人工关节与仿生软骨材料的表面改性及其摩擦学研究进展

对患有严重关节疾病的患者进行人工关节置换手术,是临床上有效的治疗方案.现有的人工关节及仿生软骨制作材料主要以金属、陶瓷、聚合物材料及强韧水凝胶等为主,然而在苛刻的关节负载摩擦剪切环境下,上述材料均面临着一个共性技术问题——表面磨损严重,进而影响其使用寿命.因此,利用表面改性技术和仿生学材料设计理念,制备具有"低摩擦-高承载-长耐磨"功能一体化的新型人工关节具有重要的实际意义和工程价值.首先总结了金属、陶瓷、聚合物基硬质人工关节材料的研究和发展历程,并阐述了不同表面改性技术在提升硬质人工关节材料表面润滑和抗磨性能方面的优势.进一步,详细介绍了近年来以水凝胶基材料为代表的新型仿生关节软骨润滑材料的最新研究进展,具体包括高性能本体水凝胶与水凝胶软骨材料的表面改性,从承载和抗磨角度,强调了仿生层状结构化水凝胶材料作为新型关节软骨替代物的潜在优势.此外,结合国际上生物润滑领域最新动态,系统概述了在天然骨组织和硬质人工关节材料表面键合水凝胶润滑涂层这一新兴研究方向.最后,从材料仿生学设计和表面水润滑改性两方面,提出了新型人工关节材料未来的研究重点和发展方向.     

两种单晶硅基底表面接枝PSVBA聚合物刷后的摩擦学性能对比

为提高接枝表面的承载能力,延长其耐磨损寿命,采用原子转移自由基聚合反应(ATRP)在单晶硅表面上接枝了聚N-(4-乙烯基苄基)-N,N-二烷基氨基(PSVBA)刷,对比研究抛光(Ra=1.61 nm)和粗糙(Ra=0.32μm)的两种单晶硅表面有无接枝PSVBA聚合物刷的摩擦学性能。结果表明,与摩擦因数为1.4的未接枝表面相比,抛光面接枝聚合物刷后摩擦因数低至0.03,但因表面上的聚合物链易被磨断且不受保护,其耐磨寿命仅能维持2000个试验循环;粗糙面接枝聚合物刷后虽然摩擦因数上升至0.2,但该面上的摩擦试验可稳定运行约30 000个循环且未发生较大变化,其原因在于粗糙面上的微凹坑能够避免坑内的聚合物链与对摩副的直接接触,有效防止了该区域内聚合物刷的断裂,使其可以持续发挥润滑效果。因此,从延长服役寿命角度考虑,非光滑表面接枝聚合物刷具有较好的应用前景。     

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.     

含氟两亲性聚合物刷构筑及防污应用研究进展

表面接枝聚合物刷是一种改善表面理化性质,防止蛋白质等生物大分子和其他污损生物吸附的有效方法。含氟聚合物由于其强疏水性、低表面能和低表面粘附力等特点,是构建两亲性聚合物刷的理想组分之一。本文概述了含氟两亲性聚合物刷的构筑方法、种类和防污机理,着重介绍了该类涂层在抗蛋白、抗菌、藻类以及其他污损生物吸附方面的最新研究成果,详细分析了含氟两亲性聚合物刷化学组成、表面重构和弹性模量等因素对微相分离行为以及防污性能的影响规律。亲疏水组分比例会对涂层的相分离行为产生影响,改变亲疏水组分比例可以形成不同尺度、不同形貌的相分离结构,进而影响涂层的防污性能。亲疏水组分的连接方式会影响涂层表面的重构行为,实现涂层亲疏水性能的转变,进而实现调控涂层表面的防污行为。从分子设计层面初步揭示了含氟两亲性聚合物刷的防污机理。最后指出构筑新型的多种防污机制协同作用的多功能化含氟两亲性聚合物刷,是未来两亲性聚合物涂层的主要发展方向。     

