機械零件織構化表面減摩性能研究進展*

馬廉潔 韓智斌

(1.東北大學機械工程與自動化學院 遼寧沈陽 110819；2.東北大學秦皇島分?？刂乒こ虒W院 河北秦皇島 066004)

表面織構是指采用一定的加工技術，在材料表面加工出凹坑、凹痕或凸包等規則的非光滑表面?？棙嫽砻鎸C器零件的使用性能，例如耐摩性、減阻降噪[1-2]、表面潤濕特性[3-4]等，具有重要影響。織構化表面的減摩性能可由摩擦因數、表面粗糙度、力(如油膜力等)、溫度等參數進行表征。織構化表面包含織構形狀、織構深度、織構面積占有率等幾方面內容，在相同工況下，不同織構參數對其減摩性能影響不同。合理地控制織構表面參數是提高零件耐磨性和使用壽命的手段之一。然而，織構化表面減摩性能受試驗系統多種變量(如環境、摩擦副材料等)的影響，而這些變量影響的效果往往是非線性的，相輔相成且難以量化表示，所以，研究人員往往抓不住主要的織構化表面減摩原因，對表面織構的參數設計主要依賴于前人的經驗。因此，探究織構化表面減摩機制、進行不同工況下織構參數主要減摩作用的研究具有重要意義。

近十年來，國內外學者對織構減摩理論及應用實踐兩方面進行了大量研究，研究領域逐漸從傳統的機械制造業領域(活塞環[5-6]、齒輪[7-8]、軸承[9-10]等)向動力工程、生物工程、船舶工程、新能源等多個領域擴展。所研究的織構參數已由最初的單一凹坑、溝槽型向復合織構及仿生織構過渡。將仿生技術與織構化表面相結合所誕生的仿生織構，利用了自然環境對生物群體億萬年優勝劣汰的優選過程，對于織構優化設計具有重要參考意義。因此，仿生織構摩擦學逐漸成為表面工程新的熱點分支。然而，研究該技術的關鍵在于仿生輪廓的提取及其擬合精度。

但到目前為止，織構減摩類的綜述性文獻不多且大都集中于刀具、葉片等機械零件的應用，對織構減摩機制總結不夠深入。本文作者首先總結了織構化表面的減摩理論，然后對織構參數的幾何設計及其加工方式進行歸納，最后分析表面織構近些年的發展概況并作簡要評述，希望能為微織構減摩理論的深入研究及在工程領域的實際應用提供參考。

1 表面織構減摩理論的研究

在不同工況下，表面織構的減摩機制各不相同。根據潤滑油膜與摩擦副表面減摩性能的關系，摩擦工況可分為干摩擦、流體潤滑、邊界潤滑和彈性潤滑等，分別對各工況下的織構減摩機制進行深入研究，能夠科學地反映織構參數與減摩機制之間的關系，明確該工況下起主要減摩作用的織構參數。

1.1 干摩擦工況

干摩擦工況是指兩摩擦表面之間無任何潤滑介質時，兩摩擦副表面的微小凸起部分直接接觸的工況。隨著各種新型減摩潤滑材料的深入研究，盡管潤滑劑的減摩性能有了很大的提升，但也暴露出了很多問題，如環境污染、表面質量差、成本昂貴等。基于該研究背景，針對干摩擦工況下試樣減摩性能的研究，逐漸成為重要的研究領域。

1.1.1 微織構對摩擦因數的影響

研究表明，干摩擦運動不是連續穩定的滑動，而是一個物體相對于另一個物體的間歇運動，即階躍現象[11]。在干摩擦過程中，表面織構會使得階躍現象更為顯著，從而使更多的磨屑推離兩摩擦副表面，平均摩擦因數降低，減緩了表面磨損程度[12]。劉衍聰等[13]指出溝槽織構通過捕獲磨粒，可以有效地減少摩擦副相對運動中磨粒的磨損，但是織構的存在同樣減少了接觸面積，使得接觸應力急劇增大，紋理邊緣硬化帶對摩擦副的微切削作用越加明顯，黏著磨損現象更為嚴重；研究表明織構的減摩作用與溝槽方向息息相關，當面積占有率為17%、運動角度為60°時摩擦因數最小，減摩效果最佳。王斌等人[14]利用激光技術將不同材料的試樣表面織構化，認為在干摩擦條件下，織構減摩的因素不僅是通過儲存磨粒實現，而且激光加工會使試樣材料產生熱影響區，容易在試樣表面形成一定厚度的硬質層和過渡層，硬質點不易被磨損，故對表面可以起到一定程度的保護作用，因此織構化試樣具有較為穩定的摩擦因數。

