人工關(guān)節(jié)材料表面仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)的潤滑研究

任榮杰,董光能

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

人工關(guān)節(jié)是為了替代人體發(fā)生病變或損毀的關(guān)節(jié)。每年美國有200多萬人關(guān)節(jié)置換術(shù),患者的人工關(guān)節(jié)在10年后的可靠性僅為76%[1]。目前,成功應(yīng)用于臨床的人工關(guān)節(jié)材料主要包括金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料3類[2]。陶瓷人工關(guān)節(jié)由于材料特性,在使用過程產(chǎn)生“吱吱”異響,并面臨破裂的風(fēng)險(xiǎn)[3];高分子材料在長期摩擦磨損作用下產(chǎn)生大量磨屑,誘發(fā)骨質(zhì)溶解與免疫反應(yīng),造成人工關(guān)節(jié)無菌松動(dòng)[4]。因此,由金屬材料作為人工關(guān)節(jié)仍具有不可替代性,是臨床應(yīng)用的主要材料[5]。

鈦合金是人工髖關(guān)節(jié)常見的金屬材料,具有良好的生物相容性、抗腐蝕能力和較高的強(qiáng)度,但耐磨性一般,限制了其在生物摩擦學(xué)方面的應(yīng)用[6]。因此,防止磨損和減少摩擦是提高關(guān)節(jié)假體服役壽命的重要措施,其關(guān)鍵在于良好的潤滑[7]。對(duì)人工關(guān)節(jié)材料的摩擦性能研究主要集中在潤滑劑研究及潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面[8],一方面,通過溫敏水凝膠緩釋仿生潤滑液,可以有效降低摩擦副材料的磨損[9];另一方面,可以通過表面微織構(gòu)降低鈦合金摩擦和磨損,延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命[10]。表面織構(gòu)化是指采用合適的加工方法在材料表面制備特定形狀、尺寸、分布和排列的微觀結(jié)構(gòu)陣列,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面性能的調(diào)控[11]。表面織構(gòu)能夠改善潤滑環(huán)境,提供微流體動(dòng)壓作用,儲(chǔ)存潤滑劑達(dá)到二次潤滑;在乏油潤滑中儲(chǔ)存磨屑避免磨粒磨損[12]。

表面織構(gòu)技術(shù)在人工關(guān)節(jié)材料上有著廣泛應(yīng)用[13],Chyr等使用帶有球形織構(gòu)的CoCrMo材料制備的股骨頭與UHMWPE臼杯相配副,該球形織構(gòu)明顯減小了摩擦,增大了材料承載能力[14]。Choud等在人工髖關(guān)節(jié)上制備不同形狀及織構(gòu)率的表面織構(gòu),發(fā)現(xiàn)織構(gòu)可快速形成潤滑膜且膜厚明顯增厚[15]。自然界中普遍存在水分定向傳導(dǎo)現(xiàn)象,如蜘蛛絲方向性集水,蝴蝶翅膀、植物葉子表面水分方向性傳遞等[16],這是因?yàn)槠湮⒔Y(jié)構(gòu)在較小尺寸上是連通的,呈現(xiàn)出樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以最大限度減小流阻[17]。Divyansh等使用激光制備不同表面織構(gòu)形貌,并研究了其在不同時(shí)間的潤濕狀態(tài)變化情況[18]。

高性能潤滑劑可以有效降低人工關(guān)節(jié)材料配對(duì)副的磨損狀況,但需多次注射增大了患者的痛苦。以往學(xué)者對(duì)富潤滑液狀態(tài)的凹坑型織構(gòu)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)凹坑織構(gòu)可以有效降低摩擦系數(shù),而不連通的陣列織構(gòu)無法引導(dǎo)液體鋪展流動(dòng),當(dāng)潤滑狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)其減摩性能會(huì)發(fā)生明顯變化。

本文受自然界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)啟發(fā),設(shè)計(jì)一種連通的分叉溝槽型織構(gòu),期望在非工況區(qū)域引導(dǎo)體內(nèi)潤滑液向工況區(qū)域鋪展聚集,在工況區(qū)域達(dá)到改善摩擦狀態(tài)的性能。根據(jù)樹狀網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)與分支角,設(shè)計(jì)了3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),分別制備了織構(gòu)率(結(jié)構(gòu)區(qū)域占試樣表面區(qū)域的比例)為10%、15%、20%的試樣,研究其潤濕性與摩擦學(xué)性能并確定較佳的織構(gòu)參數(shù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料準(zhǔn)備

