仿生表面织构研究进展及其在油气装备领域的应用前景

机械系统中,摩擦磨损不仅消耗大量的能源,且是导致设备磨损和提前失效的主要因素之一。作为摩擦学的一个重要分支,仿生表面织构已被证实是改善润滑及摩擦性能的有效手段。基于国内外表面织构润滑减磨的理论研究,概述了流体动压润滑理论的发展历程,对比分析了Reynolds方程和N-S方程的优缺点,介绍了几种润滑理论研究常用的数值求解方法,包括有限差分法、有限元法、有限体积法等,探讨了Reynolds方程的适用性范围和流体控制方程的选择,同时,综述了混合润滑理论的研究进展。此外,从国内外表面织构润滑减磨的试验研究着手,总结了当前的研究成果及其存在的不足。在此基础上,阐述了开展针对实际工况的表面织构参数优化设计研究的必要性,并结合特殊工况下油气装备的摩擦磨损机理,表明了表面织构化对油气装备的重大意义,论述了仿生表面织构技术提高油气装备润滑及摩擦学性能的可行性及其在油气装备领域的应用前景。最后指出了仿生表面织构未来发展的方向。     

微织构排布方式对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响

梯度排布微织构在提升水润滑轴承摩擦学性能方面具有显著效果,然而梯度排布微织构在水润滑轴承中的应用仍缺乏系统性研究。为了探究梯度排布微织构对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响,基于 Greenwood-Tripp 微凸体接触模型、 Archard 磨损模型求解轴瓦表面的磨损量。通过 CFT-I 材料表面性能综合测试仪对 CNC 雕刻机加工的织构化表面进行水润滑条件下的摩擦学试验研究。针对光滑、单一圆形织构、圆形与三角形以轴向交错平行（¹₁2 ）和周向交错平行分布（1212）方式梯度排布的表面,测量各个表面的磨损量和摩擦因数。通过立体显微镜、扫描电子显微镜对摩擦磨损试验前后的表面形貌和摩擦因数进行分析。数值模拟和试验结果显示,与光滑表面和单一织构化表面相比,梯度排布微织构化表面磨损量和摩擦因数显著降低;圆形与三角形以¹₁2 方式的梯度排布微织构化表面摩擦学性能最佳,接触表面磨损量最小、表面摩擦因数最低。 梯度排布微织构在流体润滑过程中相互影响,可以起到提高轴承表面举升力,减少表面接触,降低表面磨损和摩擦因数的作用。研究不同形状、排布方式下梯度排布微织构化表面的磨损量和摩擦因数的变化规律,可为舰船装备水润滑轴承研制阶段主动设计提供理论基础。     

表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展

表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构,这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能.国内外研究也一致表明,表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段,可使材料表面实现自润滑效果,并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损.从表面织构的形态特征及其作用机制出发,对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析.讨论了表面织构形状(规则织构、不规则织构等)、织构分布形式(全织构分布、部分织构分布等)、织构几何参数(深度、面积比、深径比等)、工况参数(载荷、速度等)等因素,对织构化表面润滑减摩性能的影响,同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题.提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制,考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究,从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用.     

表面微织构协同热扩渗技术改善材料表面摩擦学性能的研究进展

表面微织构因其能够有效改善摩擦副之间的摩擦学性能而获得国内外学者的广泛关注。通过将表面微织构与热扩渗技术相结合,可以充分发挥2种技术的优点,进一步提高摩擦副之间的摩擦学性能,为更复杂环境下的应用提供可能。首先概述了表面微织构的常用加工方法及其所加工的织构类型,系统地归纳总结了表面织构在不同润滑工况下的减摩机理。其次,从不同的表面热扩渗技术入手,分别综述了盐浴渗氮技术、等离子渗镀技术、热氧化技术和化学气相沉积与表面织构的协同作用研究现状,根据摩擦因数、磨损量和表面硬度等性能参数,分析总结了不同复合技术的可行性以及对基体摩擦学性能的影响。相对于单一表面处理技术,复合技术能够进一步提高材料的表面硬度,延长织构的使用寿命。一般来说,复合处理表面的耐磨性显著优于单一技术处理的表面和未处理表面,但摩擦因数受工况的影响较大。最后,对该复合技术的研究发展做出总结,提出不同织构参数和热扩渗参数对基体摩擦磨损性能的影响有待进一步探究,开展极端工况下复合技术的应用基础研究,推动复合技术在摩擦领域的发展。     

表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展

为提高摩擦副之间的摩擦学性能,润滑油添加剂、低摩擦表面以及表面微织构等作为改善表面摩擦学性能的手段已得到国内外研究工作者的广泛关注并取得了一定的成果,而表面微织构复合固体润滑材料技术作为一种集成了已有各种减摩手段优点的复合技术开始被研究。 文中综述了表面微织构与固体润滑材料复合的物理和化学方法;评述了表面微织构几何形状、参数和固体润滑材料种类对复合表面摩擦学性能的影响;分析了表面微织构复合固体润滑材料的减摩机制;最后指出了该复合技术目前尚待解决的问题,并对该技术下一步的发展方向和实际应用进行了展望。     

脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究

目的 研究PTFE薄膜与激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能,探究微织构面积占有率和工况参数对摩擦学行为的影响规律。方法 采用二极管泵浦声光调Q Nd∶YAG激光器对下试样进行表面织构加工,在Rtec MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行往复摩擦学试验,其中上试样为粘结PTFE薄膜的圆柱销,下试样为进行激光织构化的GCr15轴承钢滑块。结果 脂润滑介质下,PTFE与微织构表面耦合摩擦系数最低。在前期磨合阶段,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数均有小幅度上升;试验中期,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数区分度逐渐变大。当微织构面积占有率由10%上升为40%时,摩擦系数先减小后增大,且微织构面积占有率为20%时,表面摩擦系数最小,仅为0.032。脂润滑条件下,三种不同微织构面积占有率的试样随着载荷由20 N增加至100 N时,摩擦系数均出现下降趋势,且趋势逐渐趋缓。在低频率阶段的摩擦系数较大,高频率阶段摩擦系数较小。结论 脂润滑条件下,PTFE与微织构耦合是一种有效的复合减摩手段。随着织构面积占有率的提升,表面摩擦系数先减小后增大,随着载荷的增大,表面摩擦系数迅速下降;随着往复运动频率的增大,表面摩擦系数先上升再缓慢下降。当面积占有率为20%时,能获得较好的摩擦润滑性能。     

微织构自润滑表面在油介质中的摩擦学性能

为探究不同表面处理方式对试样表面摩擦学性能的影响,分别对GCr15试样表面进行激光微织构加工,光滑表面涂抹润滑油,微织构表面填充固体润滑剂,微织构表面涂抹润滑油,微织构表面填充固体润滑剂并涂抹润滑油等不同表面处理方式,在MMW-1A摩擦磨损机上进行摩擦磨损试验。同时改变试验的载荷及转速,探究在不同转速和载荷工况下,不同表面处理方式对试样摩擦因数的影响。结果表明,在干摩擦条件下,试样表面采用微织构处理并填涂固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低47.6%;在油介质中,采用微织构处理可使摩擦因数较光滑表面降低4.8%,采用微织构处理并填充固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低17.7%。且在油介质中,采用织构化处理和固体润滑结合的表面处理方法,试样摩擦因数随载荷增大而减少且逐渐趋于稳定,但随转速增大而增大。     

织构化表面改性及其在生物材料上的应用

表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。表面改性(如合理的表面织构化设计)因强大的润滑优化功能,由此受到科研工作者的广泛关注。在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下,首先分析和总结了典型生物材料产品——人工关节在人体服役过程中的失效原因,并将其分为了摩擦学和生物学问题,由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性,最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展,分析了表面织构化参数,如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响,考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响,阐述了表面织构的减摩耐磨机理。最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控,如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响,尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸,但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上,对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。     

表面织构化刀具的研究现状与进展

高速切削加工作为难加工材料的主要加工方式,在其切削过程中,刀具的快速磨损、加工表面质量差等问题显著。近些年来,表面织构由于在控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能等方面的作用引起了国内外学术界和产业界的广泛兴趣,为刀具减摩降磨技术的研究提供了新方向。表面织构效应是通过在摩擦副表面加工出具有不同形状几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构时,表面的摩擦磨损和润滑特性随之改变的热动力学效应。针对表面织构技术在刀具方面的应用研究,描述了刀具表面织构的主要制备方法,对比分析了各种制备方法的优缺点,然后分别阐述了微沟槽织构、微凹坑织构、纳米织构/微纳复合结构阵列以及织构化自润滑刀具在减缓刀具磨损、提高加工质量等方面的研究现状与进展,同时分析了表面织构改善刀具系统摩擦学性能的原因和机理,最后指出刀具表面织构技术目前研究存在的问题及其对刀具减摩降磨的重要意义。     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

仿生织构类型及其对表面摩擦性能影响

随着经济的发展,机械加工零件表面的减阻耐磨及抗黏等性能变得尤为重要,为了提高生产加工过程的高效性和节能性,针对零件的表面问题引入仿生织构的概念。 仿生织构是仿照生物体表特殊的纹理在摩擦副表面加工出能够实现减摩降阻润滑效果的微/ 纳结构。 介绍了多种具非光滑结构表面生物,综述了几种典型仿生织构类型,阐明了每种织构类型的摩擦磨损机理;从织构类型、结构设计和加工方法、压强分布、摩擦因数和机理分析、应用与展望等方面进行评述,对应用最为广泛的凹坑型和沟槽型织构结合实例分析其摩擦磨损性能并附以数据论证,通过摩擦因数和磨损机理判断织构的减摩降阻效果,从而进一步实现参数优化。 分析表明:仿生织构对改善摩擦性能具有重要影响,其中摩擦因数是判断摩擦性能的重要因素,加以磨损机理的深入研究,使得减阻耐磨效果较优的织构类型可大幅提高工业效率,结合工业、航天、 汽车等行业中对仿生织构的应用,展望未来仿生织构的广泛研究及在摩擦过程中性能的优化,实现织构化普及应用。     

刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响

刀具快速磨损限制了金属切削的进一步发展,表面织构技术的提出为改善刀-屑界面摩擦提供了新思路,也是目前降低刀具表面磨损的有效方法之一。从刀-屑界面切削液存储与润滑、微/纳织构、织构方向、织构类型及形状、织构位置等五个方面,概述了现有刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响,总结了刀具表面织构的共性作用机理,并进行了分类归纳。相应分析结果表明,刀具表面织构改变了刀-屑界面内空体集团的数量及微通道分布,增加了界面内切削液的渗入存储,同时捕捉存储了界面内的磨屑颗粒,改善了刀-屑界面润滑摩擦;且在此过程中,润湿性因素对界面内切削液的渗入、存储及润滑油膜的形成等均存在影响。最后对刀具表面织构技术的发展进行了总结与展望,为刀具表面磨损的调控提供了参考。     

改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构研究现状

钢铁材料广泛应用于诸多工程领域,但其耐磨性差,源于材料表面的摩擦会引起磨损损伤、阻力大、噪声污染等问题,从而导致材料损伤或失效,影响部件局部或整体的正常使用。在材料表面形成表面织构可有效实现减摩/抗磨、减阻、降噪的效果,从而达到改善钢铁材料摩擦学行为的目的。综述了表面织构在改善钢铁材料摩擦学行为方面的研究现状,对钢铁材料表面减摩/抗磨、减阻和降噪表面织构的设计与研究进行了分析与比较,简要阐述了相关机理。干摩擦和润滑条件下,表面织构通过发挥捕捉磨屑、储存润滑剂、流体动压润滑的作用来实现减摩/抗磨;与流体和空气摩擦时,表面织构通过产生二次涡达到减小表面与流体/空气接触面积等作用实现减阻和降噪。最后,展望了能够改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构的相关研究思路和方法。     

几何特征及工况条件对表面织构摩擦特性影响研究

表面织构技术是一种加工方便且不破坏材料本质的表面改性方法,在材料表面加工出具有一定形状和规则的微观结构以改善材料的表面摩擦性能。但不同工况条件下影响摩擦性能的可变因素太多,以至于无法得到各设计参数的最优通用方案。从提出附加流体动压效应到表面织构形貌、尺寸、深度、面积占有率、坑底形状、取向和分布形式等方面,回顾了国内外表面织构减摩作用的研究发展历程。概述了凹陷织构中连续织构和离散织构的表面形貌对材料表面摩擦特性的影响,并在离散织构中重点分析了三角形、矩形、菱形、六边形、椭圆形、圆柱形、球形、水滴形、圆环形、雪花形和葫芦形等织构形貌对材料表面摩擦特性的影响;论述了各几何参数中织构直径和面积占有率对摩擦因数的影响比织构深度大;阐述了不同分布形式的表面织构对摩擦特性的影响;在干摩擦、边界润滑、流体润滑和混合润滑等4种状态下,总结了不同工况条件下表面织构的减摩机理,并对表面织构存在的问题提出建议,以期为表面织构的研究者提供参考。     

激光表面织构对铸铁摩擦磨损性能的影响

目的找出最佳的表面织构方案,将其应用在摩擦副的表面处理上,从而达到降摩减阻、节能减排的目的。方法设计了两种不同的加工面积占有率(10%和20%),三种不同形状的表面织构(圆坑、椭圆坑、沟槽),对铸铁试件进行激光表面加工,并利用环-块磨损试验机进行油润滑摩擦磨损实验。结果表面织构对铸铁材料的摩擦磨损性能有明显改善,尤其在磨损量方面。三种不同形状的表面织构相比,圆形表面织构试件的磨损量最小。两种不同面积占有率相比,面积占有率为20%的圆形微织构试件的磨损量最小,并在一定程度上减小了摩擦系数。结论在本实验研究条件下,面积占有率为20%的圆形表面织构对改善铸铁材料的摩擦磨损性能最显著。     

空化作用及气泡行为轨迹观测研究进展

随着对空化现象的不断探索，已经有较多研究结果表明空化作用对摩擦副的减摩抗磨性能有促进作用，但由于空化现象的复杂性及难以直接观测，目前对其机理尚未取得共性结论，仍须进行深入研究。通过概述近年来对空化现象所做的相关研究，归纳气泡在溃灭过程中对壁面的空蚀损伤机理等，引出三种适用于基体表面的热门减摩方法，包括表面微织构、表面涂层和添加颗粒物。重点综述三种方法在不同结构、材料、形状、尺寸、分布方式等下对空化气泡行为轨迹的影响，以及在与其他效应相耦合下空化效应所起到的减摩效果，对相关研究进行整体归纳，并指出其中存在的问题和不足。最后提出搭建一个自动化试验装置，用于观测模拟水利机械装置工作过程中液体介质接触表面所产生的空化气泡溃灭的过程，填补该过程中气泡行为轨迹观测的欠缺，为表面空化减摩的研究奠定基础。