脫）附性表面的加工

粘附性表面和脫附性表面都具有精細的微結(jié)構(gòu)，壁虎腳掌的剛毛直徑為0.2～0.4 μm，其具有良好的吸附性，加工這類仿生表面多用到化學沉積法[36]。垂直定向排列碳納米管陣列（VACNT）具有與壁虎腳掌粘附剛毛體系極為相近的粘附性和柔韌性，制作過程是在管式爐內(nèi)加熱碳源氣體，使其裂解為碳原子，再由催化劑催化生長成VACNT。首先在單晶硅片上沉積金屬催化劑薄膜作為生長基底，然后將其置于管式爐中，在一定的氣氛環(huán)境下，加熱管式爐，使反應溫度達到并保持在700～1250 ℃，使碳源氣體裂解，同時催化劑在還原性氣體 H2的作用下形成熔融態(tài)顆粒，碳原子隨氣流傳遞到催化劑顆粒表面，而后經(jīng)過溶解-析出過程形成VACNT。對微觀形貌進行觀測發(fā)現(xiàn)，主體碳納米管垂直定向排列，頂層碳納米管雜亂分布的層級結(jié)構(gòu)，提高了粘附強度。為進一步提高粘附表面的性能，制備了圖案化VACNT。首先運用光刻技術(shù)對生長基底預處理，在其表面加工出圖案化光刻膠涂層，然后進行催化劑沉積，最后經(jīng)過化學氣相沉積進行VACNT 生長[37]。這種加工方法可以實現(xiàn)不同宏觀結(jié)構(gòu)的VACNT 制備，為VACNT 仿生粘附材料的工程應用奠定了實驗基礎(chǔ)。當材料尺寸增大時，需要進一步改進加工工藝，但無法保障加工出的材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

植物葉表面擁有復雜的二級微納結(jié)構(gòu)，很難通過刻蝕的方法加工，因此，用轉(zhuǎn)寫復制的方法可以得到仿生脫附表面。通過研究發(fā)現(xiàn)，玉米皮表面擁有相間分布的條狀結(jié)構(gòu)，具有良好的脫附性，采用二次轉(zhuǎn)寫技術(shù)實現(xiàn)了植物葉表面的仿生制備。將玉米皮在30 ℃下烘干鋪平，在試樣上均勻澆注3 mm 厚的PDMS 并固化，冷卻后剝離，作為轉(zhuǎn)寫反結(jié)構(gòu)，放置于70 ℃烘箱中2 h，利用氟硅烷進行底表面能修飾，以降低模板表面粘附性，再將混合均勻除去氣泡的PDMS澆注于反結(jié)構(gòu)膜上，烘干固化得到仿生植物葉片。實驗表明，經(jīng)過二次轉(zhuǎn)寫方法，能夠成功復制植物表面微觀形貌，并獲得脫附表面[38]。該方法只停留在澆注工藝上，會對試樣表面微結(jié)構(gòu)造成一定程度的損壞，并且復制得到的仿植物葉片在使用壽命和使用條件上有待研究。

仿生織構(gòu)圖案的加工技術(shù)逐漸走向成熟，隨著表面加工技術(shù)的進步、制造工藝的完善，表面織構(gòu)的性能得到極大提升。目前激光刻蝕在織構(gòu)圖案加工領(lǐng)域的應用最為廣泛，它可以加工出不同尺度的微結(jié)構(gòu)，易于參數(shù)控制，但是激光刻蝕溫度較高，會改變材料表面殘余應力和金相組織，造成不可控的缺陷?；瘜W刻蝕法和模板復制法更多地運用于微納仿生織構(gòu)的加工，加工過程相對復雜，很難控制織構(gòu)圖案的幾何形狀。不難看出，多種表面加工技術(shù)配合使用已經(jīng)成為織構(gòu)圖案加工的發(fā)展趨勢，不同尺度的加工技術(shù)相配合，可以加工出更加精細的表面織構(gòu)，能促進織構(gòu)圖案在工程上的應用。

3 表面織構(gòu)對零件服役性能的影響

先進制造技術(shù)的發(fā)展，推動了表面技術(shù)的進步，零件表面的織構(gòu)化是表面技術(shù)的重要組成部分，是近幾十年研究的熱門。表面織構(gòu)在減摩耐磨、疏水減阻、粘附脫附領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應用前景。從20 世紀開始，就利用珩磨工藝在缸套表面加工出交叉網(wǎng)格，以儲存潤滑油并承受法向載荷，極大地避免了缸套的磨損故障，提升了發(fā)動機的服役壽命。表面織構(gòu)技術(shù)已在機械密封、缸套-活塞環(huán)、刀具、滑動軸承及重載齒輪等場合得到了廣泛應用[39-41]，從生物表面借鑒而來的仿生織構(gòu)圖案，其對零件的影響機理與生物體作用機制類似，為工程應用奠定了基礎(chǔ)。

