表面織構(gòu)設(shè)計參數(shù)的效應(yīng)與應(yīng)用摘要：表面研究已經(jīng)證明表面織構(gòu)化影響著減摩減損的作用，但是在不同的工況下，最優(yōu)的去設(shè)計表面織構(gòu)的參數(shù)才能夠最大化的發(fā)揮表面織構(gòu)對減摩減損的作用，在機械行業(yè)高速發(fā)展的今天，表面織構(gòu)加工技術(shù)已日益成熟，更多的研究者在表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計方面已開展了很多研究，研究結(jié)果表明表面織構(gòu)的面積率、表面形貌、以及尺寸等都對摩擦學(xué)特性方面有著重要的影響。隨著表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，仿生學(xué)方面的表面織構(gòu)在減阻應(yīng)用方面的研究也日益增多，同時在防污應(yīng)用方面，研究證明表面織構(gòu)作為物理性的防污方法，與防污涂層結(jié)合才能最大化的達到防污的效果。關(guān)鍵詞：表面織構(gòu)作用原理；參數(shù)設(shè)計優(yōu)化；減阻；防污EffectandapplicationofsurfacetexturedesignparametersAbstract:Surfacestudieshaveshownthatsurfacetextureaffectstheroleoffrictionreduction,butunderdifferentworkingconditions,theoptimaldesignofsurfacetextureparameterscanmaximizetheeffectofsurfacetextureonfrictionreduction.Withtherapiddevelopmentofthemachineryindustrytoday,surfacetextureprocessingtechnologyhasbecomeincreasinglymature.Moreresearchershavecarriedoutalotofresearchinthedesignofsurfacetextureparameters.Theresearchresultsshowthatthearearatioandsurfacemorphologyofsurfacetexture,Andsizehaveanimportantinfluenceonthetribologicalcharacteristics.Withthedevelopmentofsurfacetexturetechnology,theresearchonresistancereductionofsurfacetextureinbionicsisalsoincreasing.Atthesametime,intermsofanti-fouling,researchhasprovedthatsurfacetextureisaphysicalanti-foulingmethod,andanti-foulingcoatingsThecombinationcanmaximizetheanti-foulingeffect.Keywords:principleofsurfacetextureaction;parameterdesignoptimization;dragreduction;anti-fouling0引言自Hamilton[1]于1966年，最先應(yīng)用表面織構(gòu)技術(shù)在機械密封件表面制造出微型凸起物導(dǎo)致增強了表面的承載能力，同時降低了表面的摩擦系數(shù)，由此表面織構(gòu)技術(shù)逐步受到越來越多地研究者的矚目。在機械行業(yè)快速發(fā)展的今天，關(guān)于如何改善摩擦性能的研究已經(jīng)做了很多，例如潤滑能夠改善摩擦性能的研究，郭飛飛等[2-3]分別探究了類金剛石膜和卵磷脂對CoCrMo合金的摩擦性能發(fā)現(xiàn)不同條件、不同工況下的減摩效果各不相同。而大量的研究證明經(jīng)織構(gòu)化處理的具有一定設(shè)計參數(shù)的表面有降低摩擦、減小磨損以及提高界面的承載能力等的特點，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[4-10]。隨著研究者對自然界功能化表面的認識逐步加深，越來越多的功能化表面[11]也受到研究者的認識。例如，鯊魚體表的微小結(jié)構(gòu)使其在水里游動時減小受到的水的阻力，借助這種結(jié)構(gòu)和功能新型泳衣[12]；荷葉表面上的水滴可以向任意方向滾動在于荷葉表面的微尺度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其超疏水的性質(zhì)[13-14]，因此超疏水涂層的研究有了更多的可能性。