織構(gòu)設(shè)計調(diào)控表面性能的研究進(jìn)展

郭飛飛，楊軼飛，任明基

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

0 引 言

1966年，HAMILTON第一個將表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械密封件表面[1]制造出的微型凸起物不僅增加了表面的承載能力，同時降低了表面的摩擦系數(shù)，由此表面織構(gòu)技術(shù)逐步受到越來越多的研究者的矚目?！翱棙?gòu)”的概念來源于自然界中生物非光滑的表面結(jié)構(gòu)。從工程角度而言，“織構(gòu)技術(shù)”是指通過設(shè)計和加工制造，產(chǎn)生具有規(guī)律分布的微小結(jié)構(gòu)的表面。在機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展的今天，關(guān)于表面織構(gòu)改善材料摩擦性能的研究工作已經(jīng)做了很多，郭飛飛等分別探究了類金剛石膜和卵磷脂對CoCrMo合金的摩擦性能[2-3]，發(fā)現(xiàn)其在不同條件、不同工況下的減摩效果各不相同。而且大量的研究表明，經(jīng)織構(gòu)化處理的表面有降低摩擦、減小磨損以及提高界面承載能力等特點。因此，表面織構(gòu)技術(shù)已被視為一種能夠有效改善界面摩擦性能的方法[4-5]。

隨著研究者對自然界特異性表面的認(rèn)識逐步加深，越來越多的織構(gòu)化表面[6]也受到研究者的關(guān)注。例如，鯊魚體表的微小結(jié)構(gòu)使其在水里游動時減小水的阻力，借助這種結(jié)構(gòu)和功能研發(fā)了新型泳衣[7]；荷葉表面上的水滴可以往任意方向滾動原因在于荷葉表面的微尺度結(jié)構(gòu)使其具有超疏水的性質(zhì)[8]。自此，表面織構(gòu)技術(shù)在不同工況下展現(xiàn)出來的減阻、防污等效果也展現(xiàn)出可觀的應(yīng)用前景。

本文通過介紹表面織構(gòu)的3種作用機(jī)理，對表面織構(gòu)調(diào)控材料的摩擦、減阻和防污性能進(jìn)行了總結(jié)和分析，同時展望了織構(gòu)技術(shù)未來的發(fā)展方向。

1 織構(gòu)設(shè)計對表面摩擦的影響

研究者借助仿真和實驗進(jìn)行織構(gòu)參數(shù)(主要指織構(gòu)形狀、尺寸和織構(gòu)的面積率)的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，采用合理的加工技術(shù)得到具有微型結(jié)構(gòu)的材料表面，這是織構(gòu)設(shè)計過程中所必須解決的問題[9]。表面織構(gòu)的加工技術(shù)較多，其中激光加工技術(shù)因其具有無接觸、不磨損、熱變形小、操作靈活、精度高等特點被學(xué)者廣泛使用[10-11]。

1.1 表面織構(gòu)減摩、耐磨作用機(jī)理

在不同的工況下，表面織構(gòu)的作用機(jī)理也并不相同，表面織構(gòu)技術(shù)提高表面摩擦的作用機(jī)理主要為：在干摩擦中，表面織構(gòu)的捕獲作用；混合潤滑中的“二次潤滑”作用；流體潤滑中的附加流體動壓效應(yīng)[12-13]。

1) 在干摩擦中，當(dāng)物體表面增加了表面織構(gòu)后，所形成的表面微型形貌可將因磨損而產(chǎn)生的碎屑儲存起來，減小表面粗糙度，從而改善摩擦性能[14]。

2) 在速度低、負(fù)載大且使用潤滑油的工況下，表面織構(gòu)所形成的微型形貌可起到存儲潤滑油的作用，從而形成“二次潤滑”的效果[15-16]。

3) 在速度高、負(fù)載小的工況下，表面織構(gòu)所形成的微型形貌在局部形成了流體動壓潤滑，同時摩擦副在接觸過程中產(chǎn)生液體動壓薄膜，促進(jìn)流體動壓潤滑產(chǎn)生，從而提高摩擦副的承載能力，降低接觸表面的摩擦系數(shù)[17-18]。

