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。     

超快激光制备仿生织构研究进展

织构化可使零件或设备表面实现降低磨损、改变润湿性并提高抗反射性的效果，在医疗、机械、航空和海洋等领域展现出强大活力。为提升织构效果，表面织构技术引入仿生设计，通过在材料表面加工出类似生物表层的微/纳结构以达到特种表面需求。超快激光织构化是目前较为先进且重要的一种织构加工技术，针对超快激光制备仿生织构表面进行系统总结十分必要。对激光加工原理，以及制备耐磨性、润湿性、抗反射性三类特种表面的研究现状进行综述，简述三类织构表面的作用原理、仿生设计与优化。结果表明，超快激光可在材料表面制备出低热源损伤、高表面性能的精细仿生织构，通过仿生自然界中的生物表面结构，织构表面能够实现降低表面摩擦因数，获得超亲/疏水表面以及优异的抗反射性能。但超快激光无法准确烧蚀出所需织构尺寸结构，需要对激光加工进一步研究，将设计与加工紧密联系，构建超快激光织构化体系，实现未来超快激光织构化生产应用。     

仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻，并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法，采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征，考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律，通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中，流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中，矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化，而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果，且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻，其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀，且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度，减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低摩擦阻力。     

飞秒激光与电沉积复合工艺制备不锈钢超疏水表面及减阻性能EI北大核心CSCD

在远程管道运输过程中,固液间摩擦阻力是一个不容忽视的问题,类鲨鱼结构减阻效率低且制备困难。基于荷叶表面仿生思想,构筑微结构制备超疏水表面,减小摩擦阻力。采用飞秒激光刻蚀与电沉积复合工艺,在不锈钢表面构筑框-锥多级结构,经自组装氟硅烷制备超疏水表面,讨论复合工艺参数对微结构形貌及润湿性能的影响,探究框-锥多级结构超疏水表面减阻。结果表明,利用飞秒激光可获得周期性分布的框结构,随着激光功率的增加,微米框结构内部形成不规则沟壑金属堆积物,且关光延时的增长会产生单侧分布微孔结构,损伤基体整体强度;通过电沉积工艺制备亚微米尖锥结构镍镀层,随着电流密度的增加,镀层微结构形态发生变化,形成亚微米尖锥石结构,表面由疏水转变为超疏水。与激光刻蚀10次自组装氟硅烷涂层试样相比,激光刻蚀与电沉积复合工艺自组装氟硅烷涂层的试样表面接触角由138.6°提高到156.7°,对水和30wt.%甘油的减阻率分别由8.17%、14.38%提高到27.74%、23.69%。将激光刻蚀与电沉积相结合,构筑微纳结构经自组装制备超疏水表面,可为降低管道输运中固液间摩擦阻力提供新的技术途径。     

膛线电解加工仿生阴极工作齿设计与研究

为解决膛线阴极相邻齿间电解液流场出现分散、不饱满和漩涡造成阴极烧伤、加工效率低的问题，根据仿生表面减阻机制，设计不同参数分布的仿生结构的工作齿，利用COMSOL仿真分析了仿生结构的形状参数与电解液流速、湍流参数和剪切速率的关系。结果表明：工作齿表面仿生尺寸为s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生结构不仅可以减小摩擦阻力，而且可以有效地稳定间隙流场。采用仿生阴极进行电解加工试验，对加工成型后切片进行测量分析，结果表明：仿生结构阴极满足设计要求，零件的加工精度得到保证。     

激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

随着我国工业化进程的不断推进,金属材料已经广泛应用到生产生活的各个领域.仿生超疏水金属表面不仅能够延长金属材料在各种环境下的使用寿命,而且还能赋予材料表面自清洁、减阻、油水分离等新的性能.目前,研究人员已采用多种工艺在金属基体上制备出超疏水表面,超疏水金属表面的制备已经成为仿生学研究中的一个热点.首先介绍了润湿理论的发展,引出了制备超疏水金属表面的各种工艺方法,进一步归纳总结了激光加工制备超疏水金属表面的优势、特点和表面微结构.在此基础上,重点论述了近年来将激光加工工艺与化学刻蚀工艺、沉积工艺、离子注入工艺、涂层工艺和氧化工艺相结合的激光复合加工工艺,以及运用激光复合加工工艺制备的超疏水金属表面的结构和特点.激光复合加工不仅能够在金属表面形成更加丰富的微/纳米复合结构,而且能够使金属表面更快地获得超疏水性能,从而制备出稳定持久的超疏水金属表面.此外,复合加工能够降低对单一制备工艺的依耐性,扩大加工范围,降低生产成本.激光复合加工制备超疏水金属表面在实际应用中具有巨大的潜力.     