“仿生材料表界面设计与制造”专题序言

正随着人们对自然生物机理认知的逐步深入和微纳加工技术的进步,仿生材料的发展将材料科学推向了新高度。如何运用仿生策略简单高效地设计和制造出结构功能一体化的智能仿生机械表面,使其足以应对多物理场耦合的复杂工作环境是当前研究的重点和难点问题,而解决这一难题的关键在于要明晰生物材料表界面的微纳动力学和热力学行为规律。近年来,仿生材料与界面科学的交叉融合使仿生表界面在能源、医疗、军事、建筑等领域中得到广泛应用。因此编辑组策划了本期"仿生材料表界面设计与制造"专题,分享国内外仿生材料在防冰减阻、流体定向输运、海水淡化等方面的理论研究与应用,反映一些热点问题和研究进展,为从事关键机械部件表面处理、多功能界面材料设计与开发的相关研究人员提供一个相互交流的平台。理论研究一直是仿生材料表界面设计领域重要研究内容之一,对指导仿生材料的设计与性能调控具有重要价值。姜又华等通过本征液滴接触角、体积与球面曲率半径等已知量,结     

内部结构非对称织构对材料表面的润滑性能分析

织构对材料表面的减摩降磨具有积极效果,但内部结构对称织构在摩擦方向和润滑方式上较为单一。为研究内部结构非对称织构对加工润滑特性的影响以及在改善材料表面摩擦性能方面的激励机制,通过研究对称织构和两种内部结构非对称织构的正、反向摩擦行为,对比润滑油在各织构单元体的压力分布、流速和流迹线来分析织构内部结构的对称性对润滑性能的影响。利用飞秒激光以倾斜加工的工艺制备内部结构非对称织构,并进行摩擦磨损试验。结果证明：织构内部结构的对称特征直接影响润滑油的流速和流迹线状态,进而影响油膜的承载力,而流速越大空化效应越剧烈,且流迹线越向涡旋中心集中,惯性效应越强。在内部结构非对称织构正反两个方向的摩擦中,正向摩擦的润滑性能要优于反向摩擦的润滑性能,且无论是正向摩擦还是反向摩擦,织构沟槽呈现直角时的润滑性更加优异,内部结构非对称织构的加工工艺可以增加表面硬度,有利于降低摩擦因数。     

材料表面可控修饰新技术

聚合物"刷"是端接枝超薄聚合物层的形象描述,在材料表面形成聚合物"刷"是控制材料表面性质的一种有效手段.因其在材料表面结构分子设计中具有突出的优越性,近年引起了材料表面改性专家的广泛关注.介绍了表面引发可控/"活性"聚合制备可控聚合物"刷"技术,并展示了其在材料表面可控修饰中的应用.     

响应型润滑表面的智能调控研究进展

智能润滑材料和表面具有随需应变和仿生功能的特点,是近年来润滑技术的一个研究重点。功能成分的触发和反馈行为赋予了智能材料可控的润滑能力,能对环境变化做出响应,进而可以实现摩擦界面润滑状态的主动调控,为智能设备的设计和运用提供新的研究思路。结合智能润滑的研究现状,对材料类型、构筑方式以及应用领域等研究进展进行介绍。根据材料能够响应的刺激类型把智能润滑表面分为9种类型,并分别总结了每种类型材料的设计理念、刺激响应机理以及性能特点。此外,从高分子复合材料、功能化润滑纳米添加剂和环境敏感水凝胶3个方面对智能润滑表面的摩擦学领域的应用情况以及未来可能发展的方向进行了讨论。未来研究方向包括但不限于以下几个方面:一是开发新型响应型润滑表面,例如基于自愈性润滑表面、电磁响应性润滑表面等;二是探索更加智能的响应机制,例如基于人工智能的自适应控制;三是进一步研究响应型润滑表面的机理,从微观和宏观层面深入探索响应机制;四是拓展响应型润滑表面的应用领域,例如在纳米技术、生物医学、机器人等领域的应用。     