試樣材料為標(biāo)準(zhǔn)的Ti6Al4V合金,試樣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。選用鈦合金盤模擬股骨頭假體,直徑為30 mm,厚度為5 mm;選用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE,相對(duì)分子質(zhì)量為450萬)材料模擬髖臼杯,直徑為6 mm,長度為15 mm。鈦合金試樣盤經(jīng)拋磨后達(dá)到表面粗糙度為0.02 μm左右。試驗(yàn)選用Hank’s溶液作為潤滑介質(zhì),主要成分見表2。

表1 試樣元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 試驗(yàn)?zāi)M體液Hank’s溶液的成分

1.2 試樣制備

圖1為激光器制備仿生樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)示意圖。采用常見的激光加工法制備表面仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),使用BasiCube 10振鏡激光器,激光波長為1 064 nm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在試樣表面加水膜避免產(chǎn)生毛刺,鈦合金試樣表面顯微HV硬度為303.9。

圖1 激光器制備表面織構(gòu)過程示意圖Fig.1 Surface texture fabrication by laser process

仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)是由分叉單元組合而成,如圖2所示。主要參數(shù)包括分支數(shù)、分支角、母微管道與各子微管道的長度、直徑等,其中分支數(shù)為母微管道在分叉口處分支子微管道的數(shù)目,分支角為子微管道與母微管道方向的夾角。本文主要研究分支數(shù)與分支角對(duì)樹狀網(wǎng)絡(luò)的影響。根據(jù)分支數(shù)設(shè)計(jì)三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)與二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò),在二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)分支角不同,設(shè)計(jì)兩種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。

圖2 樹狀網(wǎng)絡(luò)分叉單元示意圖Fig.2 Tree-like network bifurcation unit

根據(jù)分支數(shù)、分支角,共設(shè)計(jì)制備3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),分別為三分叉分支角為90°的十字型網(wǎng)絡(luò)、二分叉分支角為90°的T型網(wǎng)絡(luò)、二分叉分支角為60°的Y型網(wǎng)絡(luò)。3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)如圖3所示,每類樹狀網(wǎng)絡(luò)分別制備成織構(gòu)率為10%、15%、20%的試樣,其中設(shè)計(jì)溝槽寬度為20 μm,深度為15 μm。最后采用4%HF與10%HNO3按體積1∶1混合,對(duì)Ti6Al4V表面進(jìn)行酸蝕,增大鈦合金表面的親水性能。

(a)十字型

1.3 接觸角試驗(yàn)

使用型號(hào)為JC2000D2A接觸角測(cè)量儀,分別測(cè)量原始表面、酸蝕表面和3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的表面接觸角,并記錄液體完全鋪展時(shí)間。選用表2所配置的模擬體液,每個(gè)試樣表面選取5個(gè)不同測(cè)量位置,分別滴液2 μL。試驗(yàn)在環(huán)境為(25±5) ℃室溫和40%相對(duì)濕度下進(jìn)行,采取量高法進(jìn)行接觸角測(cè)量。

1.4 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)在CETR UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用銷盤式摩擦副,進(jìn)行往復(fù)直線摩擦磨損試驗(yàn)(如圖4所示)。其中使用UHMWPE材料作為銷,直徑為6 mm,表面粗糙度為0.012 μm左右;使用Ti6Al4V材料作為盤,直徑為30 mm,表面粗糙度為0.019 μm。在正常運(yùn)動(dòng)情況下,髖關(guān)節(jié)的壓強(qiáng)是3.6 MPa,髖關(guān)節(jié)與臼杯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在25 mm/s左右。因此,設(shè)置試驗(yàn)條件:初始溫度為(25±5) ℃,法向載荷為100 N,往復(fù)滑動(dòng)頻率為2 Hz,滑移距離為6 mm,試驗(yàn)時(shí)間為15 min。潤滑介質(zhì)為表2的模擬體液,添加量為1 mL。

