織構設計調控表面性能的研究進展

郭飛飛，楊軼飛，任明基

(西安工程大學 機電工程學院, 陜西 西安 710048)

0 引 言

1966年，HAMILTON第一個將表面織構技術應用在機械密封件表面[1]制造出的微型凸起物不僅增加了表面的承載能力，同時降低了表面的摩擦系數，由此表面織構技術逐步受到越來越多的研究者的矚目。“織構”的概念來源于自然界中生物非光滑的表面結構。從工程角度而言，“織構技術”是指通過設計和加工制造，產生具有規律分布的微小結構的表面。在機械行業快速發展的今天，關于表面織構改善材料摩擦性能的研究工作已經做了很多，郭飛飛等分別探究了類金剛石膜和卵磷脂對CoCrMo合金的摩擦性能[2-3]，發現其在不同條件、不同工況下的減摩效果各不相同。而且大量的研究表明，經織構化處理的表面有降低摩擦、減小磨損以及提高界面承載能力等特點。因此，表面織構技術已被視為一種能夠有效改善界面摩擦性能的方法[4-5]。

隨著研究者對自然界特異性表面的認識逐步加深，越來越多的織構化表面[6]也受到研究者的關注。例如，鯊魚體表的微小結構使其在水里游動時減小水的阻力，借助這種結構和功能研發了新型泳衣[7]；荷葉表面上的水滴可以往任意方向滾動原因在于荷葉表面的微尺度結構使其具有超疏水的性質[8]。自此，表面織構技術在不同工況下展現出來的減阻、防污等效果也展現出可觀的應用前景。

本文通過介紹表面織構的3種作用機理，對表面織構調控材料的摩擦、減阻和防污性能進行了總結和分析，同時展望了織構技術未來的發展方向。

1 織構設計對表面摩擦的影響

研究者借助仿真和實驗進行織構參數(主要指織構形狀、尺寸和織構的面積率)的設計，在此基礎上，采用合理的加工技術得到具有微型結構的材料表面，這是織構設計過程中所必須解決的問題[9]。表面織構的加工技術較多，其中激光加工技術因其具有無接觸、不磨損、熱變形小、操作靈活、精度高等特點被學者廣泛使用[10-11]。

1.1 表面織構減摩、耐磨作用機理

在不同的工況下，表面織構的作用機理也并不相同，表面織構技術提高表面摩擦的作用機理主要為：在干摩擦中，表面織構的捕獲作用；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[12-13]。

1) 在干摩擦中，當物體表面增加了表面織構后，所形成的表面微型形貌可將因磨損而產生的碎屑儲存起來，減小表面粗糙度，從而改善摩擦性能[14]。

2) 在速度低、負載大且使用潤滑油的工況下，表面織構所形成的微型形貌可起到存儲潤滑油的作用，從而形成“二次潤滑”的效果[15-16]。

3) 在速度高、負載小的工況下，表面織構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生液體動壓薄膜，促進流體動壓潤滑產生，從而提高摩擦副的承載能力，降低接觸表面的摩擦系數[17-18]。

1.2 織構設計參數

在深入研究表面織構作用機理的基礎上，研究者試圖借助不同的方法來優化設計參數,從而進一步調控表面摩擦性能。其中，織構形狀、尺寸及面積率等參數發揮了主要作用。

1.2.1 面積率的影響 面積率體現了材料表面織構的加工密度，經研究發現，表面織構的承載力、減摩、減損與表面織構的面積率并非成線性增加關系。

何霞等在鉆頭滑動軸承表面摩擦學的研究中發現[19]，當滑動軸承偏心率為0.4時，軸承在織構面積率為8%時具有最大承載力；當軸承偏心率為0.6時，承載力在面積率為13%時達到峰值，而當表面織構的面積率大于20%時，反而出現了潤滑性能降低的現象。同樣，戴慶文等在探究織構表面提升機械密封性能的機理過程中[20]，發現硬質合金/碳石墨組成(硬對軟)的密封副在表面織構的面積率為4%時，減摩和抑制泄漏效果較優。李亞軍等使用激光加工的技術對45鋼進行表面織構化處理[21]，研究其在干摩擦和乏油2種狀態下的摩擦磨損性能，發現當表面織構的密度逐步增大時，45鋼表面的磨損率呈先減后增的變化趨勢，且當表面織構的密度為8.1%的時候，45鋼表面的抗磨效果最優，該研究結論同樣表明表面織構的面積率與減摩效果并未成線性關系。