1.1.2 微織構對磨損率的影響

齊燁等人[15]認為織構化試樣在干摩擦條件下改變了試件的應力分布，使接觸區形成高低應力交替分布的局面；且由于織構的存在，使得應力集中點的位置在不斷發生變化，而無織構試樣應力集中點位置始終保持不變，故織構化表面可以減小磨損率，緩解試件的磨損。李振東等[16]研究了激光織構和碳基薄膜復合處理對鈦合金摩擦學性能的影響，指出在高接觸應力的作用下，被磨損的石墨磨屑嵌入到織構內部，由于石墨的自潤滑性能，抑制了摩擦副表面的磨損行為，因此織構化碳基薄膜的磨損率較未織構碳基薄膜降低了約60%。HE等[17]研究了織構化DLC薄膜的減摩性能，發現織構化表面接觸面積的減小會導致接觸應力急劇增大，在滑動過程中，凹坑織構的尖銳邊緣不斷劃傷滑動表面，“轉移膜”逐漸石墨化，有效地防止了兩摩擦副表面的直接接觸，降低了磨損率；其中在干摩擦工況下，面積占有率為52%的織構化DLC薄膜具有最低的磨損率。

綜上所述，在干摩擦的條件下，兩摩擦副表面的凸起部位最先剝落并形成磨屑，若清理不及時，磨屑將隨摩擦副表面移動，逐漸轉化為磨粒，在犁溝效應的作用下破壞兩摩擦副的表面形貌，使工況進一步惡化(其示意圖如圖1所示[18])。表面織構在該工況下主要起到存儲磨屑，降低磨粒磨損的作用[19-20]。所以織構的上表面面積是影響其減摩效果的關鍵因素(此外，減摩效果也與加工方式及溝槽設計方向等相關)。隨著織構直徑的增大，磨屑進入織構內部概率越大，減小磨損的效果越好；但隨著織構直徑增大，摩擦副之間的接觸面積也會隨之減小，磨損會愈加嚴重。因此，干摩擦條件下，微織構減摩研究的關鍵在于尋找合適的織構直徑，使得織構存儲磨粒所帶來的減摩效果遠大于由于摩擦副之間接觸面積減小而帶來的增摩效果。

圖1 織構收集磨粒示意[18]

1.2 流體動壓潤滑工況

流體動壓潤滑工況是由于摩擦副之間的相對運動，使得潤滑油被帶入摩擦副之間的楔形間隙而形成流體動壓潤滑效應，即承載區油膜產生一定的壓力，當油膜壓力與外載荷完全平衡時，此時的工況稱為流體動壓潤滑工況。由于油膜的形成，完全避免了兩摩擦副的直接接觸，同時伴隨著空化現象[21-22]，提升了油膜承載力，從而具有良好的減摩性能。研究人員為探尋織構參數對流體動壓潤滑效應的影響，展開了大量的研究。

1.2.1 微織構對摩擦因數的影響

姜亮等人[23]認為在流體動壓潤滑工況下，織構內部將產生附加動壓力，黏滯阻力隨之增大，平均摩擦因數減?。徊⒅赋霾煌棙媴祵υ嚇訙p摩性能的影響顯著，小凹坑直徑的織構試樣摩擦因數降幅約為66.7%，而大凹坑直徑的織構由于間隙過大，潤滑油供應不充分，減摩效果不明顯，摩擦因數急劇增大。馮旭等人[24]指出在潤滑工況下，每一個凹坑都是存儲潤滑油的“微油池”，隨著織構內部流體動壓特性增強，摩擦副表面的摩擦因數降低，凹坑深徑比為0.053的織構表面摩擦因數最低。

1.2.2 微織構對磨損率的影響

孫建芳等[25]認為，一方面織構的存在可以增加油膜厚度，另一方面接觸應力的增大使得織構化表面更容易發生摩擦界面的摩擦物理化學反應；在干摩擦條件下PFPE油在接觸應力作用下，內部斷鏈產生F原子，與摩擦副表面的Fe原子結合，生成耐磨性物質FeF2，使得織構化試樣的磨損率低于未織構試樣；其中面積占有率為8.7%、凹坑直徑為200 μm的試樣磨損率最小，較未織構試樣降低了30.6%。樸占鵬等[26]研究了納米流體與微織構的耦合作用，發現在試驗過程中，納米流體會在兩摩擦副表面之間形成一層保護膜，改善潤滑狀態；與此同時納米流體中的納米粒子會起到一定的支撐作用，避免兩表面凸起的直接接觸，進而降低磨損率；試驗結果表明與織構化試樣對磨的磨球磨損率降低了39.4%。