全氢聚硅氮烷用于塑料表面硬化涂层的研究进展

塑料制品应用面广阔,但高分子聚合物自身结构的特点导致塑料制品表面在外力作用下易产生划痕,这既影响了美观,又降低了材料的性能和使用寿命。目前对其进行硬化处理得到了广泛的开发和使用,其中,表面涂覆硬化涂层是解决这一问题较为方便的方法。主要介绍了基于全氢聚硅氮烷制备塑料表面硬化涂层的国内外研究进展,并对不同的塑料基材已取得的研究结果进行了分类。全氢聚硅氮烷应用于PS表面,通过PHPS改性PS衍生物,在保证两种聚合物相容性良好的前提下,获得了高硬度的有机无机杂化涂层;应用于PC表面,通过控制PHPS/PMMA接枝聚合物结构,获得了透明、附着力优异、硬度高的有机无机杂化涂层,PHPS/有机硅氮烷转化后的涂层也极大地提高了PC表面的硬度;应用于PET和PMMA表面,将PHPS直接涂覆在基材表面即可获得致密、透明、附着力优异的高硬度涂层;应用于其他塑料表面,还可以提高基材的水蒸气阻隔性能、热稳定性等。最后指出随着涂层材料应用领域的不断扩大及对防护性能要求的不断提高,PHPS转化涂层未来在塑料基材表面增硬方面发展潜力巨大,应用前景广阔。     

多孔储液材料的仿生制备及其摩擦学性能研究进展∗

多孔储液材料因其优异的自润滑性能备受关注,特别是其孔隙结构参数与性能间对应关系的研究一直是学术界和工业界亟待解决的问题。 针对该类多孔储液材料,从来源、制备方法以及摩擦学特性等方面对其发展脉络及面临的问题进行梳理和分析,认为在仿生关节软骨制备适合工业应用的摩擦副方面,如何提取关键仿生特征参数是关键。 目前在进行服役可靠性、工况适应性分析时,多用孔隙率来表征多孔结构特征,在明晰孔隙形态参数(孔径,分布,贯通型等)与力学-物理性能、润滑状态之间的映射关系方面存在明显的不足,导致从优化孔隙形态参数入手实现多孔储液材料力学-物理性能与摩擦学性能的统一方面仍具挑战性。 3D 打印技术的快速发展有望解决当前多孔材料成形过程中孔隙形态参数不可精确控制的问题,并为其自润滑理论的发展提供有效试验手段。     

仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性研究进展

在长期的进化和生存竞争中,自然界生物表界面形成了优异的取向结构来执行传播、攀爬、移动与粘附等诸多行为,而基于形态结构的摩擦各向异性在其中扮演了重要角色。研究自然界取向结构表界面,从而揭示其摩擦各向异性行为和规律,并从中获得灵感,采用物理、化学手段进行仿生构筑和研究,对现代许多科技领域发展新型仿生功能性表界面材料具有重要意义。以露珠草和猪殃殃的倒刺结构、蛇腹部鳞片微结构、壁虎脚掌刚毛微结构为例,详细阐述了具有代表性的自然生物表界面的取向微结构形态及其功能,并对生物表界面产生摩擦各向异性行为的两种机理做了解释。在此基础上,简介了模板法、增材制造等几种仿生取向结构的制备方法,以及基于仿生取向结构的表界面摩擦各向异性研究成果。最后,列举了以蛇的蠕动行进、壁虎的高粘附为仿生对象,构筑具有摩擦各向异性的取向结构表界面,及其在仿生驱动、攀爬和定向输运等方面的应用实例,并展望了仿生摩擦各向异性领域未来的研究重点和发展方向。     

织构化机械密封的润滑与泄漏特性协调优化研究进展

针对机械密封的润滑和泄漏特性,研究发现,同时改善两特性的表面织构往往伴有较复杂的设计准则,而形式相对简单的织构设计在改善润滑性能的同时,往往导致泄漏增加。对互相矛盾的多个性能指标进行协调优化是表面织构技术在机械密封领域面临的挑战。优化算法是一种客观获得问题最优解的有效手段。鉴于此,介绍了基于单目标优化算法的表面织构形状优化研究现状,总结了基于多目标优化算法的机械密封润滑特性和泄漏特性协调优化研究的主要进展,并聚焦于同时以承载力和泄漏率为指标的螺旋槽参数和自由织构形状优化,最后分析了协调优化研究中存在的不足,并展望了其发展方向,以期进一步推进表面织构技术在密封领域的应用。     