刀具在切削過程中會面臨磨損失效的問題，織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展為提升刀具服役性能提供了新思路，為改善刀具在工作中刀屑接觸界面的摩擦潤滑狀態(tài)，在刀具表面（前刀面或后刀面）的特定位置上加工出具有一定尺寸、形狀的微納結(jié)構(gòu)陣列，起到了良好的效果。對蜣螂和大頭鯊表皮結(jié)構(gòu)的分析，仿照它們的功能和幾何特征，采用激光表面紋理技術(shù)，在陶瓷刀具表面形成仿生顯微結(jié)構(gòu)，利用制備的Al2O3/TiC 微納米復合陶瓷材料制作的刀具進行了間歇車削實驗并測量，結(jié)果顯示，仿生表面刀具擁有良好的切削特性，耐磨性能得到極大提升，相對較小或較大的傾角和相對較大的間距能獲得更好的力學特性[42]。Obikawa[43]采用濺射法、光刻法和濕法蝕刻法在硬質(zhì)合金刀具表面制備了4 種微表面組織，并在微表面涂覆了類金剛石（DLC）或錫，在此基礎(chǔ)上，采用無微組織和有微組織涂層刀具對鋁合金進行了正交切削試驗，從實測的切削力中得到法向力、摩擦力和摩擦因數(shù)。分析顯示，在4 種尺寸的微組織中，并聯(lián)型對改善前刀面的潤滑效果最好，摩擦力減小了約10%，摩擦因數(shù)減小了約7%。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著織構(gòu)尺寸的減小和加深，微織構(gòu)可以更有效地改善潤滑條件。也有研究者制備了微納米級表面織構(gòu)的硬質(zhì)合金（WC-Co）刀具，采用鋁合金車削試驗，對不同車削方向的直線槽型組織、干性、最小潤滑量進行評價，如圖8a 所示，與常規(guī)刀具相比，具有織構(gòu)圖案的刀具所需切削力較低，推力和進給力比主切削力減少得更多。微紋理幾乎被工作材料填充，而納米紋理則沒有，這背后的原因是微紋理的大小和波紋度比納米結(jié)構(gòu)的紋理更寬，當紋理方向垂直時，切削力減小，而當紋理方向平行時，切削力與無紋理刀具相似，甚至略大于無紋理刀具，如圖8b 所示，因此，微紋理的方向是影響刀具切削力的重要因素[44-45]。由于深孔鉆削、銑削和攻絲時，刀具表面的潤滑性較低，鋁屑可能會強烈地附著在刀具的切削刃上，導致刀具斷裂。為解決這一問題，Enomoto[46]提出了一種利用飛秒激光技術(shù)加工納米/微紋理表面的刀具，對鋁合金進行一系列表面銑削實驗發(fā)現(xiàn)，紋理在刀屑界面上具有抗粘附作用，減少了鋁的粘附量。在100～150 nm 深度、700 nm 間距的刀具前刀面上形成納米凹槽，切割1800 m 材料后對刀具前刀面進行分析，發(fā)現(xiàn)平行于主切削刃的凹槽降低了刀具的附著性?？棙?gòu)化刀具在切削性能上優(yōu)于常規(guī)刀具和拋光刀具，采用紋理織構(gòu)后，可以更有效地提 高潤滑性能，減少摩擦，垂直于刀屑流動方向的溝槽紋理比平行于刀屑流動方向的溝槽紋理更有益。

圖8 刀具種類與所需切削力的關(guān)系[44] Fig.8 Relationship between the type of tool and the required cutting force[44]: a) comparison of the cutting force required by smooth and textured tools, and b) comparison of the cutting force required by micro-texturing tools in different texture directions