本文主要介紹了表面織構(gòu)作用原理和表面織構(gòu)的設(shè)計參數(shù)在摩擦學(xué)性能方面的影響，以及分析了表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計在減阻、防污應(yīng)用等方面的影響。ab圖1a)新型減阻泳衣[15]；b）自清潔效應(yīng)，污染物粘附與夜滴上而不是植物表面[16]Fig.1a)Newdragreductionswimsuitb)Self-cleaningeffect,contaminatingparticlesadherenottotheleafsurfacebuttothedroplet1表面織構(gòu)技術(shù)1.1表面織構(gòu)作用原理當表面織構(gòu)在不同的工況下，它的減摩減損原理也并不相同，直至目前，表面織構(gòu)技術(shù)提高摩擦學(xué)性能的作用原理主要有三種，分別為：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)[17-21]。（1）在干摩擦中，由于物體的接觸摩擦，所產(chǎn)生的小碎屑會堆積在物體表面，從而導(dǎo)致物體的接觸摩擦力變大，而當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)生的小碎屑儲存起來，這樣就減小了表面粗糙度，從而改善了摩擦學(xué)性能[22]。（2）在速度低、負載大且使用潤滑油的工況下，對物體的表面進行織構(gòu)化后，表面織構(gòu)所形成的微型形貌可充當存儲潤滑油的作用，從而形成“二次潤滑”的效果。因此可改善摩擦學(xué)性能[23-24]。（3）在速度高、負載小的工況下，對物體表面進行織構(gòu)化后，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，促進流體動壓潤滑產(chǎn)生，從而了提高摩擦副的承載能力，降低了接觸表面的摩擦因數(shù)。而這種現(xiàn)象的產(chǎn)生則是因為附加流體動壓效應(yīng)[25-26]。從表面織構(gòu)的作用原理可知表面織構(gòu)的形貌尺寸多少影響著表面織構(gòu)提高摩擦學(xué)性能的三種作用機理，因此表面織構(gòu)的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化就顯得十分重要。1.2表面織構(gòu)參數(shù)效應(yīng)表面加工技術(shù)即通過設(shè)計參數(shù)，對其進行加工所得到的按照設(shè)計的規(guī)則所分布的表面微型結(jié)構(gòu)的技術(shù)。而表面織構(gòu)化則是在其試樣表面通過表面織構(gòu)技術(shù)加工出按設(shè)計的具有一定參數(shù)的表面[27]。目前為止，表面織構(gòu)的加工技術(shù)主要有反應(yīng)離子刻蝕表面技術(shù)[28-29]、噴丸表面技術(shù)[30-31]、電火花表面技術(shù)[32-34]、光刻表面技術(shù)[35]、電子束刻蝕表面技術(shù)[36]，激光加工表面技術(shù)[37-42]等。而眾多的表面加工技術(shù)中的激光加工表面技術(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[43-44]。1.2.1面積率的影響眾多的研究發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)在承載力、減摩、減損等方面的效果與表面織構(gòu)的面積率并非成線性增加關(guān)系，同時表面織構(gòu)的面積率在不同的設(shè)計參數(shù)以及不同的工況下的最優(yōu)面積比不同。何霞等[45]在鉆頭滑動軸承表面摩擦學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)，當織構(gòu)化滑動軸承偏心率為0.4時，軸承承載力在面積比為8%時達到最大值，使其承載力提升了17.4%；當軸承偏心率為0.6時，承載力在面積比為13%時達到峰值，是無織構(gòu)光滑軸承的1.167倍；當偏心率為0.8時，最佳織構(gòu)面積比為18%，使軸承承載力提升了28.7%，而當表面織構(gòu)的面積比大于20%時反而出現(xiàn)了潤滑性能降低的現(xiàn)象。同樣戴慶文等[46]在探究表面能否提升機械密封性的研究中，在密封副表面設(shè)計出V型溝槽表面織構(gòu)和直槽型表面織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)當密封副由硬質(zhì)合金/碳石墨組成（硬對軟）且表面織構(gòu)的面積比為4%，減摩和抑制泄漏效果較優(yōu)。而當密封副由硬質(zhì)合金/碳化硅組成（硬對硬）且表面織構(gòu)的面積比為6%的直槽型表面織構(gòu)，減摩和抑制泄漏效果較優(yōu)。