1.2.3 微織構對潤滑油膜的影響

研究表明，表面織構幾何參數[27-29]、工況參數[30]及分布方式等都會對其流體動壓效應產生一定的影響。由于負壓區的泵吸作用[31-32]，微凹坑之間的潤滑油得以相互流動，故每一個微凹坑都不是孤立的存在，凹坑與凹坑之間存在一定的協同作用(如圖2所示[33])。黃豐云等[34]認為泵吸作用會使非凹坑區的潤滑油向凹坑區流動，從而影響區域油膜承載力；隨著控制單元增大，周圍區域流體受凹坑區域的影響亦逐漸增大，但由于泵吸作用產生的附加動壓被不能產生動壓的非凹坑區域平衡，油膜承載力呈現下降趨勢，所以表面織構可以通過影響泵吸作用進而影響流體動壓潤滑效應。HAMILTON等[35]指出表面織構可以為相對運動的兩平行表面提供規律性收斂間隙，當潤滑劑進入微凹坑，將在收斂間隙處產生油膜正壓力，在發散間隙處壓力降低，甚至出現油膜負壓；當負壓達到某一極限值便會出現空化現象，從而使得凹坑區域內部油膜壓力分布不均，具有一定的油膜承載力。此外，吳元博[36]認為不同參數的織構產生減摩作用的機制不同，而機制不同的原因取決于織構對潤滑油膜的影響力，從而使油膜厚度及油膜完整性各不相同，以此影響其油膜力(流體動壓效應)的大小。

圖2 流體動力潤滑系統示意[33]

綜上所述，在流體動壓潤滑條件(滿足具有楔形間隙；潤滑油從大口流入，小口流出并具有一定的黏度)下，每一個凹坑都相當于一個微型的動壓軸承，當液體流過收斂間隙時將產生正壓，流經發散間隙時產生負壓。若凹坑深度太淺，無法儲存太多潤滑油，可能導致油量不足無法滿足動壓潤滑條件；若凹坑深度太深，在油膜降壓區壓力下降會十分迅速，油膜厚度迅速增加，承載能力急速下降，嚴重時也會出現干摩擦的情況，故單一凹坑具有更好的減摩效果的關鍵在于合適的凹坑深度。但單一凹坑無法決定油膜厚度及油膜承載力的大小，研究表明，凹坑之間的協同作用才是形成減摩油膜的關鍵[37]，并且該協同作用往往通過不同織構面積占有率實現，所以減摩效果的好壞取決于油膜承載力及其完整性的大小。因此，凹坑面積占有率是在動壓潤滑條件下決定減摩效果好壞的關鍵因素，凹坑深度可通過單個“動壓軸承”壓力大小來影響其減摩性能，但影響程度遠沒有凹坑面積占有率大。

1.3 邊界潤滑工況

邊界潤滑指由液體摩擦過渡到干摩擦過程之間的臨界狀態[38]。簡言之，在該工況下，摩擦副是處于一種部分摩擦表面直接接觸的潤滑狀態。重載、低速、潤滑油黏度小極易形成該潤滑狀態，該狀態下，摩擦副表面間存在一層厚度在0.1 μm以下的油膜，雖然不能防止摩擦副表面的接觸，但相較于干摩擦在一定程度上很好地減緩了表面的磨損狀況。

1.3.1 微織構對摩擦因數的影響

慣性效應[39]可以產生附加動壓力，進而影響微織構表面承載能力，織構參數可決定慣性回流的強弱程度[40]。宋文濤等[41]指出條狀紋理與凹坑織構之間存在協同作用，使二者慣性效應相互疊加，獲得更高的承載力，因此條狀紋理試樣在穩定磨損階段具有更低的摩擦因數，達到穩定磨損的時間更短。胡天昌等[42]認為在邊界潤滑工況下，表面織構擴大了流體動壓現象的發生范圍，試驗過程中潤滑油不斷被擠出，補充到對偶表面形成連續油膜，降低了摩擦因數；其中凹坑直徑在研究工況下對試樣減摩性能影響顯著，凹坑直徑太小，潤滑介質浸潤效果較差，不易形成油膜，凹坑直徑越大，面積占有率隨之增大，凹坑內部流體動壓效應更加明顯，較易形成潤滑油膜，摩擦因數更低。