高副接触下沟槽形织构对40Cr表面摩擦性能的影响

目前，面面低副接触情况下织构的减摩降磨性能已经得到广泛的研究，然而针对点面高副接触下的织构对表面摩擦学性能影响的研究仍然较少。主要利用有限元仿真技术建立点面接触下仿生沟槽织构表面流体动压润滑仿真模型，通过ANSYS的Fluent模块进行求解，获取试样表面的润滑油膜承载力与织构几何参数的变化关系。用激光在40Cr试样上加工出仿生沟槽形织构，并采用销盘摩擦副，开展点面高副接触下的织构减摩性能实验研究，综合分析织构几何参数对表面摩擦性能的影响规律。结果表明：试验与仿真具有较高的一致性，随着沟槽织构宽度W和织构深度H的增加，摩擦因数呈先减小后增加的趋势；沟槽织构对改善工件表面摩擦性能具有重要影响，微织构的存在有助于实现流体动压润滑，提高表面承载力，降低摩擦因数，从而改善工件的摩擦性能。     

仿生微纳结构抗菌表面研究进展

介绍了天然抗菌微纳结构的特点及抗菌效果,从灵感来源、基底材料、构建方法、表面特性和结构、抗菌效率六个方面,总结了利用不同技术模拟蝉和蜻蜓的翅膀、蛾眼和壁虎皮肤微纳结构的仿生研究进展。阐述了材料表面微纳结构的形貌和粗糙度对抗菌效率的影响,发现具有多层次、间隔紧密、尖锐纳米柱结构的表面对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出较强的抗菌活性。微纳结构抗菌表面与细菌相互作用,破坏细胞壁/膜,导致细菌死亡,该抗菌机制是物理机械性的,避免了细菌耐药性的产生。该综述为今后仿生微纳结构抗菌表面的发展提供了理论基础,并提出了未来的研究思路和发展方向。     

超疏水复合涂层的机械性能研究进展

超疏水表面具有杰出的防润湿特性,在防水、防污、防冰、自清洁等众多领域均具有极高的应用价值.超疏水复合涂层具有适用基材广泛、易加工施涂、成本低廉等诸多优势,是当下极具实用化前景的超疏水表面构建技术,然而涂层普遍较差的机械性能极大地限制了其在生活中的实际应用.总结并对比了超疏水表面的构建方法,简要介绍了影响超疏水涂层机械性...     

激光熔覆自润滑复合涂层研究进展及发展趋势

结合激光熔覆自润滑涂层实例,从材料设计、制备工艺、性能优化等方面综述了激光熔覆自润滑涂层的研究现状、存在的问题及发展方向。总结了常用固体润滑材料的摩擦学性能特点,并就如何选择自润滑材料、包覆技术和宽温域润滑的研究进展进行了简要阐述。讨论了激光熔覆制备自润滑复合涂层中软质润滑相和硬质耐磨相之间的关系,以及熔覆材料成分对涂层摩擦学性能的影响。简要分析了裂纹成因及控制涂层质量的常用手段,重点探讨了激光工艺参数对涂层中润滑相体积分数和分布状态的影响,并总结了激光熔覆自润滑涂层在工程中的应用,以期为激光熔覆技术的发展提供参考。目前激光熔覆自润滑涂层的应用已初具规模,但在润滑剂的失效与防护、新材料的研究与应用、制备工艺的优化以及针对特殊环境下的摩擦磨损实验研究等方面仍存在较大发展空间。     

Effect of cooling and lubrication conditions on surface topography and turning process of C45 steel

At present coolants and lubricants are increasingly recognized as harmful factors for environment and machine operators’ health. Industry and research institutions are looking for new means of reducing or eliminating the use of cutting fluids, both for economical and ecological reasons. This can be done if quality properties of machined surfaces and process parameters in dry and wet machining are comparable. This paper presents an investigation into the influence of cutting zone cooling and lubrication on surface roughness, waviness, profile bearing ratio and topography after turning C45 steel. Dry cutting and minimum quantity lubrication (MQL) results are compared with conventional emulsion cooling. Cutting forces and their components were put under examination as well. The experimental outcomes indicate that the cooling and lubrication conditions affect significantly the investigated process and surface properties. However, the impact of the cooling and lubricating technique depends to a large extent on the applied cutting parameters, namely the cutting speed and feed rate. Turning dry or with MQL with properly selected cutting parameters makes it possible to produce better surface topography characteristics than turning with conventional emulsion cooling. Apart from improving the surface properties the MQL mode of cooling and lubrication also provides environmental friendliness.