兩人的研究結(jié)論一致，表明表面織構(gòu)的面積率和減摩等效能并未成線性關(guān)系。李亞軍等[47]使用激光加工的技術(shù)對45鋼進行表面織構(gòu)化，研究其在干摩擦和乏油兩種狀態(tài)下的摩擦磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)，在干摩擦和乏油兩種條件下，當表面織構(gòu)的密度逐步增大時，其45鋼表面的磨損率呈先減后增的變化趨勢，且當表面織構(gòu)的密度為8.1%的時候，其45鋼表面的抗磨效果最優(yōu)。該研究結(jié)論同樣表明了表面織構(gòu)的面積比與減摩效果并未成線性關(guān)系。而周元凱等[48]在往復(fù)運動條件下研究了在不同載荷下，圓凹坑形的表面織構(gòu)的面積率的減摩性能時發(fā)現(xiàn)，在不同載荷下表面織構(gòu)的面積率與減摩效果并未完全成線性關(guān)系。在低載荷下，表面織構(gòu)的面積率為10%時，減摩效果最好，在中載荷下，表面織構(gòu)的面積率為6%時，減摩效果最好，而在較大載荷下，表面織構(gòu)的面積率為2%、6%和10%時，摩擦因數(shù)都增大，減摩效果較差。通過這些研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)的面積比和減摩、減損、提高承載力以及抑制泄露效果等并非成線性關(guān)系，而是在不同的工況下、不同的設(shè)計參數(shù)條件下表面織構(gòu)的最優(yōu)面積比不同。1.2.2表面織構(gòu)形貌、尺寸等參數(shù)的影響表面織構(gòu)改善摩擦學(xué)性能的效果不光取決于表面織構(gòu)的面積比，表面織構(gòu)的形貌、尺寸等同樣與其潤滑性能及摩擦學(xué)性能并非成線性關(guān)系，且不同的工況下各自存在最優(yōu)的形貌及尺寸等參數(shù)。廖文玲等[49]在研究織構(gòu)表面動壓潤滑性能時，設(shè)計出圓形、橢圓形和條形三種不同的表面織構(gòu)進行試驗，試驗結(jié)果表明三種表面織構(gòu)中動壓潤滑性能由優(yōu)到劣依次分別為圓形表面織構(gòu)，條形表面織構(gòu)，橢圓形表面織構(gòu)，同時試驗發(fā)現(xiàn)在不同的表面織構(gòu)深度和不同的表面織構(gòu)分布角度條件下表面織構(gòu)動壓潤滑性能的影響也并不相同，結(jié)論表明當不同截面形狀織構(gòu)表面織構(gòu)的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。該研究結(jié)果表明了表面織構(gòu)的形貌、深度、分布角度等參數(shù)對其動壓潤滑性能分別有著影響。同樣該結(jié)論也在其他的試驗研究結(jié)論中出現(xiàn)，像高元等[50]在表面織構(gòu)對滑動軸承潤滑性能的影響研究中發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)深度與改善潤滑效果并非呈線性關(guān)系，試驗結(jié)論還表明不同織構(gòu)形式其最優(yōu)深度值也并不相同。在同等條件下，所設(shè)計的單列矩形凹槽、矩形凹坑、橢圓形三種不同型表面織構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)潤滑效果最好的是單列矩形凹槽表面織構(gòu)，潤滑效果最差的是橢圓形表面織構(gòu)，矩形凹坑表面織構(gòu)的潤滑效果介于兩者之間，該研究同樣證明了表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計影響其潤滑效果。王磊[51]采用激光雕刻技術(shù)將試驗材料灰鑄鐵HT250加工成具有凹坑狀、條紋狀、網(wǎng)格狀的表面織構(gòu)進行試驗，結(jié)論表明，三種不同型表面織構(gòu)的耐磨性和摩擦系數(shù)均有提高，網(wǎng)格狀表面織構(gòu)最優(yōu)，依次是條紋狀表面織構(gòu)，最差是凹坑狀表面織構(gòu)。與此同時，試樣也經(jīng)歷了溫度的試驗，發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)化試樣的溫度與其摩擦學(xué)性能成反比，溫度越高摩擦學(xué)性能越差，尤其是在300℃以上。該研究結(jié)果表明不同的工況、不同的形貌都對耐磨性有所影響。張娜等[52]在探究刀具正弦型溝槽表面織構(gòu)的不同角度對接觸表面摩擦學(xué)性能的影響時，在硬質(zhì)合金表面采用激光加工技術(shù)加工出不同角度的溝槽型織構(gòu)，并使用有限元軟件對其進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)90°溝槽型表面織構(gòu)可以大幅度改善硬質(zhì)合金表面的摩擦學(xué)特性。