1.3.2 微織構對磨損率的影響

李亞軍等[43]研究了凹坑直徑對45鋼摩擦磨損特性的影響，試驗表明磨損率隨凹坑直徑的增大呈現先上升后下降的趨勢，并認為該現象的出現主要歸因于邊界潤滑工況下復雜的減摩機制：在相同面積占有率條件下，凹坑直徑越小，數量越多，凹坑之間的間距越小，更容易形成連續的油膜，然而不易儲存磨屑；若凹坑直徑過大，雖不易形成油膜，但可以存儲更多的磨屑，減少磨粒磨損。XIONG等[44]認為在邊界潤滑工況下，由于流體的黏性流動，表面織構將潤滑油引入摩擦副接觸區域，同時捕獲磨屑，從而降低磨損率；研究表明，面積占有率為7.9%～8.8%的試樣具有最低的磨損率，磨損率為5.2×10-7mm3/(N·m)。

1.3.3 微織構對潤滑油膜的影響

為探究邊界潤滑條件下，織構對表面減摩性能的影響機制，國內外學者針對潤滑油膜展開了一系列研究。PETTERSSON和JACOBSON[45]指出該工況下，減摩的關鍵在于潤滑油是否充分及其黏度的大小，表面織構參數(形狀、紋理分布等)通過影響潤滑油進入其內部難易程度進而影響減摩性能。但該研究并未明確指出織構參數如何影響其減摩效果。之后，LEI等[46]針對在邊界潤滑工況下織構化PTFE的防爬行現象進行了研究，發現上下摩擦副在該工況下發生相對滑動時，低速高壓會逐漸將光滑接觸表面的潤滑油擠出，使得油膜厚度變窄，摩擦因數增加；而微凹坑可以不斷地向接觸面提供潤滑油，逐漸實現“二次潤滑”，使得摩擦因數迅速降低，且在該工況下，大面積占有率的凹坑具有更好的減摩性能。周劉勇等[47]指出邊界潤滑工況下，微織構只能形成局部的流體動壓潤滑效應，隨著摩擦副的相對運動，織構內部存儲的潤滑油被擠出，起到了連續潤滑的效果，提高了摩擦副的承載力。該研究結果與項欣等人[48]的研究結果一致。

綜上所述，在邊界潤滑工況下，微織構通過影響其內部的局部流體動壓潤滑效應進而影響其減摩性能，而產生局部流體動壓效應的關鍵在于潤滑油的供應是否充分及能否形成二次潤滑。所以，微織構數量成為邊界潤滑工況下影響減摩效果的最主要因素，主要表現為織構的數量增多，“儲油箱”增加，供油相對充足，則更容易滿足“二次潤滑條件”；但與此同時，摩擦副的接觸面積有所減小，壓力增大，油膜承載力下降。因此，邊界潤滑工況下，減摩效果的好壞主要取決于織構數量增加產生的潤滑效果和摩擦副接觸面積下降造成油膜承載力下降的綜合作用。除此之外，在邊界潤滑條件下，凹坑深度對減摩效果也會有一定的影響，但不是主要影響因素，主要表現為若凹坑深度太深，潤滑油不易被擠出，潤滑油不能充分地供應，所以極易造成干摩擦條件。

1.4 彈性流體動壓潤滑工況

彈性流體動壓潤滑是一種微觀的流體動壓潤滑，該工況下，摩擦副表面的彈性變形對油膜厚度的影響無法忽略。在一定條件下，點-線摩擦副中可以形成該工況，如滾動軸承、齒輪傳動、凸輪機構等。為探究該工況下織構對減摩性能的影響，研究人員展開了一系列研究。

1.4.1 微織構對摩擦因數的影響

楊笑等人[49]認為該工況下，織構形狀可以決定織構內部高壓區域和低壓區域的分布，并指出高壓區域越集中，低壓區域越發散，則會產生更大的流體動壓力，摩擦因數更小；研究表明，相較于圓形和正方形織構，三角形織構的摩擦因數最低。董幫源等[50]指出載荷、轉速、織構直徑都會對40Cr鋼的摩擦學性能產生影響，且影響規律不唯一；轉速的增大加強了內部的動壓效應，摩擦因數呈現先增大后減小的趨勢，但在重載工況下，轉速對摩擦因數的影響范圍縮??；摩擦因數的波動范圍受速度影響，直徑為20、80 μm的凹坑的摩擦因數最低，減摩效果明顯優于光滑表面。DE LA GUERRA OCHOA等[51]利用光刻和化學刻蝕的方法加工織構化表面，并進行摩擦磨損試驗，研究表明當彈性流體動壓潤滑狀態接近于混合潤滑狀態時，織構化表面的摩擦因數會有顯著的下降，下降幅度約為30%。

