织构化提高表面摩擦学性能的研究进展

表面织构化作为1种可以显著提高表面摩擦学性能的方法已得到国内外科学技术工作者的广泛关注.从表面织构化的应用领域和研究背景着手,评述了织构化在改善表面宏观、微观和仿生摩擦学等方面的研究进展和发展现状,阐明了表面织构化对于改善表面宏/微观摩擦学行为的重大意义,并指出当前表面织构化存在的问题和下一步的发展方向.     

激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展

介绍了激光表面织构化的过程及其摩擦学研究现状,讨论了激光表面织构的形状、直径、深度、取向和密度等结构参数对润滑状态及其磨损机理的影响,指出今后可将先进涂层技术和激光表面织构化结合起来,在混合／边界润滑状态下获得较低的摩擦系数,并应加强以润滑理论为基础的研究,预先模拟、计算出表面微结构的最佳参数以达到实际摩擦工况的润滑要求．     

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构造不同凹坑直径和密度的织构图案,采用UMT摩擦磨损试验机考察了不同织构形貌钛合金在干摩擦及全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦前后的表面形貌及磨痕成分进行观察分析.研究结果表明:干摩擦条件下,织构结构及其几何形貌显著影响凹坑容纳磨屑能力和表面接触应力,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的钛合金表面减摩抗磨性能最好,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了23.0%和39.7%,这主要由于凹坑可收集磨屑,减少第三体磨损;全氟聚醚油润滑条件下,表面织构影响流体润滑状态和摩擦表面金属氟化物生成,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的表面具有更好的减摩抗磨效果,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了17.4%和30.6%,这主要由于织构表面摩擦过程生成更多FeF_2,起到减摩抗磨作用.     

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

硬质合金表面织构液相辅助激光制备及摩擦性能

采用激光加工技术在空气介质与辅助液相(无水乙醇与双氧水体积比为50:1)下对YT15硬质合金表面进行了交叉扫描织构加工,制备出了两组织构试样. 借助Quanta 200扫描电子显微镜及能谱对织构硬质合金表面形貌与元素含量进行了测量,并用SDC-100接触角测量仪表征了润湿性,最后在MWF-500往复式摩擦磨损试验机上进行了干摩擦、润滑油及润滑油与MoS₂颗粒润滑的摩擦和磨损对比试验. 研究结果表明:相比空气介质激光加工试样,液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀,无明显的氧化及熔融物重铸现象,表面接触角最小(55°);三种工况下液相辅助激光加工表面织构的摩擦系数最小,磨损量有一定改善. 分析表明:辅助液体对激光加工表面起到了冷却及保护作用,固-液界面快速产生的气泡散射了激光光束,使激光光束的作用区域发生干涉,同时携带出加工熔融物. 因此,润滑介质更容易在界面间渗入及铺展,改善了界面摩擦学特性.      

定子表面织构对超声电机性能的影响

针对超声电机摩擦材料磨损严重和温升高的问题,采用在定子表面加工微织构的方法,提高了电机机械特性并降低了摩擦材料磨损. 首先,用显微镜测量超声电机定子表面摩擦材料黏着区域,设计出三种不同密度的凹坑织构,采用激光的方法加工在定子表面;然后,测试超声电机负载特性、效率特性和温升特性并观察定子表面. 结果表明:3-凹坑织构定子电机空载转速最高,相比光滑定子电机高出12.1%,5-凹坑织构定子电机堵转转矩和最大效率最高,分别高于光滑定子电机13.04%和17.1%,同时电机的温升也有所降低. 通过观察定子表面发现,凹坑织构有大幅降低摩擦材料黏着的作用,这种作用可以增加电机接触界面能量转换效率,提高了电机的性能并降低了摩擦材料的磨损.      