該研究結(jié)論同樣表明表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能受到表面織構(gòu)形貌、尺寸等參數(shù)的影響。通過表面織構(gòu)的形貌、尺寸參數(shù)等數(shù)據(jù)，可以看出，表面織構(gòu)的優(yōu)化效果需要在不同的工況下，設(shè)計成不同參數(shù)的表面織構(gòu)，這樣才能最大化的發(fā)揮出表面織構(gòu)的優(yōu)勢。2表面織構(gòu)在減阻防污方面的應(yīng)用2.1減阻效應(yīng)在20世紀30年代，一些學(xué)者逐步開始了關(guān)于水面減阻技術(shù)的研究，在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)的阻力認知[53-54]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，嚴重的能源危機問題越來越嚴重，而水面減阻技術(shù)的深入研究對艦艇、船舶、流體輸運等領(lǐng)域在減少能源損耗方面具有重要意義[55]。江國琛等[56]采用飛秒激光制備微納結(jié)構(gòu)工藝，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，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結(jié)構(gòu)進行試驗，試驗結(jié)果表明，微溝槽結(jié)構(gòu)表面具有一定的減阻效果，并且在試驗中發(fā)現(xiàn)當微溝槽結(jié)構(gòu)表面的寬度為25μm和50μm，深度均為20μm時，兩種不同寬度的表面U形溝槽織構(gòu)的運動時間相對未經(jīng)處理過的表面的運動時間分別縮短了4.3%和11.6%。研究結(jié)果表明織構(gòu)化處理過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)是仿生設(shè)計的一種非光滑表面設(shè)計，在廣泛應(yīng)用于機械表面的同時，部分學(xué)者將表面織構(gòu)應(yīng)用于抽油泵柱塞表面，像趙怡然[57]將抽油泵柱塞表面進行織構(gòu)化，并對其織構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化，來研究其抽油泵柱塞表面的摩擦學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，當表面織構(gòu)為六邊形橫縱比為2、夾角角度為135°時摩擦因數(shù)出現(xiàn)峰值，當橫縱比為2、夾角角度為105°時摩擦因數(shù)出現(xiàn)最小值。而進行優(yōu)化后的六邊形表面織構(gòu)，在橫縱比為2、夾角角度為105°的參數(shù)設(shè)計下具有良好的減阻效果。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。圖2不同的船舶減租技術(shù)[55]Fig.2Differentshipcharterreductiontechnologies2.2防污效應(yīng)目前，海洋的生物污損已成為全球性問題，嚴重的影響著船只和裝備在海洋環(huán)境中的性能。越來越多的研究者們通過借鑒海洋生物表面具有的防污特性使用表面織構(gòu)技術(shù)來研究如何防污[58-60]。而表面織構(gòu)技術(shù)作為一種物理性的防污方法，同時對海洋環(huán)境不會造成污染，但目前關(guān)于表面織構(gòu)防污技術(shù)的研究表明其單獨應(yīng)用，并不能達到廣譜的防污效果，因此，表面織構(gòu)技術(shù)與防污涂層技術(shù)的結(jié)合才能最大化的達到防污的效果。圖3生物污損現(xiàn)象[15.61-63]Fig.3Biofoulingphenomena圖4防止海洋生物污損附著的方式[62]Fig.4Waystopreventtheattachmentofmarineorganisms陳子飛等[64]將防污涂層表面進行仿甲魚殼織構(gòu)化，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時，將PDMS（DOW184硅酮樹脂）混合液置于甲魚殼上在70℃下固化12h，得到PDMS模板，同時將SKCA（有機硅改性丙烯酸樹脂）與HDI三聚體（固化劑）和二甲苯（溶劑）按質(zhì)量比3:1:1.5混合成混合液，隨后將PDMS模板與混合液進行混合，最后再在7℃下固化12h，從而得到表面具有甲魚殼仿生織構(gòu)正負形貌的有機硅改性丙烯酸酯涂層。該試驗結(jié)果表明，仿甲魚殼表面織構(gòu)化的涂層的表面疏水性增強，從而使舟形藻和新月藻在涂層上的粘附量分別降低了69%、50%和52%、53%，因此表面織構(gòu)化的涂層對其有較好的防污效果。該研究成果證明了經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的涂層具有顯著的防污性能。