摩擦表面定域潤滑研究進展及發(fā)展趨勢

胡瑞，陳威，許春霞,3，YANG Yue

摩擦表面定域潤滑研究進展及發(fā)展趨勢

胡瑞1,2，陳威1，許春霞1,3，YANG Yue2

（1.南昌工程學(xué)院 江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室，南昌 330099；2.謝菲爾德大學(xué) 機械工程系，謝菲爾德 S1 3JD，英國；3.南昌大學(xué) 先進制造學(xué)院，南昌 330031）

面向環(huán)境保護和資源節(jié)約使用的呼聲，應(yīng)用少量潤滑劑實現(xiàn)摩擦表面定域可控潤滑的研究越來越受到關(guān)注?；跐櫥瑒┒ㄓ驖櫥?yīng)，從定域潤滑的形成機制、潤滑層結(jié)構(gòu)、潤滑種類、潤滑效果和定域與微觀-宏觀域關(guān)聯(lián)等角度進行探索研究。概述了近年來國內(nèi)外關(guān)于定域潤滑的研究進展，從潤滑約束角度概述了外力約束型、空間封閉約束型、表面形貌約束型和表面物化約束型等不同形式的定域潤滑，同時對其成因及潤滑機理進行了闡述，并對不同約束方式之間的耦合潤滑效果研究，得出不同定域因素間會產(chǎn)生影響，且作用效果相似的約束方式之間耦合影響會明顯增強。此外，系統(tǒng)性地闡述了定域潤滑在數(shù)學(xué)模型理論研究、實驗研究、仿真分析等方面研究的發(fā)展概況，并分析了定域潤滑在摩擦過程中的潤滑效應(yīng)及其優(yōu)勢與不足。最后分析了目前定域潤滑研究中存在的問題和拓展方向，并提出其可在多種影響因素耦合方面重點研究的建議。

定域潤滑；局域潤滑；摩擦表面；密封潤滑；磁流體

潤滑是為了改善摩擦副的摩擦狀態(tài)，以降低摩擦副表面之間的摩擦磨損的措施，一般通過將潤滑劑加入摩擦副之中實現(xiàn)。在加入流體潤滑劑后，摩擦表面會形成潤滑膜界面，在避免摩擦副直接接觸的同時還能有散熱、除銹、減震、降噪等作用[1]。潤滑劑在潤滑過程中可以有效減小摩擦副表面的損耗，降低摩擦因數(shù)，改善設(shè)備的摩擦性能。然而，潤滑劑的損耗會造成設(shè)備摩擦增大且能耗增加，嚴重時會造成設(shè)備損壞乃至發(fā)生危害人身安全的重大生產(chǎn)安全事故。針對上述問題，生產(chǎn)實踐中通常采用密封并持續(xù)補充潤滑劑的方式來解決潤滑問題[2]，這種方式雖然在一定程度上防止了潤滑劑的損耗，但根據(jù)密封精度的不同，潤滑劑的泄露還是存在，仍然會造成一定的資源浪費。而使用定域潤滑措施可以有效減小潤滑劑的損耗，同時可延長設(shè)備使用年限和降低能源消耗，這在能源日益緊缺的今天具有重要意義。

隨著社會的不斷發(fā)展，能源問題日益凸顯，如何降低設(shè)備運行中的能源損耗，提高能源利用率已成科學(xué)研究的當務(wù)之急。本文主要從磁控下磁流體潤滑、機械密封結(jié)構(gòu)和微織構(gòu)形態(tài)方面對定域潤滑現(xiàn)象進行研究，將潤滑現(xiàn)象聚焦于潤滑劑的定域分布，著重研究潤滑劑的定域約束與不同定域因素協(xié)同作用的問題，就目前定域潤滑研究進行了系統(tǒng)性地梳理。

1 定域潤滑的形成

定域潤滑是指將潤滑劑使用一定方法吸附在摩擦副限定區(qū)域表面的潤滑技術(shù)。將潤滑劑約束在摩擦區(qū)域內(nèi)，可以有效減少潤滑劑的損耗，避免形成干摩擦；同時將潤滑劑約束在一定區(qū)域內(nèi)還能提升潤滑性能，使得摩擦區(qū)域的動壓力、油膜承載力和抗磨減摩性能都有所增加。因此，本文闡述的定域潤滑技術(shù)及其潤滑機理，不僅有助于定域潤滑機制的研究，也有利于全域潤滑領(lǐng)域的理論拓展和完善。