1.4.2 微織構對潤滑油膜的影響

彈性變形[52]對潤滑油膜具有重要的影響，考慮彈性變形后，最大油膜壓力、承載力以及溫度均明顯降低。盧憲玖等[53]采用多重網格法對光滑及織構表面進行橢球體-平面熱彈流潤滑分析，研究表明溫度對表面織構的彈性潤滑性能影響很大，織構化表面較光滑表面具有大的油膜厚度且滑滾比越大，織構表面最小膜厚越小，最高溫度越大。蘇彬彬[54]指出彈性流體動壓潤滑工況下，表面織構能夠產生附加的流體動壓力，且試樣表面可在此壓力下發生一定程度的變形，而變形反過來直接改變接觸區內油膜厚度分布情況。YAGI和 SUGIMURA[55]通過數值研究了Rayleigh階梯軸承的彈流動力學性能，表明200 nm的微小變形是形成彈性流體動壓效應的關鍵。該研究結果與蘇彬彬[54]的研究結果一致，揭示了彈性流體動壓潤滑工況下微織構的減摩機制，表明彈性變形會改變原有微織構幾何輪廓，在一定程度上扭曲收斂間隙的形狀，改變流體動壓力的分布，進而影響油膜的承載能力，如圖3所示[56]。

圖3 初始未變形彈性體模型(a)、最終變形彈性體模型(b)[56]

1.4.3 載荷及轉速對微織構減摩性能的影響

織構化彈流摩擦學試驗表明，在彈性流體動壓潤滑條件下，織構只有在低速輕載才會展現出較好的減摩性能，在高速重載條件下不僅不會減小摩擦因數，反而會出現增摩現象[57]。沈錦龍等[58]認為彈性流體動壓潤滑工況下的彈性變形會使織構化接觸表面平坦化，載荷越大、轉速越小，表面平坦化現象愈加顯著，所以在該工況下，低速重載的織構化表面設計必須考慮彈性變形所帶來的影響。YE等[59]指出轉速和載荷決定最小油膜厚度的大小，隨轉速和負載的增大，織構化表面的“集體凹痕效應”增強，薄膜厚度增加；除此之外，轉速和載荷對油膜剛度、傾斜角、泄漏量等參數亦會產生一定的影響，最終影響機械零件的工作壽命。

綜上所述，彈性流體動壓潤滑不同于一般的流體動壓潤滑，其關鍵在于彈性流體動壓工況下不可忽略的彈性變形(與表面不平度處于相同的數量級)。彈性變形影響了試樣表面的幾何輪廓形狀，使得產生動壓潤滑效應所必須的楔形油膜隨之改變，進而影響流體動壓力在織構內部的分布情況。所以，該工況下織構減摩性能的研究，應注重試樣材料選取(通過彈性模量影響形變)及載荷大小(可直接影響形變)對其產生的影響。

基于上述分析，表1總結了不同工況下表面織構的減摩機制。

2 表面織構的幾何設計

理論和實驗研究均表明，表面織構具有減小磨損、改善摩擦性能的作用。研究人員發現不同織構形狀、深度、位置分布以及排列方式等都會對減摩性能造成一定的影響，同一織構類型下必定存在最優的織構參數使其具有最佳的減摩性能，但不同類型織構的減摩機制在一定程度上也有所差異，探究不同織構類型所產生的特有減摩性能具有重大意義。

2.1 單一織構的參數設計

2.1.1 凹坑織構的幾何結構

近年來，凹坑織構作為簡單織構類型中的一種，研究人員對其展開了豐富的研究，但大多數研究主要集中于單個因素的分析，且對凹坑直徑、深度、面積占有率等織構參數所得出的結論不一[60-63]。