郭飛飛等[65]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，像許季海等[66]制備了直徑3μm，高度500nm的規(guī)則微/納凸柱狀織構(gòu)表面的有機硅改性丙烯酸酯涂層來探究其涂層的防污性能，試驗結(jié)果表明，織構(gòu)化涂層表面的接觸角隨微/納凸柱狀織構(gòu)的表面覆蓋率呈正相關(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)化表面覆蓋率呈負相關(guān)線性關(guān)系。并且當微/納凸柱狀織構(gòu)表面覆蓋率為21%時，相對于無表面織構(gòu)化涂層，絲藻的粘附量降低了82%，舟形藻的粘附量降低了73%。該研究結(jié)論與陳子飛等[64]研究結(jié)論一致，同時該研究結(jié)果表明表面織構(gòu)的面積率影響其涂層的防污性能。張海春等[67]在研究表面微結(jié)構(gòu)與自拋光的協(xié)同防污效果時，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)制備了表面微結(jié)構(gòu)自拋光防污涂層，試驗結(jié)果表明，涂層自拋光過程中，微結(jié)構(gòu)形貌的變化隨微球含量的增加而更加明顯；涂層溶脹率與微球的含量正相關(guān)，自拋光率與可水解單體含量正相關(guān)，但可水解單體含量過大時，涂層溶脹與自拋光成相互制約關(guān)系；小球藻附著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，當微球分散液質(zhì)量分數(shù)為10%、可水解單體質(zhì)量分數(shù)為40%時，涂層抑制小球藻附著的效果最佳。該研究結(jié)論與許季海等[66]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。圖5微/納凸柱狀織構(gòu)化的涂層的SEM觀察圖[66]Fig.5SEMobservationofmicro/nanoconvexcolumnartexturedcoating圖6舟形藻附著在涂層上兩種形態(tài)的SEM觀察圖[66]Fig.6SEMobservationsofthetwomorphologiesofS.marinaattachedtothecoating通過這些研究表明表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計影響著在單獨防污應(yīng)用方面以及與防污涂層結(jié)合時的防污應(yīng)用效果。3總結(jié)與展望表面織構(gòu)技術(shù)已被證明能夠改善摩擦學(xué)性能，但是其參數(shù)設(shè)計影響著最優(yōu)的摩擦學(xué)性能，因此，我們需要找到最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計方案，才能發(fā)揮出最優(yōu)的摩擦學(xué)性能，同時參數(shù)設(shè)計也影響著表面織構(gòu)技術(shù)在其減阻、防污應(yīng)用等方面。隨著國內(nèi)外關(guān)于表面織構(gòu)的研究日益增多，在接下來的研究中研究中如何高效的去研究表面織構(gòu)，這是接來下研究者需要的解決的一個關(guān)鍵：（1）由于探究表面織構(gòu)的不同參數(shù)設(shè)計在其不同工況下摩擦學(xué)性能的研究周期較長，所以更多的需要利用仿真軟件進行仿真分析，這樣可以加快試驗研究周期。（2）表面織構(gòu)技術(shù)在未來有望結(jié)合其他技術(shù)，從而應(yīng)用到更多的應(yīng)用中去。參考文獻（References）：Atheoryoflubricationbymicroirregularities:D.B.Hamilton,J.A.WalowitandC.M.Allen,Trans.ASME,Ser.D,88(1)(1966)177a??185.(J.BasicEng.)[J].Elsevier,1967,10(5).郭飛飛,胥光申,任明基,等.類金剛石膜對CoCrMo合金摩擦性能的影響[J].表面技術(shù),2020,49(02):172-177.GUOFF,XUGS,RENMJ,etal.Theeffectofdiamond-likecarbonfilmonthefrictionpropertiesofCoCrMoalloy[J].SurfaceTechnology,2020,49(02):172-177.郭飛飛,董光能,金守峰,等.卵磷脂潤滑對CoCrMo合金摩擦行為的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科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