1.2.2 形狀、尺寸的影響 表面織構改善摩擦性能的效果不光取決于表面織構的面積率，也與表面織構的形狀、尺寸等參數有著重要的關系。

廖文玲等在研究織構表面動壓潤滑性能時[22]，設計出圓形、橢圓形和條形3種不同的表面織構進行試驗，結論表明當不同截面形狀的表面織構平均深度越接近摩擦副表面的油膜厚度，其表面織構的動壓潤滑性能越好。高元等在研究表面織構對滑動軸承潤滑性能的影響中發現[23]，不同織構形式其最優深度值也并不相同。在同等條件下。單列矩陣凹槽表面織構的潤滑效果優于矩形和橢圓形表面織構，王磊采用激光技術[24]，將灰鑄鐵HT250加工成具有凹坑狀、條紋狀、網格狀的表面織構進行試驗，結果表明，3種不同型表面織構的耐磨性和摩擦系數均有提高。與此同時，試樣的摩擦性能受到表面溫度的影響，溫度越高摩擦性能越差。

在深入分析織構調控摩擦性能的同時，研究者突破現有的思維方式，指出表面織構的尺度設計與嵌套構筑對進一步提升表界面的摩擦性能發揮著重要作用。中國科學院蘭州物理化學研究所周峰團隊在多孔陽極氧化鋁表面引發直徑約為100 nm的聚合物刷[25]，使不同尺度之間的跨越成為可能。REN等在織構化聚醚醚酮(PEEK)表面沉積納米類石墨碳膜(GLC)[26]，將摩擦系數控制在0.08，磨損體積低至2.6×10-4mm3。其中，織構化形貌能夠屏蔽磨屑、增加潤滑膜厚度和降低碳膜的石墨化進程。因此，若能利用不同尺度的織構設計實現對材料摩擦行為的嵌套調控，必將產生深遠的意義。

2 織構設計對減阻、防污性能的影響

目前，能源危機和環境保護越來越受到人們的重視，船舶的節能減排已成為研究的熱點。船舶在運動過程中，受到的阻力主要包括:興波阻力、壓差阻力( 形狀阻力)、摩擦阻力等，其中摩擦阻力是最主要的組成部分。不僅如此，海洋的生物污損也嚴重影響著船只和裝備在海洋環境中的使用性能。當船體受到污損生物附著時，船體表面變得更加粗糙，船在前進過程中，附著污損生物的重量大大增加，這些污損生物會帶動周圍一圈水體一起向前運動，造成阻力大幅增加。因此，研究船舶的減阻、防污性能對于降低能源消耗，節省經濟成本具有重要的作用[27-28]。

2.1 減阻效應

在20世紀70年代，NASA蘭利研究中心發現，表面為微型凹坑時在順流向能夠降低水面的阻力，該研究發現打破了表面越光滑則阻力越小的傳統的阻力認知[29-31]。

江國琛等在微U形溝槽結構表面減阻性能與耐腐蝕性能的研究中采用飛秒制備微-納結構工藝[32]，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織構進行試驗，結果表明：微溝槽織構表面具有一定的減阻效果，同時，當微溝槽表面織構的寬度為25 μm和50 μm，深度為20 μm時，2種不同寬度的U形溝槽表面織構的運動時間相對未經處理表面的運動時間分別縮短了4.3%和11.6%。這說明，織構化處理的表面可以有效減小阻力，而表面織構的形貌與尺寸參數影響著減阻的性能。表面織構作為仿生設計的一種非光滑表面設計，在廣泛應用于機械表面的同時，部分學者將表面織構應用于抽油泵柱塞表面，比如趙文杰將抽油泵柱塞表面進行織構化[33]，并對其織構的參數進行優化，研究發現，當表面織構為六邊形，橫縱比為2，夾角角度為135°時，摩擦系數出現峰值，當橫縱比為2且夾角角度為105°時，摩擦系數出現最小值，此時具有最優的減阻效果。該研究成果同樣表明表面織構的形貌、尺寸參數影響著減阻效果。