凹坑直徑和凹坑深度是衡量織構減摩性能好壞的重要參數，凹坑深度和凹坑直徑均對潤滑油膜的形成起決定性作用，且二者之間存在一定的協同作用，使其減摩機制變得更為復雜。為探究其內部減摩機制，GREINER等[64]從斷裂力學角度出發，探究凹坑深度、直徑對黃銅表面摩擦學性能的影響，研究表明隨著凹坑深度增加，摩擦力出現先增大后減小的趨勢；隨著凹坑直徑增加，摩擦因數逐漸減小。這是由于在載荷作用下，表面出現接觸裂紋，隨著凹坑深度增加，有效剪切剛度減小、應力集中，使得摩擦力增加，當深度達到一定值后，應力減小，靜摩擦力降低；隨凹坑直徑增大，斷裂閾值降低，使得摩擦因數減小。研究表明，凹坑形狀可以精確地控制摩擦因數[65-66]。研究人員深入研究了圓形、正方形、三角形、橢圓形及仿生凹坑形狀，然而尚未找出凹坑形狀參數與摩擦因數之間的規律。凹坑面積占有率亦是提高摩擦學性能重要影響因素之一，在流體動壓潤滑工況下，對油膜承載力起決定性作用；在干摩擦工況下，凹坑面積占有率可增加磨屑進入凹坑內部的概率，進而延遲磨損過程，減小磨損。閆彩等人[67]探究了微凹坑密度對缸套摩擦潤滑性能的影響，試驗表明只有5%～20%的面積占有率才可以起到改善摩擦學性能的作用，其中面積占有率為12%的凹坑試件減摩性能最佳；當面積占有率增大到35%以上時，摩擦因數急劇增大，惡化了表面摩擦性能，故只有合理的面積占有率才能起到良好的減摩效果。

在摩擦磨損的過程中，凹坑織構具有收集磨屑[68-70]，降低磨粒磨損的作用。普遍認為，在潤滑條件下，凹坑織構主要是通過形成楔形油膜實現減摩，油膜力與所施加外載荷抵消，也可以認為每一個微凹坑都相當于一個微型流體動壓軸承，在相互滑動的過程中增強流體動壓力，從而增大油膜力和油膜剛度。凹坑織構在大多數工況下，都具有減摩作用，但在重載條件下所展現出的減摩規律不一，有待于進一步研究?；谏衔姆治觯Σ烈驍禃S著凹坑直徑的變大而減小，但過大或過小的凹坑直徑不利于油膜的形成，從而增大摩擦。所以，并不是所有的凹坑都能稱為織構，受試樣尺寸以及環境等綜合因素的影響。只有合理的凹坑微織構才會具有減摩效果，同時會降低摩擦區域的溫度。此外，相同面積占有率及深度的條件下，不同的凹坑分布布局對其摩擦磨損特性仍有很大的影響。

2.1.2 凹槽織構的幾何結構

凹槽型和凹坑型織構是表面織構的2種基本形式，但相較于凹坑織構，凹槽織構的研究理論相對不完善，所研究的織構參數主要包括：凹槽角度、凹槽深度、凹槽寬度、凹槽邊長、橫向槽間距、縱向槽間距等。相較于凹坑微織構，凹槽織構的織構參數有所增加，且參數間協同作用更加顯著。

研究表明，凹槽織構可以通過儲存磨粒，降低磨粒磨損；凹槽織構表面磨損時所產生的摩擦熱，極易使磨屑膠合，產生“硬相峰”，摩擦過程中率先接觸摩擦表面，起到很好的支撐作用，從而進一步降低摩擦磨損[71]。麻凱等人[72]設計了一種雙螺紋凹槽織構，研究表明合適深度的凹槽會增大油膜厚度，改善油膜潤滑狀態，降低磨損；但不合適深度的凹槽反而會出現增磨的現象。由此可見，織構參數設計具有一定的界限，選擇合適的織構參數意義重大，但上述文獻均未對此做出分析。之后，CHEN等[73]設計了方形、六邊形微凹槽，提出凹槽減摩性能可從流體動壓效應和潤滑油供應兩方面進行分析，進行紋理表面設計時必須考慮凹槽相對運動方向；另外，在干摩擦條件下，出現三角形溝槽摩擦因數普遍大于未織構試樣的現象，但作者未對此給出合理的解釋。王沫陽等[74]通過激光加工出不同間距和夾角的微凹槽織構，并在摩擦磨損試驗機上進行了摩擦學性能試驗，結果表明凹槽夾角對摩擦因數的影響取決于載荷的大小，在給定載荷下，存在最優的夾角使摩擦因數最小，亦存在最優的槽間距使得平均摩擦因數最小，但與凹槽夾角不同的是間距不再受載荷影響。該研究結果恰恰解釋了CHEN等[73]在研究過程中所出現的問題，同時驗證了該文獻的結果。常鐵等人[75]通過化學刻蝕技術在缸套表面加工出3種不同傾斜角的凹槽織構，試驗表明不同傾斜角凹槽織構減摩效果不同，在輕載條件下，部分凹槽會增大磨損。該文獻結論與前述文獻保持一致，即凹槽織構的減摩效果與潤滑油的相對運動方向息息相關，盲目進行溝槽織構的設計往往導致摩擦因數急劇增大，遠大于未織構試樣，原因可能在于不合適的溝槽增大了試樣表面粗糙度，且不合適的溝槽方向使潤滑油沿織構方向發生了一定程度的泄漏，阻礙流體動壓效應，破壞油膜的形成。