1.2 織構(gòu)設(shè)計參數(shù)

在深入研究表面織構(gòu)作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究者試圖借助不同的方法來優(yōu)化設(shè)計參數(shù),從而進(jìn)一步調(diào)控表面摩擦性能。其中，織構(gòu)形狀、尺寸及面積率等參數(shù)發(fā)揮了主要作用。

1.2.1 面積率的影響 面積率體現(xiàn)了材料表面織構(gòu)的加工密度，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)的承載力、減摩、減損與表面織構(gòu)的面積率并非成線性增加關(guān)系。

何霞等在鉆頭滑動軸承表面摩擦學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)[19]，當(dāng)滑動軸承偏心率為0.4時，軸承在織構(gòu)面積率為8%時具有最大承載力；當(dāng)軸承偏心率為0.6時，承載力在面積率為13%時達(dá)到峰值，而當(dāng)表面織構(gòu)的面積率大于20%時，反而出現(xiàn)了潤滑性能降低的現(xiàn)象。同樣，戴慶文等在探究織構(gòu)表面提升機(jī)械密封性能的機(jī)理過程中[20]，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金/碳石墨組成(硬對軟)的密封副在表面織構(gòu)的面積率為4%時，減摩和抑制泄漏效果較優(yōu)。李亞軍等使用激光加工的技術(shù)對45鋼進(jìn)行表面織構(gòu)化處理[21]，研究其在干摩擦和乏油2種狀態(tài)下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面織構(gòu)的密度逐步增大時，45鋼表面的磨損率呈先減后增的變化趨勢，且當(dāng)表面織構(gòu)的密度為8.1%的時候，45鋼表面的抗磨效果最優(yōu)，該研究結(jié)論同樣表明表面織構(gòu)的面積率與減摩效果并未成線性關(guān)系。

1.2.2 形狀、尺寸的影響 表面織構(gòu)改善摩擦性能的效果不光取決于表面織構(gòu)的面積率，也與表面織構(gòu)的形狀、尺寸等參數(shù)有著重要的關(guān)系。

廖文玲等在研究織構(gòu)表面動壓潤滑性能時[22]，設(shè)計出圓形、橢圓形和條形3種不同的表面織構(gòu)進(jìn)行試驗，結(jié)論表明當(dāng)不同截面形狀的表面織構(gòu)平均深度越接近摩擦副表面的油膜厚度，其表面織構(gòu)的動壓潤滑性能越好。高元等在研究表面織構(gòu)對滑動軸承潤滑性能的影響中發(fā)現(xiàn)[23]，不同織構(gòu)形式其最優(yōu)深度值也并不相同。在同等條件下。單列矩陣凹槽表面織構(gòu)的潤滑效果優(yōu)于矩形和橢圓形表面織構(gòu)，王磊采用激光技術(shù)[24]，將灰鑄鐵HT250加工成具有凹坑狀、條紋狀、網(wǎng)格狀的表面織構(gòu)進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，3種不同型表面織構(gòu)的耐磨性和摩擦系數(shù)均有提高。與此同時，試樣的摩擦性能受到表面溫度的影響，溫度越高摩擦性能越差。

在深入分析織構(gòu)調(diào)控摩擦性能的同時，研究者突破現(xiàn)有的思維方式，指出表面織構(gòu)的尺度設(shè)計與嵌套構(gòu)筑對進(jìn)一步提升表界面的摩擦性能發(fā)揮著重要作用。中國科學(xué)院蘭州物理化學(xué)研究所周峰團(tuán)隊在多孔陽極氧化鋁表面引發(fā)直徑約為100 nm的聚合物刷[25]，使不同尺度之間的跨越成為可能。REN等在織構(gòu)化聚醚醚酮(PEEK)表面沉積納米類石墨碳膜(GLC)[26]，將摩擦系數(shù)控制在0.08，磨損體積低至2.6×10-4mm3。其中，織構(gòu)化形貌能夠屏蔽磨屑、增加潤滑膜厚度和降低碳膜的石墨化進(jìn)程。因此，若能利用不同尺度的織構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)對材料摩擦行為的嵌套調(diào)控，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