1.1 定域潤滑的發(fā)展歷程

定域潤滑的概念最早出現(xiàn)在1885年出現(xiàn)的機械密封上[3]，這一時期研究主要使用機械結(jié)構(gòu)將潤滑劑密封在摩擦區(qū)域，防止其飛濺損耗，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活當中。隨著機械密封研究的不斷深入，性能更好的機械密封也逐漸被開發(fā)出來，機械密封具有密封性能好、使用壽命長、功率消耗少等優(yōu)點，但其滑動環(huán)和O形圈在使用過程中易失效，并且其工作過程中密封端界面內(nèi)的潤滑機理尚未明確，還需要開展進一步的研究[4]。而隨著潤滑材料學(xué)研究的不斷進步，使用新型磁流體潤滑劑、油凝膠等代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤滑劑也逐漸成為定域潤滑領(lǐng)域研究的熱點[5]。相較于傳統(tǒng)潤滑劑，磁流體可以在磁場作用下形成自密封，將潤滑劑限定在定域表面，無需使用機械結(jié)構(gòu)，能有效防止?jié)櫥瑒p耗[6]。而油凝膠可以將潤滑劑容納在凝膠結(jié)構(gòu)當中，在溫度的影響下發(fā)生相變，實現(xiàn)對摩擦區(qū)域的自適應(yīng)潤滑[7]。與此同時，微織構(gòu)形態(tài)也被應(yīng)用到定域潤滑研究中，微織構(gòu)形態(tài)可以容納被擠走的潤滑劑，不斷補充摩擦副表面的潤滑劑，特殊形態(tài)的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)還會形成表面引導(dǎo)效應(yīng)，控制潤滑劑的覆蓋范圍，有效延長潤滑劑使用時間，降低潤滑劑損耗。隨著摩擦學(xué)研究的不斷深入，還有很多其他定域潤滑現(xiàn)象不斷發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。

1.2 定域潤滑的形成條件

定域潤滑得以形成，主要是由外界對摩擦區(qū)域和潤滑劑施加約束，這一約束形成既可以是外力約束，如磁力[8]、電場力[9]、分子之間的吸附力[10]等，也可以是空間約束如接觸式機械密封或非接觸式機械密封等[11]，還可以是表面形貌約束如不同微織構(gòu)形態(tài)等[12]。

因此，可以認為形成定域潤滑的基本條件在于摩擦副表面之間的潤滑劑及其產(chǎn)生潤滑定域效應(yīng)的約束條件。通過不同形式的約束將潤滑劑吸附在摩擦副之間，這可避免摩擦副表面之間形成混合潤滑或干摩擦工況，以保障摩擦副表面之間時刻維持著提供潤滑的潤滑層。

1.3 定域潤滑的結(jié)構(gòu)分析

在形成定域潤滑效應(yīng)后，摩擦副表面之間不會直接接觸，且可以長時間維持有良好潤滑的接觸狀態(tài)；同時，潤滑劑在約束狀況下的損耗也會減少，以維持更長時間的理想狀態(tài)；對應(yīng)狀態(tài)下，此時宏觀狀態(tài)下的直接表現(xiàn)就是摩擦阻力降低，摩擦副表面間的摩擦磨損特征值減小。

根據(jù)不同的約束方式，其潤滑層的結(jié)構(gòu)也有所不同：（1）利用外力約束方式，將潤滑劑在外力作用下約束在摩擦副表面，形成定域內(nèi)穩(wěn)定的潤滑劑層；（2）利用空間封閉約束方式，將潤滑劑封閉在摩擦域附近，使得潤滑劑無法脫離潤滑摩擦域，形成動態(tài)穩(wěn)定的定域潤滑劑層；（3）利用表面形貌約束方式，將潤滑劑通過表面形貌留存在摩擦表面內(nèi)，形成表面形貌定域范圍內(nèi)的潤滑劑層；（4）利用表面物化約束方式，將不同性質(zhì)的摩擦材料加入潤滑區(qū)域，通過摩擦過程中物理覆蓋、化學(xué)反應(yīng)固定和產(chǎn)生納米級薄膜等方式，在自身理化特性的作用下形成特殊的定域潤滑層，達到改善摩擦性能的目的。

2 定域潤滑類型

不同的定域潤滑類型的形成原理和定域技術(shù)條件都有所不同，其具體的潤滑效果也不同，分析不同形態(tài)定域類型的具體原理可以對優(yōu)化定域形態(tài)和多定域因素耦合優(yōu)化有著重要意義。

2.1 外力約束型

外力約束型是借由在潤滑劑上使用一定的特殊理化性能的材料，如磁性顆粒、熔融鹽潤滑劑等，借由其理化特性產(chǎn)生的外力使得潤滑劑吸附在摩擦副表面，達到防止?jié)櫥瑒┝魃⒌男ЧＭ饬s束型主要是通過潤滑劑自身與外界場（如磁場、電場、溫度場等）相互作用而產(chǎn)生的約束力來約束潤滑劑本身，以達到固定在潤滑表面的效果；同時僅僅通過改變外界場就能對潤滑劑的固定效果進行改變，可以實現(xiàn)對潤滑的控制。