圖4 銷盤摩擦副示意圖Fig.4 Pin-disc friction pair

2 結(jié)果及分析

2.1 仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)形貌表征

激光加工使試樣表面產(chǎn)生微凸起毛刺,不利于進(jìn)行摩擦試驗(yàn),課題組根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用激光進(jìn)行加工[19],激光平均功率為15 W,速度為600 mm/s,每個(gè)織構(gòu)加工4次,覆水膜2 mm。試樣經(jīng)激光加工后再次進(jìn)行磨拋處理,去除激光沖蝕產(chǎn)生的熔渣,將試樣在無水乙醇中超聲清洗,迅速吹干。分別使用光學(xué)顯微鏡和T200粗糙度儀觀測(cè)織構(gòu)的表面質(zhì)量,并測(cè)量織構(gòu)寬度與深度。圖5為3種樹狀織構(gòu)表面形貌。由圖可見,制備的樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)溝槽寬度在(20±5) μm范圍內(nèi),且織構(gòu)周邊無明顯毛刺現(xiàn)象,織構(gòu)在深度方向?yàn)殄F狀,深度在15 μm左右,3種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)截面寬度及深度一致,滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)十字型網(wǎng)路

使用OSL4000激光共聚焦顯微鏡,對(duì)制備的3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),進(jìn)一步表征網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的三維形狀及溝槽內(nèi)壁輪廓形貌。圖6為3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)表面形貌三維掃描圖。試樣表面平整光滑,有利于進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)邊緣不平整且內(nèi)壁具有不規(guī)則凸起,這是由于激光刻蝕時(shí)燒蝕點(diǎn)的金屬液體飛濺和流動(dòng),堆積在激光加工過的低處表面,激光掃過一遍之后,在織構(gòu)周圍形成凹凸不平的粗糙表面。

(a)十字型

2.2 織構(gòu)參數(shù)對(duì)材料接觸角的影響

圖7a、7b分別為Ti6Al4V材料在酸蝕前后的接觸角。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鈦合金的接觸角在酸蝕后與原始表面相比有所降低,僅減小37.4%,未能形成超親水表面。這是因?yàn)?鈦合金在酸蝕后表面形成具有光致親水性的銳鈦型二氧化鈦,改變了試樣表面的親水性能。圖7c為液體在樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)鋪展,并最終達(dá)到超親水性能。這是由于,網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)增大了試樣表面的粗糙度,根據(jù)Wenzel模型方程[20],表面粗糙增強(qiáng)了表面的親水性,同時(shí)網(wǎng)狀織構(gòu)的微管道為液體提供毛細(xì)力,驅(qū)動(dòng)加速液體快速鋪展,達(dá)到超親水效果。

(a)原始接觸角

2.2.1 織構(gòu)類型對(duì)材料接觸角的影響 圖8為3種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的瞬時(shí)接觸角與液體完全鋪展時(shí)間。從中可見,樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)瞬時(shí)接觸角約為20°,接觸角逐漸接近于0°。與光滑酸蝕表面相比較,仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)均可以明顯降低接觸角,增強(qiáng)材料本征潤濕性,并利于液體鋪展流動(dòng)。

(a)瞬時(shí)接觸角

織構(gòu)類型對(duì)瞬時(shí)接觸角及液體鋪展快慢的影響在于樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在分叉時(shí)的分叉數(shù)目與分叉角度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時(shí)接觸角均低于二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),但液體完全鋪展所需時(shí)間長于二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。當(dāng)分叉處的分叉數(shù)目較多時(shí),因毛細(xì)力作用,液滴與織構(gòu)接觸瞬間更易吸入溝槽內(nèi),降低初始瞬時(shí)接觸角。三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)在分叉口液體阻力大,削弱了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力,顯著降低樹狀網(wǎng)絡(luò)中液體的運(yùn)輸性能。在二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)中,分支角較小的Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)比T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在瞬時(shí)接觸角與完全鋪展時(shí)間上較優(yōu)。液體流動(dòng)與分支角相關(guān)[21],液體在Y型網(wǎng)絡(luò)分叉處流動(dòng)阻力更小,液體在毛細(xì)力作用下更易于流入Y型網(wǎng)絡(luò)分叉口內(nèi),使瞬時(shí)接觸角減小;微流體在分支角較小的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)阻力小,可以快速流動(dòng),液體完全鋪展時(shí)間更短。