基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题,提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征,以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体,采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜,然后设置飞秒激光器的参数,利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜,二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用,可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响,并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大,在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10μm时可以获得最佳疏水性能,其接触角达到150°以上,通过常用的摩擦磨损测试实验,对比分析实验结果发现,氟硅树脂层经历200～1000次摩擦后,其接触角（CA）的下降幅度低于传统涂料组,说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性,并具有优异的持久性。     

织构参数对复合绝缘子硅橡胶表面疏水性能的影响

为提高硅橡胶复合绝缘子抗污闪及冰闪能力,采用激光雕刻机在其伞裙试样表面加工一系列不同类型的织构,使其具有超疏水性。采用三维形貌仪、SEM观察织构表面形貌特征,采用接触角测量仪、高速摄像机等进行疏水性能分析。分析了织构参数对硅橡胶表面疏水性能的影响,得到各织构疏水性能最佳时的尺寸参数及水滴弹跳性能。结果表明：设计的表面织构可明显改善硅橡胶表面疏水性能;不同织构疏水性最佳时织构高度基本相同,但织构宽度和间距参数不同。凸起织构相较于凹坑织构表现出了更好的疏水性能,其中菱柱织构表面具有最优的超疏水综合特性,能够有效的减少水滴在表面的停留,减少覆冰。     

基于微铣削的微结构尺寸与形状对PMMA表面疏水性的影响

目的 研究不同微结构尺寸参数和阵列形状对PMMA表面疏水性的影响.方法 使用精密微铣削方式,在光滑PMMA表面加工微沟槽、方柱、圆形及椭圆形阵列,并将测量的水滴的接触角和形状作为表面疏水性的表征指标.结果当微沟槽阵列的微槽宽度B、凸台宽度C及微槽深度H分别在84.86～208.77μm、36.22～133.94μm、6...     

船舶减阻表面工程技术研究进展

船舶减阻是实现船舶节能减排,构建绿色低碳船舶的关键。船舶被动减阻方法主要有仿生结构减阻、柔性壁减阻、超疏水表面减阻、防污涂层减阻等。按机理将被动减阻方法细分为结构型和物理化学型减阻,结构型减阻是模仿自然界水下生物表面结构以达到减阻效果;物理化学型减阻是赋予表面一定特点,如柔性、超疏水性、防污性等,以通过减少表面摩擦阻力、提高边界稳定性、减轻自重等方式达到船舶减阻的目的。结构型减阻表面构建方法主要有走丝线切割技术(EDM)、滚压成型技术、压印法、浇筑翻模法、涂料喷涂加工技术、激光刻蚀法、三维打印法等;物理化学型减阻表面构建方法主要有涂料喷涂加工技术、旋涂法、化学腐蚀法、溶胶–凝胶法、电化学沉积、静电纺丝、相分离、等离子体处理等。针对以上减阻技术研究现状进行综述,主要从微观机理出发,总结现有文献中制备船舶减阻表面的技术以及存在的问题,并提出多种减阻方法协同作用解决现有问题,指明船舶减阻技术的发展趋势,为船舶减阻技术的研究与应用提供指导。     

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。     

高速微铣削构建疏水性铝合金表面

以蝉翅表面疏水结构为仿生对象,利用高速精密微铣削机床在铝合金表面构建柱状微阵列结构,对构建的柱状微阵列结构的微观结构、疏水性能和表面粗糙度进行观测,并对其疏水机理进行分析。结果表明:在本征接触角约为51°的光滑铝合金表面上加工微米级柱状微阵列结构可有效提高材料表面的疏水性能,未经化学修饰的表面接触角最高可达115°,实现了基于高速精密微铣削技术在金属材料表面上构建微观结构阵列,使材料表面润湿性由亲水向疏水的转变。     

汽车控制臂挤压铸造工艺研究

以汽车控制臂为研究对象，探讨了挤压铸造成形工艺的模具设计和工艺参数设计对产品性能的影响。着重对内浇道截面宽度、合金成分、压力等工艺参数进行了优化试验。结果表明，在采用截面宽度为10mm的浇道、挤压铸造比压为50MPa、A356成分中的w（Fe）≤0．1％的试验条件下，铸件组织致密，晶粒细化，力学性能达到进口同种合金锻件的水平（σb≥280MPa，δ≥6％）.     