2.2 防污效應

目前，海洋的生物污損已成為全球性問題,嚴重影響著船只和裝備在海洋環境中的使用性能[36]。越來越多的研究者通過借鑒海洋生物表面具有的微觀結構，如荷葉表面的乳突、水稻等表面的微型結構，有效地幫助其自身進行清潔防污作用[34-35]，為此，表面織構技術與防污涂層的結合才能更大化提升防污的效果，如圖1所示，為防止海洋生物污損附著的方式[37]。

圖 1 防止海洋生物污損附著的方式Fig.1 Ways to prevent the attachment of marine organisms

陳子飛等將有機硅改性丙烯酸酯防污涂層表面進行仿甲魚殼織構處理[38]，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。結果表明：仿甲魚殼表面織構化的涂層的表面疏水性得到了增強，而正負向形貌織構化的防污涂層使舟形藻和新月藻的黏附量分別降低了69%、50%和52%、53%，因此表面織構化的涂層對其有較好地防污效果。郭飛飛等在人體關節表面材料的應用中指出，微/納結構與功能仿生的結合在未來的表面織構發展中是一個重要的應用方向[39-40]。許季海等制備了直徑3 μm，高度500 nm的規則微/納凸柱狀表面織構的有機硅改性丙烯酸酯涂層來探究其涂層的防污性能[41]。圖2(a)～(d)分別為微/納凸柱狀織物狀的涂層表面覆蓋率分別為4%、7%、10%、21%，粗糙度分別為165 nm、207 nm、311 nm、408 nm，結果表明：表面織構化涂層的接觸角與微/納凸柱狀織構的表面面積率呈正相關線性關系，而絲藻和舟形藻在涂層的附著量隨著微/納凸柱狀織構化表面面積率呈負相關線性關系。張海春等在研究表面織構與自拋光的協同防污效果時[42]，將具有吸水溶脹能力的微球加入到自拋光樹脂中，通過交聯反應制備了表面織構自拋光防污涂層。研究發現，小球藻黏附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，當微球分散液質量分數為10%、可水解單體質量分數為40%時，涂層抑制小球藻黏附的效果最佳。該研究結論與文獻[41]結論一致，表明涂層表面織構的參數設計影響著防污性能的優劣。

(a) 涂層1 (b) 涂層2

(c) 涂層3 (d) 涂層4 圖 2 微/納凸柱狀織構化的涂層的SEM圖Fig.2 SEM images of the micro/nano convex columnar textured coating

海洋生物(如鯊魚、海豚、貝殼)特殊的表面織構不僅使其不受污損生物的附著，而且還有一定的減阻效果，借鑒此種表面織物，對構建仿生防污、減阻的一體化技術具有重要意義。

3 總結與展望

本文主要闡述了表面織構的減摩機理，同時從目前表面織構的研究現狀發現，在不同的工況下最優的表面織構的尺寸參數也各不相同，與此同時，參數設計也影響著表面織構技術在減阻、防污等方面的應用效果，而表面織構技術在未來應著重從以下幾個方向開展研究：

1) 表面織構的參數設計對于考察織構的作用機理與應用范圍發揮著重要的作用。然而，隨著研究的不斷深入，表面織構的尺度設計與嵌套構筑將對提升材料的表界面性能產生巨大的影響。研究表面織構的尺度效應及其協同影響機制將展現出更廣闊的理論和應用前景。

2) 表面織構技術在未來有望結合其他技術應用到更多的領域中去。例如，表面織構技術可以與潤滑油的添加劑技術以及超疏水涂層技術有機結合起來，提高材料的貧油潤滑和高速運轉下的摩擦性能，以及提升機器表面的防腐蝕能力。同時，關于表面織構技術方面的應用目前更多的集中在工業領域，因此應加強表面織構技術在醫學等領域的研究。