外力約束型主要表現(xiàn)于使用磁力的磁流體潤滑中，由于磁流體在磁場下的特殊效應(yīng)，使得其首先應(yīng)用于密封領(lǐng)域，但研究中也發(fā)現(xiàn)磁流體在潤滑中也有較好的效果，其原因在于磁流體會受到磁場影響（如圖1所示），吸附在摩擦副表面，避免流散。磁流體的定域效應(yīng)與外磁場強度緊密相關(guān)，在磁場強度較大時磁流體黏度也較大，在定域內(nèi)吸附在摩擦副表面[13]。施加磁場時，磁性納米顆粒沿磁場方向排列取向，隨著磁場強度的增加，相互作用和排列變得更強，在1 400 Gs的磁場強度下，以硅油為基底的鐵磁流體的黏度比可以達到166[14]。磁流體在磁場作用下的定域效應(yīng)不僅能夠增加定域效果，還能增強油膜的承載力，提高潤滑效果。

外力約束型也表現(xiàn)在使用電場力上，文獻[9]開展了4種離子在表面電勢的影響下對潤滑定域的影響研究，結(jié)果表明，在定域范圍電勢影響下，含F(xiàn)AP陰離子的3種離子液體，負電位下的摩擦因數(shù)低于正電位下的摩擦因數(shù)；烷基鏈的長度對潤滑性能的影響也非常顯著，但當烷基鏈長度進一步減少到2時，離子便于重新定向，可以在摩擦副的定域表面平行排布，潤滑性能進一步提升。離子液體作為潤滑劑還會產(chǎn)生靜電吸附的效果，在靜電力的作用下形成具有自愈合和自濕潤功能的ILCAs-GO沉積膜，可以有效分離摩擦副表面并提供充足的潤滑，從而減少材料磨損[15]。

圖1 磁流體在不同定域磁場下的特性[8]

圖2 溫度驅(qū)動下固體表面液體的變化[16]

外力約束型還體現(xiàn)在溫度場的影響下，液體在固體表面的分布受到與空氣間表面張力的影響，其工作原理如圖2所示，在外界溫度的變化下液體的表面張力產(chǎn)生變化，從而對液體產(chǎn)生驅(qū)動作用[16]。目前上述研究已應(yīng)用在溫度影響下發(fā)生相變的“自約束”型凝膠[17]，這種凝膠在高溫（240 ℃以上）下呈液態(tài)，低溫下則呈凝固狀態(tài)，可有效地減小摩擦過程中高溫造成的潤滑劑損失及失效；同時表現(xiàn)出對摩擦過程的自適應(yīng)效果，當摩擦過程中剪切速率降低，其黏度增加，而剪切速率提高則黏度降低；這一系列過程都可重復(fù)實現(xiàn)。將這種材料應(yīng)用在軸承上減少了高速運轉(zhuǎn)下潤滑油的質(zhì)量損失，提升了軸承材料的儲油能力；同時在摩擦熱的作用下，凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，增強了潤滑效果，摩擦因數(shù)明顯下降[18]。

2.2 空間封閉約束型

空間封閉約束型則是以機械密封為代表，采用泄露率極低的密封封裝邊界將摩擦副表面及潤滑劑封閉起來形成定域范圍，使摩擦行為發(fā)生在空間約束內(nèi)?？臻g封閉約束型主要通過密封技術(shù)的方式實現(xiàn)，通過密封的方式將潤滑劑封閉在潤滑區(qū)域，以防止?jié)櫥瑒┮萆?，實現(xiàn)更長期的潤滑效果。由于空間約束型定域范圍較大，雖然很難做到精確控制潤滑部位，但是其技術(shù)成熟，成本較低，所形成的定域穩(wěn)定，因此應(yīng)用較為廣泛。

機械密封可以分為接觸式密封（如圖3所示）和非接觸式密封（如圖4所示），2種方式各有優(yōu)劣。接觸式機械密封結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維護成本低，其密封性和可靠性良好。接觸式機械密封通過運動環(huán)和靜止環(huán)緊密接觸而形成密封效果，同時采用O形圈在軸套與殼體上實現(xiàn)二次密封，進一步保證其密封率和潤滑液存儲[19]。然而，接觸式機械密封還存在一定的問題，由于密封界面直接接觸并缺乏良好潤滑，在摩擦過程中這些零件不斷磨損，從而影響整體的密封性能，同時由于密封界面并不能完全緊密接觸，因此還是存在泄露現(xiàn)象和潤滑失效[20]。而非接觸式機械密封則是在解決上述問題的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通過在端面動環(huán)或靜環(huán)上開設(shè)不同形態(tài)的凹槽和孔槽，形成徑向收斂楔，使流體運動時產(chǎn)生靜壓或動壓作用，在密封端面之間形成一層穩(wěn)定連續(xù)的流體膜，使得端面之間不存在固相接觸的機械密封；由于不存在直接的接觸摩擦，非接觸式機械密封的摩擦磨損很小，同時利用流體的動壓或靜壓作用，使得非接觸式機械密封的泄漏量可控和局域潤滑效果良好，理論上可以實現(xiàn)零泄露[21]。