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

葫芦形微凹坑对不锈钢表面摩擦学性能的影响

本文中利用皮秒激光系统对不锈钢表面进行织构化处理,通过Fluent有限元软件和UMT-2摩擦磨损试验机分析了非规则对称葫芦形织构表面的摩擦学性能,并与具有规则对称性的圆凹坑织构试样及光滑织构试样进行对比,同时利用S-3400 N扫描电镜观察试样表面的磨痕形貌.结果表明:润滑状态下葫芦形正方向织构试样的摩擦系数要明显低于圆凹坑织构试样及无织构光滑试样,葫芦形反方向织构试样的摩擦系数与圆凹坑织构试样相近.这主要是由于织构形状及润滑液流动方向对织构试样产生流体动压效应的影响较大.因此,在润滑液流动方向上,扩大织构自身形状的收敛区间可以强化织构的流体动压效应,这一结论将为进一步优化织构形状提供有力参考.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

表面溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜的微观结构及其摩擦磨损性能研究

采用表面溶胶-凝胶法在普通载玻片上制备TiO2纳米结构薄膜,用X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析薄膜组成结构及其表面形貌,用UMT-2型摩擦磨损试验机考察表面溶胶-凝胶法和传统体溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的摩擦磨损性能,用扫描电子显微镜(SEM)观察分析薄膜表面及其磨痕表面形貌.结果表明,与传统体溶胶-凝胶法相比,表面溶胶-凝胶法制备的薄膜摩擦磨损性能得到明显改善.这是由于多次干燥过程在一定程度上避免了传统体溶胶-凝胶工艺的后续干燥和热处理过程中大量残留溶剂瞬时溢出而导致的结构缺陷,从而使得薄膜具有更高的致密性,降低了薄膜表面粗糙度,提高了抗磨性.     

磷酸锌表面脂肪酸自组装单分子膜的制备及其摩擦学性能研究

采用水热法在锌片上一步合成磷酸锌薄膜,随后在表面沉积硬脂酸单分子膜以实现高疏水.利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)及摩擦磨损试验机(UMT-3)对制得样品的表面形貌、结构组份及摩擦学性能进行了表征,并利用红外光谱仪(IR)对硬脂酸修饰机理进行了研究.研究结果发现:在水热处理导致的磷酸锌表面微织构化效应以及脂肪酸自组装薄膜的纳米润滑效应的联合作用下,在锌表面构筑的高疏水膜具有明显的减摩和耐磨特性.     

类金刚石碳膜的摩擦学特性及其研究进展

从类金刚石碳膜作为耐磨涂层的角度出发,综述了近年来国际上关于类金刚石碳膜摩擦学特性的大量研究,着重讨论了影响类金刚石碳膜摩擦学特性的主要工艺参数和因素,阐明了类金刚石碳膜与金刚石膜在性能上的差异,指出了类金刚石碳膜的发展现状和趋势。     

离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜的构筑及其摩擦学性能的研究

分别采用激光织构、磁控溅射和浸渍-提拉技术在单晶硅片表面成功构筑了具有离子液体纳米薄膜的织构化类金刚石碳复合润滑薄膜,采用三维轮廓仪和SEM观察了织构化类金刚石碳表面,通过X射线光电子能谱证实了织构化类金刚石碳膜表面离子液体纳米薄膜的存在,并利用微摩擦试验机重点考察和理论分析了这种复合润滑薄膜在较大和微载荷下的摩擦学性能.研究结果表明:这种离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜在微载荷下能够有效地缩短磨合时间、降低摩擦系数,然而其在小载荷下摩擦学性能欠佳.     

生物油对发动机缸套摩擦学性能的影响

以生物油为研究对象,利用乳化技术对生物油进行提质改性,在发动机缸套-活塞环摩擦磨损试验机上考察了提质前后生物油的摩擦学性能.利用表面轮廓仪,扫描电镜与X-射线光电子能谱仪表征了发动机缸套摩擦表面的微观形貌及化学元素状态,探讨了相关的摩擦磨损机理.结果表明:小球藻生物油比稻壳生物油对缸套-活塞环具有更好的减摩抗磨性能;通过乳化提质方法,可以快速提升生物油的性能;生物油的减摩润滑作用归因于油品中的有机物在缸套表面吸附、摩擦挤压及摩擦沉积形成润滑油膜,局部摩擦熔融形成的"微滚珠",以及在摩擦表面生成的Fe₂O₃及FeOOH氧化膜.此外,小球藻生物油能在摩擦副表面形成含N有机保护膜,这是其具有更好摩擦学性能的重要原因.