缸套-活塞環(huán)在工作過程中需要承受高溫高壓和橫向的振動，極易產(chǎn)生磨損，其磨損程度決定了摩擦副的使用壽命和可靠性，表面織構(gòu)技術(shù)具有儲存潤滑油、增加潤滑膜承載能力、改善潤滑效果、儲存磨屑等優(yōu)點，對改善缸套-活塞環(huán)的摩擦性能有十分重要的意義。將激光表面織構(gòu)技術(shù)應用于發(fā)動機缸套表面，對表面激光織構(gòu)化后，氣缸的潤滑和摩擦性能得到了改善，沖程中部的最小油比提高了29%，摩擦峰值降低了30%左右。通過比較發(fā)現(xiàn)，缸表面紋理后發(fā)動機汽缸油耗下降，在低速工況下效果明顯改善，最大油耗降低9.8 g/(kW·h)，證實了表面織構(gòu)技術(shù)有效減少了發(fā)動機摩擦損失[47]。Hua 等[48]研究了分辨分區(qū)激光表面微變形（LST）對發(fā)動機綜合性能的影響，根據(jù)氣缸的磨損特性和潤滑性能，將氣缸內(nèi)徑劃分為5 個不同的截面，設(shè)計了氣缸表面LST 隔板的3 種方案，以滿足氣缸內(nèi)表面不同區(qū)域的磨損特性和潤滑要求。裝有不同缸套的發(fā)動機12 h 燃油油耗如圖9 所示，可以看出，與標準缸套相比，LST-1 和LST-3 織構(gòu)化缸套發(fā)動機的燃油油耗分別降低了 45.5%和37.9%，氣缸表面的織構(gòu)化處理顯著降低了發(fā)動機的油耗，這是由于LST-1 和LST-3 兩種織構(gòu)的缸套整體織構(gòu)密度較小，表面儲油量低于標準缸套；而采用LST-2 織構(gòu)化缸套的發(fā)動機油耗增加了83.3%，對于LST-2 織構(gòu)，在中行程和BDC 油量普遍豐富的情況下，織構(gòu)缸筒內(nèi)徑面積相對較大，增加了BDC 區(qū)域微窩的儲油量，從而導致油耗率增加。G. Ryk[49]在往復試驗臺上，通過測量活塞環(huán)與缸套段之間的摩擦力，研究了局部圓柱表面織構(gòu)化活塞環(huán)的減摩效果。將計算結(jié)果與參考的無織構(gòu)筒形面活塞環(huán)進行了比較，結(jié)果表明，在試驗臺轉(zhuǎn)速限制范圍內(nèi)，織構(gòu)化圓柱面環(huán)的減摩效果可達25%左右。采用表面處理的方法，在缸套上設(shè)計制作了不同的表面紋理。在專門設(shè)計的柴油機試驗裝置上進行試驗，對不同磨損表面織構(gòu)特征和缸套轉(zhuǎn)速下的磨損表面織構(gòu)特征、潤滑油元 素含量、磨粒特征進行了對比分析，結(jié)果表明，摩擦副在不同磨損表面組織特征下的摩擦學和潤滑性能存在顯著差異。具有規(guī)則凹面紋理的缸套活塞環(huán)的磨損性能優(yōu)于凹面和溝槽組合紋理、規(guī)則溝槽紋理的缸套活塞環(huán)。此外，深徑比為0.1 的規(guī)則凹面是改善缸套活塞環(huán)潤滑磨損性能最有效的表面結(jié)構(gòu)[50]。

圖9 織構(gòu)化和標準氣缸的發(fā)動機油耗比較[48] Fig.9 Comparison of oil consumption between texturized and standard cylinders[48]