非接觸式機械密封雖然利用了流體靜動壓力，但與外力約束型潤滑中需要存在受到外場力影響的潤滑劑組成成分或場力因子（如磁流體中受到外磁場力約束的磁性粒子、離子液體中受到外電場力約束的極性離子、油凝膠中受到溫度場力約束的凝膠因子等）不同，非接觸式密封中的潤滑劑可以不需要存在受外界場影響的成分因子而只需要產(chǎn)生密封作用的流體靜壓或動壓效果因素[22]。其約束力主要是來源于端面表面構(gòu)型與流體的運動[23]，約束作用區(qū)域在密封空間的外部區(qū)域。目前該方面研究熱點集中在實現(xiàn)空間封閉的密封油槽結(jié)構(gòu)形態(tài)、密封端面的泄漏量和動靜環(huán)匹配性能等[22-23]。

圖3 接觸式機械密封基本結(jié)構(gòu)[19]

圖4 典型的單向螺旋槽非接觸式機械密封的密封端面定域結(jié)構(gòu)[21]

2.3 表面形貌約束型

表面形貌約束則是以微織構(gòu)形態(tài)為主，通過改變定域范圍內(nèi)的摩擦副表面形貌，使其擁有更好的摩擦學(xué)性能，同時利用微織構(gòu)形態(tài)將潤滑劑約束在定域摩擦副表面，避免隨摩擦過程甩出，造成損耗[24]。表面約束型基本是通過改變潤滑區(qū)域的表面形貌以產(chǎn)生定域效果，并不涉及潤滑劑本身與潤滑區(qū)域以外的空間，也不會在潤滑表面發(fā)生物化反應(yīng)，因此其適用范圍較廣，在許多場合都能加以應(yīng)用。

研究表明，摩擦力不是隨物體表面越光滑而越小，在物體表面加工出一些規(guī)則的紋路也可以有效減小摩擦力，同時微凹坑型織構(gòu)可以容納磨損產(chǎn)生的碎屑，防止碎屑對摩擦副表面造成二次破壞。同時凹坑還能容納一定量的潤滑劑，補充摩擦過程中的油液損耗[25-26]。此外，微凹坑還會在使用油潤滑劑摩擦?xí)r發(fā)生空化效應(yīng)，增大油膜剛性，增強油膜承載力，考慮空化時的承載力比不考慮空化時可提高35～74倍，同時摩擦力減小了5.8%～37.3%，摩擦因數(shù)可降低98.3%～98.7%[27]，然而，這種現(xiàn)象在高速輕載的狀態(tài)下效果比較明顯，低速重載時油膜的承載力則會降低[28]。特殊的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)還可以形成定域范圍內(nèi)的微循環(huán)潤滑回路，使得潤滑劑在摩擦上形成循環(huán)，既能提升潤滑劑的流體動壓力，增強其承載能力，又能有效回收被擠壓出摩擦表面定域范圍的潤滑劑，這通過微循環(huán)進行補充，以降低潤滑劑損耗率[29]。定域微織構(gòu)結(jié)構(gòu)主要影響潤滑劑的流體壓力和剪切力，文獻[30]用尺寸為2 mm×2 mm、網(wǎng)格數(shù)為256×256的定域且微織構(gòu)分布為4×4排列進行模擬計算，探究了定域微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對流體壓力和剪切力產(chǎn)生的影響，壓力和剪切力隨著表面織構(gòu)面密度和深寬比的增大而增大；但隨著深寬比的增加，壓力增大的幅度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

表面引導(dǎo)效應(yīng)也是表面形貌約束的一種方式，其基本原理則是通過表面結(jié)構(gòu)驅(qū)動液體移動，具有親疏水梯度和錐形結(jié)構(gòu)特征的一維絲狀材料能實現(xiàn)液體的短距離搬運，使其在局部區(qū)域富集。豬籠草的口緣區(qū)表面液膜的形成也是基于這一效應(yīng)[31]，口緣區(qū)表面具有幾乎平行分布的兩級溝槽，且在第二級溝槽內(nèi)分布著朝向一致、層疊分布的“鴨嘴狀”楔形盲孔陣列結(jié)構(gòu),豬籠草的楔形孔內(nèi)緣夾角具有梯度漸變特征，會增強液體向上鋪展的能力，形成“梯度泰勒毛細升”現(xiàn)象，加強液體的匯集能力[32]。而進一步的研究也證實在其他表面應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)可以有效增強液體的擴散與匯集能力，形成有效的自潤滑[33]。

2.4 表面物化約束型

表面物化型約束則是利用物理或化學(xué)特性，通過改變材料的理化性能來改善摩擦副定域面的摩擦性能，主要是在潤滑劑中加入添加劑或利用其本身的理化性質(zhì)，通常會與潤滑表面材料產(chǎn)生不可逆的理化反應(yīng)來達到更好的潤滑效果。其基本方式有3種：