2 織構(gòu)設(shè)計對減阻、防污性能的影響

目前，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)越來越受到人們的重視，船舶的節(jié)能減排已成為研究的熱點。船舶在運動過程中，受到的阻力主要包括:興波阻力、壓差阻力( 形狀阻力)、摩擦阻力等，其中摩擦阻力是最主要的組成部分。不僅如此，海洋的生物污損也嚴(yán)重影響著船只和裝備在海洋環(huán)境中的使用性能。當(dāng)船體受到污損生物附著時，船體表面變得更加粗糙，船在前進(jìn)過程中，附著污損生物的重量大大增加，這些污損生物會帶動周圍一圈水體一起向前運動，造成阻力大幅增加。因此，研究船舶的減阻、防污性能對于降低能源消耗，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本具有重要的作用[27-28]。

2.1 減阻效應(yīng)

在20世紀(jì)70年代，NASA蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)，表面為微型凹坑時在順流向能夠降低水面的阻力，該研究發(fā)現(xiàn)打破了表面越光滑則阻力越小的傳統(tǒng)的阻力認(rèn)知[29-31]。

江國琛等在微U形溝槽結(jié)構(gòu)表面減阻性能與耐腐蝕性能的研究中采用飛秒制備微-納結(jié)構(gòu)工藝[32]，利用超快激光在6061鋁合金表面制備出多種形狀的微納溝槽織構(gòu)進(jìn)行試驗，結(jié)果表明：微溝槽織構(gòu)表面具有一定的減阻效果，同時，當(dāng)微溝槽表面織構(gòu)的寬度為25 μm和50 μm，深度為20 μm時，2種不同寬度的U形溝槽表面織構(gòu)的運動時間相對未經(jīng)處理表面的運動時間分別縮短了4.3%和11.6%。這說明，織構(gòu)化處理的表面可以有效減小阻力，而表面織構(gòu)的形貌與尺寸參數(shù)影響著減阻的性能。表面織構(gòu)作為仿生設(shè)計的一種非光滑表面設(shè)計，在廣泛應(yīng)用于機(jī)械表面的同時，部分學(xué)者將表面織構(gòu)應(yīng)用于抽油泵柱塞表面，比如趙文杰將抽油泵柱塞表面進(jìn)行織構(gòu)化[33]，并對其織構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面織構(gòu)為六邊形，橫縱比為2，夾角角度為135°時，摩擦系數(shù)出現(xiàn)峰值，當(dāng)橫縱比為2且夾角角度為105°時，摩擦系數(shù)出現(xiàn)最小值，此時具有最優(yōu)的減阻效果。該研究成果同樣表明表面織構(gòu)的形貌、尺寸參數(shù)影響著減阻效果。

2.2 防污效應(yīng)

目前，海洋的生物污損已成為全球性問題,嚴(yán)重影響著船只和裝備在海洋環(huán)境中的使用性能[36]。越來越多的研究者通過借鑒海洋生物表面具有的微觀結(jié)構(gòu)，如荷葉表面的乳突、水稻等表面的微型結(jié)構(gòu)，有效地幫助其自身進(jìn)行清潔防污作用[34-35]，為此，表面織構(gòu)技術(shù)與防污涂層的結(jié)合才能更大化提升防污的效果，如圖1所示，為防止海洋生物污損附著的方式[37]。