2.2.2 織構(gòu)率對(duì)材料接觸角的影響 圖9為3種織構(gòu)分別在織構(gòu)率為10%、15%、20%的瞬時(shí)接觸角及液體完全鋪展時(shí)間。隨著織構(gòu)率從10%增加到20%,3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時(shí)接觸角均減小了4°左右,瞬時(shí)接觸角隨織構(gòu)率的增加呈減小趨勢(shì),液體完全鋪展時(shí)間隨織構(gòu)率的增加而增長。

(a)瞬時(shí)接觸角

試樣表面不同織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時(shí)接觸角均明顯減小,這是因?yàn)?織構(gòu)增大了試樣表面的粗糙度,表面微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了材料的本征潤濕性,使親水表面更加親液。隨著織構(gòu)率的增大,織構(gòu)更加密集,進(jìn)一步增加了材料表面粗糙度使瞬時(shí)接觸角減小。隨著織構(gòu)率的增大,液體完全鋪展所需時(shí)間明顯變長,這是由于微織構(gòu)更密集,液滴難以進(jìn)入到織構(gòu)溝槽內(nèi)部,在材料表面易形成較多的氣穴,使得氣體比例增大,難以形成毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)液體鋪展。除此之外,織構(gòu)率的增大導(dǎo)致單位長度上分叉口增多,不易形成穩(wěn)定的液體流動(dòng)狀態(tài),降低了液體的流動(dòng)性能。液體在織構(gòu)表面的鋪展是液體流入織構(gòu)填滿溝槽的過程[22]。液體可以在低織構(gòu)率的樹狀網(wǎng)絡(luò)中快速鋪展,這是由于,微流體被吸入到溝槽內(nèi)表面,在微管道內(nèi)發(fā)生毛細(xì)運(yùn)動(dòng)不斷擴(kuò)散,液體不斷被吸入織構(gòu),直至流體填滿溝槽或流體達(dá)到平衡高度,流體流動(dòng)才停止,并達(dá)到超親水表面。高織構(gòu)率網(wǎng)絡(luò)不易形成穩(wěn)定毛細(xì)力驅(qū)動(dòng),液體難以進(jìn)入織構(gòu)且液體運(yùn)動(dòng)緩慢,使液體完全鋪展所用時(shí)間更久。

2.3 織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響

2.3.1 織構(gòu)類型對(duì)摩擦系數(shù)的影響 圖10所示為摩擦試驗(yàn)中滑動(dòng)方向與3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的夾角示意圖,其中運(yùn)動(dòng)方向與各分叉單元中液體自母微管道流向子微管道的方向一致。

(a)十字型

將每個(gè)試樣在相同條件下進(jìn)行兩次試驗(yàn),記錄摩擦系數(shù)變化趨勢(shì),并對(duì)平均摩擦系數(shù)進(jìn)行分析,將兩次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理,獲得平均摩擦系數(shù)值。圖11為原始表面與3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)曲線,潤滑環(huán)境為模擬體液。由圖11可知,拋光盤及織構(gòu)盤試樣在前200 s處于磨合狀態(tài),摩擦系數(shù)快速下降,之后摩擦系數(shù)緩慢變化并趨向穩(wěn)定?？棙?gòu)率在10%至20%的范圍內(nèi),3種仿生樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)均低于無織構(gòu)盤摩擦系數(shù),說明有利于改善潤滑狀態(tài)。

圖11 不同表面情況下的摩擦系數(shù)比較Fig.11 Friction coefficient of three textures with different rates and non-textured

圖12為3種織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)。T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)明顯低于其他兩種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù),Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)最高。織構(gòu)的形狀和運(yùn)動(dòng)方向改變了摩擦副承載力,對(duì)摩擦學(xué)性能有顯著影響。實(shí)驗(yàn)過程中,銷盤運(yùn)動(dòng)方向與T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)相垂直,潤滑介質(zhì)由母微管道流向子微管道的過程中受到較大阻力,分叉處的流動(dòng)阻力作為摩擦副間的承載壓力,避免摩擦副表面直接接觸,表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)。潤滑液在Y型網(wǎng)絡(luò)溝槽中更易于流動(dòng)且受到阻力較小,產(chǎn)生較弱的承載力,潤滑性能較差,摩擦系數(shù)較高。十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)介于T型網(wǎng)絡(luò)與Y型網(wǎng)絡(luò)之間,這是因?yàn)槠湓诖怪庇谶\(yùn)動(dòng)方向上有較多的微管道,具有一定的承載能力。