一是通過物理方法，在材料表面定域范圍內(nèi)覆蓋摩擦性能較好的摩擦層，如在潤滑劑中加入微納米潤滑材料，通過在定域范圍覆蓋潤滑襯墊的方式，將摩擦性能更好的材料覆蓋在摩擦副表面，改善其摩擦學(xué)性能，與潤滑劑協(xié)同作用達到更好的潤滑效果。文獻[34]在潤滑劑中加入微納米潤滑材料，使得微納米潤滑材料在摩擦副定域表面經(jīng)物理性摩擦反應(yīng)形成定域摩擦層，主要包括向摩擦副表面遷移的沉積層、彌散在超光滑摩擦表面的滾動摩擦層、擴散嵌入摩擦副表面的嵌入滲透層等，這些定域摩擦層不僅可以提升摩擦副表面的潤滑能力，還能保護材料不被磨損，抗磨性能和潤滑性能都有提升。

二是通過化學(xué)方式，使?jié)櫥瑒┡c摩擦材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而固化在摩擦副表面定域上，使?jié)櫥瑒╅L期存在，不易隨摩擦的發(fā)生而被甩出或逸散。這一方式在鉆井液潤滑劑中常有應(yīng)用，文獻[35]在鉆井潤滑劑上采用二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）極性吸附潤滑劑，極壓潤滑劑就是通過其極性吸附功能，其在極壓條件下以化學(xué)鍵組合的方式吸附于金屬表面，將潤滑劑約束在定域摩擦副表面，防止其潤滑失效。與此類似的還有可以吸附在金屬表面的含氮雜環(huán)化合物，利用氮原子的孤對電子與金屬原子的空d軌道絡(luò)合或者與金屬表面的正電荷位點結(jié)合，形成以氧化亞鐵（FeO）、有機氮化物和含氮金屬配合物等為主要成分的絡(luò)合吸附保護膜，使得金屬摩擦副定域范圍內(nèi)摩擦因數(shù)和磨損量都減小[36]。

三是潤滑劑中的添加劑在摩擦過程中形成的納米薄膜，文獻[37]中提到的二烷基二硫代磷酸鋅和無灰二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP和DDP）抗磨添加劑會產(chǎn)生薄膜。上述這種薄膜在摩擦過程中會呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，其表現(xiàn)出一定的流變特性，可以重新配置膜上分子，在定域范圍內(nèi)從納米級上維持局部有序，且顯著提升其抗磨潤滑性能。

3 定域潤滑研究

3.1 定域潤滑理論研究

目前還未建立一個完善的定域潤滑理論，但就現(xiàn)有研究而言，大多數(shù)理論研究集中于流體潤滑理論和表面形貌結(jié)構(gòu)模型的建立。定域潤滑理論依托于傳統(tǒng)的流體潤滑理論，同時結(jié)合摩擦副表面形貌研究，將理論研究集中于微觀層面，對宏觀上無法解釋的潤滑現(xiàn)象構(gòu)建新的理論說明。

流體潤滑理論研究主要是使用Reynolds方程[38]，在其三維形式下建立油膜壓力分布方程，并根據(jù)不同條件建立適當?shù)姆匠桃匝芯坑湍ぴ诓煌Σ翖l件下的潤滑狀態(tài)。文獻[39]基于雷諾方程和根據(jù)適當?shù)倪吔鐥l件建立了磁流體動壓方程，為磁流體動壓潤滑理論奠定了基礎(chǔ)。文獻[40]表明采用Binghan模型更能反映動壓軸承上潤滑劑流變行為不連續(xù)的實際情況，研究指出，Binghan模型不需要對推導(dǎo)進行區(qū)域近似和數(shù)值正則化，上述結(jié)果表明其適用于任意幾何形狀的潤滑膜及潤滑行為研究。

摩擦副表面形貌研究主要在建立定域表面形貌的結(jié)構(gòu)方程上，并考慮摩擦副表面的粗糙度對其摩擦性能的影響。文獻[41]根據(jù)典型表面織構(gòu)（如圖5所示）建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其中變量包括織構(gòu)半徑、深度、織構(gòu)的面積密度；同時求解了基于此模型列出的雷諾方程，并將其應(yīng)用在干氣密封、推力軸承、活塞環(huán)、軟彈性流體動力潤滑等設(shè)備的織構(gòu)化求解上。文獻[42]則利用數(shù)值分析方法研究了摩擦表面粗糙度對微織構(gòu)潤滑的影響。結(jié)果表明：表面粗糙度對液膜壓力和流體動壓潤滑性能具有一定的影響且不可忽略，但對微織構(gòu)最佳深度的影響較小。這表明了研究中需要考慮摩擦表面粗糙度的必要性。

圖5 典型的表面定域織構(gòu)設(shè)計參數(shù)[41]

3.2 實驗研究

目前關(guān)于定域潤滑的實驗研究集中在單一定域潤滑因素或?qū)?種定域潤滑因素耦合實驗上。文獻[43]就微織構(gòu)形狀對金屬摩擦副的影響進行了研究，其針對單一定域因素——微織構(gòu)進行了研究。研究結(jié)果表明，在金屬摩擦副的情況下徑向溝槽狀的微織構(gòu)減摩效果最好。相似地，文獻[44]則就磁場作用下的磁流體摩擦特性這一單一定域因素進行了實驗研究，研究表明磁流體定域潤滑能有效減小摩擦，并且減摩效果與磁場強度有關(guān)；與恒定磁場相比，交變的磁場可以減小磁力對摩擦因數(shù)的影響。