金属基体上超疏水表面的制备及其机械耐久性的研究进展

在金属基体上构建超疏水表面可有效解决金属材料在使用过程中不耐腐蚀、容易覆冰等问题,同时赋予其自清洁、油水分离、润滑减阻等特殊功能,具有极高的应用价值和市场前景。但目前普遍存在的规模化生产困难及机械耐久性差的两大问题严重限制了其实际应用。归纳了在金属基体上制备超疏水表面的基本方法,对化学刻蚀法、阳极氧化法、电化学沉积法、水热法、喷涂法等5种典型方法进行了重点综述,讨论了其优劣势,并结合最新研究进展,提出低表面能改性剂的绿色环保化和一步法制备超疏水表面是未来的发展趋势。针对超疏水表面机械耐久性的问题,分析了机械磨损导致超疏水材料失效的原因,总结了机械稳定性的测试手段和评价机制,然后立足于机械稳定性和化学稳定性两个关键因素,提出提高金属基体上超疏水表面的机械耐久性,延长服役寿命的4种基本方法:1)精细设计微纳米多级复合结构;2)引入粘结层以加固表面微观结构;3)不使用低表面能物质,仅靠粗糙结构实现超疏水;4)构建自修复表面。最后对该领域未来的研究重点和发展趋势进行了展望。     

Zn含量对反挤压Mg-8Sn-Zn合金组织演变和力学性能的影响

利用OM,SEM,TEM,EBSD,XRD和电子材料试验机研究了Zn含量（1%-4%,质量分数）对反挤压Mg-8Sn-Zn合金组织、织构演化和力学性能的影响.结果表明,所有合金均可在相对较低的挤压温度（250℃）和较高的挤压速度（2 m/min）下成形.在反挤压过程中,所有在均质化处理后残留的粗大第二相在挤压过程中破碎并沿着挤压方向被拉伸成条带状;所有的粗大晶粒均转变为细小的等轴晶,其平均晶粒尺寸分别为7.4,8.3和10.5μm.随着Zn含量的增加,在挤压态合金晶内和晶间分布的细小弥散第二相的体积分数增加,这些第二相主要由亚微米级的Mg₂Sn相和纳米级的富Zn相组成.弥散分布在晶界上的第二相有效地钉扎了晶界,从而细化了晶粒尺寸.另外随着Zn含量的增加,合金的织构强度降低,这和变形晶粒的体积分数减小有关.组织细化、织构弱化和第二相弥散化是Mg-Sn-Zn合金强度提高和拉伸/压缩屈服点各向异性减弱的主要因素.     

Mechanical and Functional Properties of Nickel Titanium Adhesively Bonded Joints

In this study, adhesive joints made up of commercial NiTi sheets with shape memory capabilities are analyzed. Suitable surface pre-treatments, i.e., degreasing, sandblasting, and chemical etching, are preliminary compared in terms of surface roughness, surface energy, and substrate thinning. Results indicate that chemical etching induces marked substrate thinning without substantial gains in terms of surface roughness and free energy. Therefore, adhesive joints with degreased and sandblasted substrates are prepared and tested under both static and cyclic conditions, and damage development within the adhesive layer is monitored in situ using a CCD camera. Sandblasted specimens have a significantly higher mechanical static strength with respect to degreased ones, although they essentially fail in similar fashion, i.e., formation of microcracks followed by decohesion along the adhesive/substrate interface. In addition, the joints show a good functional response with almost complete shape memory recovery after thermo-mechanical cycling, i.e., a small accumulation of residual deformations occurs. The present results show that adhesive bonding is a viable joining technique for NiTi alloys.