溝槽織構設計不同于凹坑織構，部分試驗結果表明合理織構參數的凹槽織構減摩效果普遍高于凹坑織構，但不合適的凹槽織構極易出現增磨現象，該現象的產生主要取決于溝槽織構夾角的設計。基于上文分析可知，織構與潤滑油流向的夾角對織構參數設計時有很大的影響(見圖4[76])，一般認為，垂直于運動方向的凹槽能夠降低啟動速度，更容易滿足流體動壓潤滑的條件，表現出更好的動壓潤滑性能。

圖4 不同夾角的溝槽[76]

2.2 復合織構的參數設計

隨著對織構技術的研究深入，織構化表面的設計成為新興趨勢，復合織構在此背景下誕生，目前主要分為2種：一種是混合型織構，指在同一試樣表面加工不同位置、不同幾何特征的多種織構；另一種為重疊型織構，指首先在某一特定織構區域加工某種織構，后在相同位置按照相同的織構參數加工多種織構。目前，對復合織構的研究較少，不夠深入。

2.2.1 混合型織構

CHEN等[77]通過JFO空化邊界，建立了數學模型，研究了復合織構的流體動壓特性及凹坑織構和凹槽織構之間的耦合效應，研究表明在不同壓力和轉速下，復合織構具有更好的摩擦學性能；通過比較Stribeck曲線，發現復合織構具有更低且穩定的摩擦扭矩。尹必峰等[78]為改善缸套-活塞環摩擦副的摩擦磨損性能，建立了織構化缸套-活塞環混合潤滑理論計算模型，設計槽腔和交叉溝槽2種混合型復合織構，研究表明，復合織構在上止點處通過協同疊加形成局部高壓油膜，在中部區域通過復合織構的協同作用有效地彌補了空化區域油膜壓力的衰減，使得有效承載區域進一步延展；摩擦磨損實驗結果表明，復合織構相較于未織構試樣，摩擦因數降低了48.1%。

2.2.2 重疊型織構

曾繁鏗等[79]利用激光銑削工藝，成功實現凹坑-球凸重疊型復合織構，利用球凸在圓凹坑中的二次動壓效應，增強減摩效果，結果表明凹坑-球凸復合織構摩擦因數較單一圓凹坑微織構下降40%。原因可能是合適的凸起高度增強了凹坑內部的動壓效應，減少了二體磨損。但該研究未明確合理織構參數界限，有待于進一步研究。部分學者設計了多種不同類型的復合織構。如圖5所示[80]，研究結果表明，復合織構主要通過外織構的深度以及摩擦副間隙的大小關系影響其動壓潤滑性能；且內織構分布于潤滑介質流入的一側，對復合織構動壓潤滑特性的提升最大[81-83]。內織構分布位置的不同所起到的不同減摩效果，將對重疊型復合織構設計具有一定指導意義。

圖5 復合織構基本類型[80]

研究一致表明，與單一織構類型相比，復合織構的承載能力顯著提高；相較于前者，壓力分布更加合理，表面動壓潤滑效應更好。復合織構主要是通過影響重疊型外織構深度、內織構位置以及混合型復合織構之間的協同作用，彌補油膜力的衰減，以此增大流體動壓潤滑效應，增大減摩效果。但目前針對復合織構的研究相對較少，尚未得出系統性的結論，以上所提出的減摩理論也有待于進一步驗證。然而，由于復合織構對改善摩擦磨損具有明顯的優勢，勢必成為未來發展的主流趨勢。

2.3 仿生微織構的參數設計

自然界生物經過億萬年的進化，在其體表進化出了不同的體表結構，如鯊魚皮的鱗凸結構、鳥類的流線型羽毛等。各種生物在進化的過程中，已對數以萬計的各種減阻結構進行了自然篩選，所以研究人員可以利用仿生學的方法來尋找答案，仿生摩擦學也隨之誕生。而仿生微織構作為仿生摩擦學的一個主要分支，受到研究人員的廣泛關注。