在2種潤滑因素耦合研究上，文獻[45]將微織構(gòu)與機械密封結(jié)構(gòu)相結(jié)合，結(jié)果表明，面積為15%且深度為5 μm的微織構(gòu)非常適用于機械裝置的密封結(jié)構(gòu)；同時微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向角為45°時，油膜泄露率最小。文獻[46]將磁流體與機械密封結(jié)構(gòu)相耦合，結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速下動壓效應(yīng)較為明顯，液膜厚度隨之減??；膜厚隨介質(zhì)壓力的增大而減小，當介質(zhì)壓力超過0.3 MPa時，油膜破裂而潤滑失效；油膜破裂的臨界厚度隨磁場強度的增大而減小。文獻[47]對固體潤滑劑與微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的潤滑效果進行了耦合研究，采用微織構(gòu)結(jié)構(gòu)與納米二硫化鉬（MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）自潤滑襯墊進行耦合，其相對材料干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)降低了29.7%，且可以有效提高摩擦副表面間的潤滑特性。

3.3 仿真分析

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使用計算機軟件仿真模擬，已經(jīng)是研究中常用的輔助技術(shù)。在定域摩擦方面，可以根據(jù)不同的模擬條件建立不同模型進行仿真模擬計算，以驗證其對潤滑性能優(yōu)劣程度的影響。

文獻[48]中對表面紋理進行了數(shù)值模擬研究，其模型求解除考慮表面粗糙度外，也結(jié)合了空化算法。通過帶紋理表面與不帶紋理摩擦副表面摩擦性能的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，其紋理密度和縱橫比的影響較大：當織構(gòu)的密度值高于0.1、橫縱比高于0.04時，摩擦阻力最??；當織構(gòu)的橫縱比低于0.04時，其從混合潤滑狀態(tài)到流體潤滑狀態(tài)過度較慢。此外，表面織構(gòu)的密度也會影響密封表面泄漏量，紋理密度值越大，越易導(dǎo)致較高的泄露量。文獻[49]通過對不同形狀的微織構(gòu)紋理進行仿真對比分析，發(fā)現(xiàn)各向異性型紋理相比于各向同性型紋理在潤滑過程中可以產(chǎn)生更高的剪切壓力峰值，使得潤滑劑可以提供更大的承載面積，從而促進潤滑邊界膜的產(chǎn)生，潤滑效果最佳；而中間型紋理雖然能夠維持最高的壓力峰值，但摩擦過程中由于無法穩(wěn)定地保持容納足夠的潤滑劑，會出現(xiàn)干摩擦的情況，導(dǎo)致潤滑效果不理想。文獻[50]通過對密度變化的表面定域微織構(gòu)進行模擬分析，對比了不同表面紋理的潤滑效果，在考慮空化效應(yīng)的情況下，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)的寬度和深度會增大空化的體積分數(shù)；研究結(jié)合空化效應(yīng)改善潤滑性能，得到摩擦因數(shù)在深度比為0.6～0.7和寬度比為0.7～0.8時達到最小的結(jié)論。

從仿真結(jié)果可以看出，不同的定域因素之間會有所影響，特別是基于相似成因的定域因素之間相互干擾的影響則會更大。微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和機械密封結(jié)構(gòu)就是一個很好的例子，在定域表面構(gòu)造微織構(gòu)結(jié)構(gòu)會對機械密封結(jié)構(gòu)的密封性產(chǎn)生影響。因此，協(xié)調(diào)不同定域因素間的匹配影響，對定域潤滑研究至關(guān)重要。

4 定域潤滑的效果

定域潤滑技術(shù)在實際應(yīng)用上的效果主要表現(xiàn)在以下方面：摩擦因數(shù)減小、油膜承載力增加、摩擦副表面抗磨性能得到提升。

摩擦因數(shù)減小主要是通過改善潤滑環(huán)境，提升摩擦副表面之間的潤滑性能來實現(xiàn)。如文獻[51]中提到，在磁場作用下納米磁性顆粒對摩擦副起到支撐作用，就是通過外力約束方式避免摩擦副直接接觸，以改善摩擦副表面之間的潤滑性能，其定域潤滑下的磨損情況如圖6所示：相比于干摩擦與常規(guī)油潤滑，磁場作用下的磁流體定域潤滑試樣幾乎沒有磨損；相似地，通過微織構(gòu)結(jié)構(gòu)形成微型流體動壓軸承，其產(chǎn)生的動壓潤滑膜可以防止摩擦副直接接觸[52]；還有表面物化約束中通過物理或化學(xué)的方式在摩擦副表面形成低摩擦力的摩擦層，降低摩擦因數(shù)。