圖12 3種織構(gòu)的摩擦系數(shù)比較Fig.12 Friction coefficient of three textures

因此,在減摩性能上,3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)由大到小是T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)、十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)、Y型樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。

圖13 3種織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)比較Fig.13 Friction coefficient in different texture ratios

2.3.2 織構(gòu)率對(duì)摩擦系數(shù)的影響 圖13為3種織構(gòu)分別在織構(gòu)率為10%、15%、20%的摩擦系數(shù)變化。由圖13可以看出,十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)和T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)隨織構(gòu)率增加先減小后增大,Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)隨織構(gòu)率增大而增大。在織構(gòu)率為15%時(shí),T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能,摩擦系數(shù)僅為0.077,相比較原始表面摩擦系數(shù)降低了38%。

在設(shè)計(jì)的織構(gòu)率范圍內(nèi),3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)均可以降低摩擦系數(shù),其中低織構(gòu)率時(shí)的減摩性能更明顯。在織構(gòu)率為10%時(shí),十字型網(wǎng)絡(luò)與Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)約為0.1,T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)約為0.09,均較無織構(gòu)表面下降了27%。在織構(gòu)率為15%時(shí),十字型網(wǎng)絡(luò)與T型網(wǎng)絡(luò)摩擦系數(shù)繼續(xù)減小,其中T型網(wǎng)絡(luò)摩擦系數(shù)僅為0.077,相較原始表面降低了38%。隨著織構(gòu)率的提高,3種織構(gòu)的摩擦系數(shù)快速上升,雖具有一定的減摩性能但減摩效果不如低織構(gòu)率。摩擦系數(shù)與織構(gòu)密度、潤滑狀態(tài)等多因素相關(guān)[23-24]。本試驗(yàn)中,低織構(gòu)率的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)儲(chǔ)存潤滑液為接觸面提供良好的潤滑,同時(shí)微管道內(nèi)的流動(dòng)阻力提供承載壓力,達(dá)到明顯的減摩效果,高織構(gòu)率的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)增大表面粗糙度,導(dǎo)致實(shí)際接觸面積減小,接觸壓力增大,減摩效果減弱。

3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在10%至20%織構(gòu)率范圍內(nèi),相比無織構(gòu)表面均具有一定的減摩性能。在低織構(gòu)率時(shí),網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)減摩性能更明顯,T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在15%織構(gòu)率時(shí)達(dá)到最低的摩擦系數(shù),在高織構(gòu)率時(shí)減摩性能有所削弱,但仍優(yōu)于無織構(gòu)表面。

3 結(jié) 論

根據(jù)不同樹狀網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)、分支角參數(shù),使用激光在鈦合金上構(gòu)造出3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),通過改變仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的織構(gòu)率,進(jìn)行接觸角試驗(yàn)和直線往復(fù)銷盤摩擦試驗(yàn),得出結(jié)論如下。

(1)3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在給定織構(gòu)率范圍內(nèi),均可以促使液體在表面完全鋪展,并具有減摩性能。

(2)低織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的潤濕性更明顯。Y型網(wǎng)絡(luò)的更有利于液體完全鋪展,形成超親水表面。

(3)低織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),可以更有效地降低摩擦系數(shù)。T型網(wǎng)絡(luò)的減摩性能最明顯,在15%織構(gòu)率時(shí)摩擦系數(shù)僅為0.077,相較無織構(gòu)表面降低了38%。

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于人工關(guān)節(jié)的自潤滑減摩設(shè)計(jì)具有重要參考意義。在非工況區(qū)域低織構(gòu)率的Y型網(wǎng)絡(luò)有助于潤滑液向工況區(qū)域的快速鋪展,工況區(qū)域的T型網(wǎng)絡(luò)可以提供高效的性能。