圖 1 防止海洋生物污損附著的方式Fig.1 Ways to prevent the attachment of marine organisms

陳子飛等將有機(jī)硅改性丙烯酸酯防污涂層表面進(jìn)行仿甲魚殼織構(gòu)處理[38]，以此來研究其對生物污損中的舟形藻和新月藻的防污性能。結(jié)果表明：仿甲魚殼表面織構(gòu)化的涂層的表面疏水性得到了增強(qiáng)，而正負(fù)向形貌織構(gòu)化的防污涂層使舟形藻和新月藻的黏附量分別降低了69%、50%和52%、53%，因此表面織構(gòu)化的涂層對其有較好地防污效果。郭飛飛等在人體關(guān)節(jié)表面材料的應(yīng)用中指出，微/納結(jié)構(gòu)與功能仿生的結(jié)合在未來的表面織構(gòu)發(fā)展中是一個重要的應(yīng)用方向[39-40]。許季海等制備了直徑3 μm，高度500 nm的規(guī)則微/納凸柱狀表面織構(gòu)的有機(jī)硅改性丙烯酸酯涂層來探究其涂層的防污性能[41]。圖2(a)～(d)分別為微/納凸柱狀織物狀的涂層表面覆蓋率分別為4%、7%、10%、21%，粗糙度分別為165 nm、207 nm、311 nm、408 nm，結(jié)果表明：表面織構(gòu)化涂層的接觸角與微/納凸柱狀織構(gòu)的表面面積率呈正相關(guān)線性關(guān)系，而絲藻和舟形藻在涂層的附著量隨著微/納凸柱狀織構(gòu)化表面面積率呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。張海春等在研究表面織構(gòu)與自拋光的協(xié)同防污效果時[42]，將具有吸水溶脹能力的微球加入到自拋光樹脂中，通過交聯(lián)反應(yīng)制備了表面織構(gòu)自拋光防污涂層。研究發(fā)現(xiàn)，小球藻黏附率隨微球含量的增加而增大，隨可水解單體含量的增加而下降，當(dāng)微球分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、可水解單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，涂層抑制小球藻黏附的效果最佳。該研究結(jié)論與文獻(xiàn)[41]結(jié)論一致，表明涂層表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計影響著防污性能的優(yōu)劣。

(a) 涂層1 (b) 涂層2

(c) 涂層3 (d) 涂層4 圖 2 微/納凸柱狀織構(gòu)化的涂層的SEM圖Fig.2 SEM images of the micro/nano convex columnar textured coating

海洋生物(如鯊魚、海豚、貝殼)特殊的表面織構(gòu)不僅使其不受污損生物的附著，而且還有一定的減阻效果，借鑒此種表面織物，對構(gòu)建仿生防污、減阻的一體化技術(shù)具有重要意義。

3 總結(jié)與展望

本文主要闡述了表面織構(gòu)的減摩機(jī)理，同時從目前表面織構(gòu)的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，在不同的工況下最優(yōu)的表面織構(gòu)的尺寸參數(shù)也各不相同，與此同時，參數(shù)設(shè)計也影響著表面織構(gòu)技術(shù)在減阻、防污等方面的應(yīng)用效果，而表面織構(gòu)技術(shù)在未來應(yīng)著重從以下幾個方向開展研究：

1) 表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計對于考察織構(gòu)的作用機(jī)理與應(yīng)用范圍發(fā)揮著重要的作用。然而，隨著研究的不斷深入，表面織構(gòu)的尺度設(shè)計與嵌套構(gòu)筑將對提升材料的表界面性能產(chǎn)生巨大的影響。研究表面織構(gòu)的尺度效應(yīng)及其協(xié)同影響機(jī)制將展現(xiàn)出更廣闊的理論和應(yīng)用前景。

2) 表面織構(gòu)技術(shù)在未來有望結(jié)合其他技術(shù)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中去。例如，表面織構(gòu)技術(shù)可以與潤滑油的添加劑技術(shù)以及超疏水涂層技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，提高材料的貧油潤滑和高速運轉(zhuǎn)下的摩擦性能，以及提升機(jī)器表面的防腐蝕能力。同時，關(guān)于表面織構(gòu)技術(shù)方面的應(yīng)用目前更多的集中在工業(yè)領(lǐng)域，因此應(yīng)加強(qiáng)表面織構(gòu)技術(shù)在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究。