圖6 定域潤滑作用下的磨損對比[51]

油膜承載力增加則是通過提升油膜本身性能為主。如在潤滑劑中加入磁性微粒，在外加磁場的作用下潤滑劑黏度提高，油膜承載力也相應(yīng)提高[53]。最為明顯的則是通過空間約束的方式增大油膜承載力和通過加強密封性能使密封內(nèi)部可承受的流體動壓力增加，因此油膜承載力也相應(yīng)增加[54]。表面形貌約束中，也可以通過空化效應(yīng)在油膜內(nèi)產(chǎn)生空泡而提升油膜的承載力[55]。

抗磨性能的增強則主要體現(xiàn)在表面形貌約束和表面物化約束中。表面形貌約束主要通過容納摩擦過程中產(chǎn)生的碎屑，防止其造成二次摩損，改善摩擦副的抗磨性能[56]；并且在進行織構(gòu)化處理時，織構(gòu)處會增加許多強化質(zhì)點，增強了織構(gòu)處的硬度[57]；而表面物化型約束中形成的各種摩擦層保護摩擦副表面，防止摩擦副之間直接接觸，也提升了摩擦副表面的抗磨性能。

5 定域與微觀-宏觀耦合潤滑

大多數(shù)定域潤滑的潤滑機理都是基于微觀域上的研究。目前宏觀潤滑效應(yīng)上仍是趨于傳統(tǒng)潤滑機理的耦合關(guān)聯(lián)研究，其中往往會忽視微觀層面的潤滑機理因素。因此從定域方面對潤滑現(xiàn)象進行研究可以有效解釋微觀層面的潤滑機理，也是在宏觀潤滑領(lǐng)域判斷潤滑效果優(yōu)劣的一種新的評價理論和方法，其對潤滑領(lǐng)域的理論研究具有較重要的拓展作用。

定域潤滑技術(shù)及其效應(yīng)除了在宏觀潤滑性能上有直接改善外，其在微觀域上也有一定的影響。文獻[58]在磁流體潤滑下，通過在摩擦副表面構(gòu)筑微觀磁性紋理，使得磁性紋理周圍聚集較多的磁性潤滑劑，從而保持微觀定域內(nèi)的低摩擦因數(shù)；相比普通紋理，微觀磁性紋理在磁場作用下產(chǎn)生“反摩擦”的效果，進而在宏觀層面上產(chǎn)生更高的屈服應(yīng)力，表現(xiàn)出更好的潤滑性能。上述現(xiàn)象在微織構(gòu)結(jié)構(gòu)中也有類似效果，微織構(gòu)結(jié)構(gòu)可以有效容納磨損時產(chǎn)生的碎屑，以防止其造成二次磨損，這些碎屑在微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的凹坑中也會起到滾動摩擦的效果，與微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的宏觀潤滑相結(jié)合，可以達到更好的潤滑效果[59]。微觀與宏觀耦合潤滑作用還體現(xiàn)在固體潤滑劑的使用上，在宏觀上固體潤滑劑填充摩擦副表面之間的空隙，避免其直接接觸，降低摩擦因數(shù)的同時磨損也減少；微觀上固體潤滑劑與摩擦副表面之間也會產(chǎn)生摩擦反應(yīng)膜，這可對摩擦副表面實現(xiàn)進一步保護[60]。在納米微觀層面，定域范圍內(nèi)的分子排布和分子力對定域潤滑也有一定影響，與宏觀移動方向相同排布的分子序列和同向的分子力均會對潤滑效果產(chǎn)生影響[61]。

6 總結(jié)與展望

定域潤滑是一種統(tǒng)合了多種因素的潤滑技術(shù)，不同因素之間的耦合作用往往會達到更好的潤滑效果，對工程實際中的很多潤滑問題可以提供更好的解決方案。定域潤滑可以分成外力約束型、空間約束型、表面形貌約束型和表面物化約束型4種，通過研究其摩擦性能和摩擦學(xué)機理將其耦合配置，可以達到更好的潤滑效果。因此需要研究多種定域約束耦合下影響潤滑性能的關(guān)鍵因素，并協(xié)調(diào)相似定域因素成因之間的相互影響，以期達到最佳的潤滑效果。由于定域潤滑技術(shù)是集中于局部區(qū)域或微觀域的潤滑技術(shù)，其潤滑機理大多作用在微觀域上，通過研究微觀領(lǐng)域內(nèi)的潤滑機理可以有效解釋宏觀狀態(tài)下的各種潤滑現(xiàn)象，對定域潤滑理論的構(gòu)建有很大幫助。定域潤滑研究可以將潤滑劑和潤滑現(xiàn)象集中在關(guān)鍵部位，實現(xiàn)少量潤滑劑定域可控潤滑，提高潤滑劑使用效率，避免資源浪費。