滑動軸承因其具有承載能力大、工作平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點，在高速、高精度、重載的場合有重要應用，在軸承摩擦副表面加工不同織構(gòu)圖案，能夠有效地改善表面的摩擦學性能[51-52]。Xiaobin Lu[53]采用機械加工和化學腐蝕技術(shù)制造了波紋軸套軸承，給出了一系列實驗結(jié)果來檢驗球表面凹痕對斯特貝克曲線的影響。通過改變載荷、油型、凹痕大小、深度和形狀，探討它們對摩擦特性的影響。結(jié)果表明，適當?shù)陌夹纬叽缈梢蕴岣咻S承的摩擦性能，特別是對輕質(zhì)油的摩擦性能，在混合潤滑條件下，波紋區(qū)的二次潤滑效應是提高性能的主要機理，在整個圓周上蝕刻凹坑的襯套比在一半圓周上蝕刻凹坑的襯套具有更好的摩擦性能。LIGA 技術(shù)在推力軸承上應用較廣，有研究者在軸承樣品表面制造了正六邊形織構(gòu)圖案陣列，織構(gòu)平均直徑為500 μm，間距為165 μm，高度為3～ 100 μm。在非增壓油浴中進行的摩擦測試表明，在全膜條件下?lián)碛形⒖棙?gòu)的軸承表面的摩擦因數(shù)降低了14%～22%，并通過優(yōu)化織構(gòu)形狀和布局，摩擦因數(shù)可進一步降低約60%[54]。Vl?descu 等[55]研究了表面織構(gòu)化處理對軸承摩擦的影響，制備了三種不同密度的織構(gòu)化軸承，模擬在發(fā)動機中的工作環(huán)境，通過測量潤滑油膜溫度、剪切加熱效應，推導出準確的摩擦值，和沒有紋理的軸承參考相比，在整個圓周上應用紋理圖案的軸承的摩擦減少約18%。隨著薄膜厚度的增加，摩擦的減少也隨之增加。L. C. Sinano[56]通過設(shè)計無織構(gòu)軸頸和梯形、鋸形表面織構(gòu)軸頸的對照實驗，從實驗和理論兩方面研究了織構(gòu)對軸承受力性能的影響，織構(gòu)化軸頸展現(xiàn)出更好的承載性能，具有梯形織構(gòu)的軸比鋸形織構(gòu)的軸能承受更大的載荷，因此，梯形表面織構(gòu)的軸具有較好的承載能力。

眾多學者探討了織構(gòu)圖案的影響機理和作用機制，研究表明，表面織構(gòu)對零件服役性能的影響集中體現(xiàn)于減阻性能和耐磨性能的提升，在干摩擦時織構(gòu)圖案可作為儲屑槽，邊界潤滑時織構(gòu)圖案可作為儲油槽，織構(gòu)圖案還能有效降低摩擦副表面的承載壓力，延長了零件的使用壽命，極大地提升了零件的服役性能。除上述應用以外，仿生織構(gòu)還應用于其他領(lǐng)域，例如：有人研究了細胞在超親水、超疏水微圖案表面的行為，構(gòu)造出高密度的細胞陣列，有效解決了細胞的遷移和交叉感染的問題[57-59]。也有大量研究基于海豚、鯊魚柔性皮膚快速游動的減阻原理，制備海洋裝備防污材料，有效抑制生物的附著和繁殖[60-61]，仿生織構(gòu)的應用領(lǐng)域還有很大的發(fā)掘空間，為科技進步做了巨大貢獻。

4 結(jié)語及展望

從仿生學得到的創(chuàng)新思維，為織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展注入了活力，在一定程度上解決了工程領(lǐng)域的難題，提高了材料的使用壽命和服役能力。通過研究生物適應環(huán)境的特性，對生物表面形貌進行觀測分析，適當?shù)睾喕瘞缀文Ｐ?，模仿并設(shè)計出具有耐磨性、減阻性、疏水性或粘（脫）附性功能的仿生織構(gòu)圖案，促進了仿生表面織構(gòu)的多樣性。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的成熟，如激光刻蝕、化學刻蝕、模板復制、離子刻蝕等方法分別適用于不同表面的加工，為仿生織構(gòu)圖案的工程應用奠定了基礎(chǔ)。仿生織構(gòu)今后的研究工作可聚焦于以下幾點：

1）仿生織構(gòu)研究雖然已經(jīng)取得了較大成果，尤其是基礎(chǔ)實驗研究，對仿生織構(gòu)圖案的影響機理有了深入的探討，但是如何有效地拓展仿生織構(gòu)的應用有待進一步研究。

2）生物適應環(huán)境的影響因素復雜多樣，某些特征是多元耦合的結(jié)果，仿生織構(gòu)也只是從表面的幾何形貌入手，極大地簡化了生物模型，也因此失去了一部分功效，后續(xù)研究可以從多角度入手，將多元耦合應用到仿生織構(gòu)的研究上。

3）織構(gòu)圖案的加工作為中間環(huán)節(jié)，推動了織構(gòu)圖案的設(shè)計向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)變，單一的加工技術(shù)很難保證織構(gòu)圖案加工的精確性，因此，多種加工技術(shù)相配合，優(yōu)化加工工藝能推動仿生織構(gòu)的工程應用。

4）雖然近些年仿生織構(gòu)的制備方法層出不窮，但這些方法大多局限于實驗室制備，離規(guī)模化工業(yè)應用還有一段距離，研究出簡單可行、成本低的工業(yè)化生產(chǎn)方法對織構(gòu)專用裝備研發(fā)十分關(guān)鍵。