然而，目前定域潤滑技術(shù)仍不完善，需要對其進行更深入的研究。目前定域潤滑技術(shù)可以從以下幾個方面進行深入研究：

1）定域潤滑研究目前還沒有一個統(tǒng)一的理論，不同因素之間的理論解釋往往相差甚遠，但其在潤滑領(lǐng)域的具體表現(xiàn)卻有共通之處，因此可以對定域潤滑理論進行進一步研究和完善。

2）定域潤滑研究目前在多領(lǐng)域的摩擦學(xué)研究中均有體現(xiàn)，但不同領(lǐng)域間結(jié)合研究還較少，往往只是單個或2個定域因素結(jié)合研究，2個以上的定域因素耦合研究鮮有報道，而部分定域因素如微織構(gòu)，在與其他因素協(xié)同作用時存在最優(yōu)參數(shù)值，其對定域潤滑效應(yīng)影響明顯。因此對多因素協(xié)同作用需進行更深入地研究。

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Research Progress and Development Trend on the Localized Lubrication of Friction Surface

1,2,1,1,3,2

(1. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Precision Drive and Control, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. The Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield, Sheffield S1 3JD, uk; 3. Advanced Manufacturing School, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

In response to calls for environmental protection and the economical use of resources, research into the application of small amounts of lubricant to achieve controlled lubrication of friction surfaces in a defined area has received increasing attention. This paper is based on the lubrication effect of fixed domain lubricant, from the formation mechanism of fixed domain lubrication, lubrication layer structure, lubrication type, lubrication effect and the correlation between fixed domain and micro-macro domain. This paper explores the formation mechanism, lubrication layer structure, lubrication type, lubrication effect and micro-macro domain correlation of fixed domain lubrication, analyses the performance of fixed domain lubrication in various aspects and its application, outlines the research progress on fixed domain lubrication at home and abroad in recent years, outlines different forms of fixed domain lubrication such as external force constrained, space closed constrained, surface morphology constrained and surface materialization constrained from the perspective of lubrication constraint, at the same time, the causes and lubrication mechanism are explained. The external force constraint type can achieve external control of lubrication effect; the space closed constraint type has mature technology, low cost, stable and widely used; the surface morphology constraint type forms a more accurate space of the fixed domain, does not affect the part outside the lubrication area. The surface materialisation constraint type has a good effect on the surface protection of the friction substrate, and is suitable for a variety of materials, and can reconfigure the molecular arrangement at the microscopic level, which has a broad research prospect. In this paper, the effect of coupling lubrication between different constraint types is investigated, and it is concluded that the effect of coupling between different fixed-domain factors can be influenced, and the effect of coupling between constraint types with similar effects can be significantly enhanced. The influence of single and multiple factors on lubrication performance and optimum parameters is demonstrated by analysing the corresponding experiments. In addition, this paper systematically illustrates the development overview of the research on fixed-domain lubrication in terms of mathematical model theory research, experimental research and simulation analysis, explores the influencing factors of fixed-domain lubrication from different research approaches, and analyses the lubrication effect of fixed-domain lubrication in friction processes and its advantages and shortcomings from practical applications, especially illustrates the coupling analysis of fixed-domain lubrication from macroscopic to microscopic levels, proposes the fixed-domain lubrication The analysis at the microscopic level points out that molecular arrangement and molecular forces also have some influence on fixed-domain lubrication; finally, the problems and feasible directions for expansion in the current research on fixed-domain lubrication are analysed, and suggestions for its focus on the coupling of multiple influencing factors are put forward. The study not only contributes to the study of the mechanism of fixed-domain lubrication, but also facilitates the expansion and improvement of the theory in the field of full-domain lubrication, which has a wide range of promising applications in reducing friction and wear and improving lubrication effect, and is of great help in reducing resource use and environmental pollution.

fixed domain lubrication; localized lubrication; friction surface; sealed lubrication; magnetic fluids

TH117

A

1001-3660(2022)11-0153-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.013

2021–11–12；

2022–05–09

2021-11-12；

2022-05-09

國家自然科學(xué)基金項目（51765044）；2019年國家留學(xué)基金委公派留學(xué)項目（201908360023）；江西省自然科學(xué)基金項目（20212BAB204038）；江西省教育廳科技項目（GJJ180934、GJJ180960）

National Natural Science Foundation of China (51765044); the State Scholarship Found Project of China Scholarship Council in 2019 (201908360023); Natural Science Foundation of Jiangxi Province in China (20212BAB204038); Science and Technology Project Founded by the Education Department of Jiangxi Province in China (GJJ180934, GJJ180960)

胡瑞（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向為微納/仿生機械設(shè)計、摩擦學(xué)理論及其工業(yè)應(yīng)用。

HU Rui (1979-), Male, Doctor, Associate professor, Reseaech focus: micro-nano/bionic mechanical design, tribological theory and its industrial applications.

胡瑞, 陳威, 許春霞, 等. 摩擦表面定域潤滑研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 153-163.

HU Rui, CHEN Wei, XU Chun-xia, et al. Research Progress and Development Trend on the Localized Lubrication of Friction Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 153-163.

責任編輯：萬長清