如圖6所示，仿生微織構的設計主要是針對織構形狀而言，目前主要分為兩類[84]：一類是在進行選定生物輪廓提取之后，進行簡化和模擬得到簡單且有規律的圖形后再進行加工；另一類是通過數據擬合等方法處理圖形，保留原始圖形的基本特征。2種設計方法各有利弊，前者仿生輪廓提取簡單，易于加工，但目前缺乏簡化輪廓的理論支撐，簡化后的輪廓能否保持其原有特性尚未可知；后者雖然能盡最大可能保留其原有的減阻特性，但圖形過于復雜，以樣條曲線為主，目前針對樣條曲線的加工手段尚不完善，不易進行加工。

圖6 仿生微結構[84]

研究表明，仿生織構更容易實現連續潤滑水膜的鋪展和輸運，有利于流體動壓潤滑效應的形成。相對于無織構試樣，仿生織構化試樣最大水膜壓力更大，摩擦因數更小，減摩性能更好[85-86]。HUANG等[87]利用響應面法優化了仿生六邊形結構，研究表明織構化表面的油膜與基體結合更加緊密，潤滑油均勻分散在摩擦副表面，形成厚度約為2.4 μm的油膜，平均摩擦因數降低了20.82%，摩擦因數波動幅度降低了54.35%。李俊玲等[88]自行設計葫蘆形微凹坑，并利用皮秒激光系統對不銹鋼表面進行織構化處理，結果表明葫蘆形微凹坑的摩擦因數明顯低于圓形凹坑試樣及無織構光滑試樣，在潤滑液流動方向上，織構形狀的收斂區間可對流體動壓效應產生一定的影響。倪敬等人[89]采用激光加工技術在拉刀后刀面加工仿雨滴形微織構，并建立雨滴織構減摩潤滑分析模型，試驗表明仿雨滴織構可以加快潤滑液的流動速度，減小流動阻力，可大幅度提高加工效率和加工精度，減緩刀具磨損。上述文獻的結果均再次驗證了仿生微織構優越的減摩性能。

研究普遍認為，仿生織構內部更易形成流體動壓效應，具有更好的減摩性能。仿生織構來源于生物，生物適應環境的影響因素多種多樣，某些特征相互影響，生物自身分泌的活性物質使得織構仿生設計須綜合考慮生物學、材料力學及流體力學等多方面的耦合因素。然而，目前仿生織構設計僅是從幾何結構入手，必然失去了一部分功效。為彌補失去的功效，部分學者開始將仿生織構與涂層減摩等技術進行結合，研究二者之間的減摩協同作用[90-92]。目前研究有所進展，但其協同作用尚不明顯，仍以織構化表面減摩為主，協同作用為輔，有待于深一步的研究。

3 表面織構的加工

隨著織構技術在航空航天、醫療康復、水下機器人等多個領域的應用，人們進行了大量的研究。但如何將織構有效精準地加工到工件表面上，成為了研究的關鍵性問題。評價一種加工方式的優劣，取決于織構加工質量、加工效率和加工成本等因素。目前，表面織構加工技術可以分為兩大類：傳統加工技術和激光加工技術。激光加工是當下表面織構加工技術的主流，具有精度高、誤差小等特點，但受加工材料熔點的限制并會在已加工表面上產生一定的熱影響區，且無法控制加工深度；傳統加工技術相較于激光加工而言精度低、累計誤差大且無法避免，易受銑刀直徑、材料特性的限制，但加工表面相對而言較為光滑平整，加工深度在一定范圍內可以控制。

3.1 傳統加工技術

傳統的織構加工技術主要包括化學刻蝕技術、電解加工技術、數控加工技術、機械壓刻技術、噴丸技術等。

化學刻蝕技術是指利用化學試劑與刻蝕材料發生化學反應實現材料去除的一種加工技術，該技術適應性強、均勻性好，但刻蝕圖形保真較差，刻蝕線寬不易控制。曹磊等人[93]利用化學刻蝕的方法，在45鋼表面刻蝕表面紋理，摩擦滑動試驗表明，在整個滑動期內刻蝕表面均具有低而穩定的摩擦因數，展現出良好的摩擦性能。

電解加工是利用電化學陽極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法，該方法表面加工質量較好，可用于加工薄壁和易變形的零件，但該方法的加工穩定性及加工精度不高。李凱凱[94]利用電解加工技術，在缸套表面加工出幾種不同面積占有率的織構類型，發現織構面積占有率為10%左右時減摩性能更顯著。

超聲加工是指游離于液體中的磨粒在超聲振動作用下不斷撞擊被加工表面，實現工件材料表面逐漸破碎的一種加工技術。該技術不受材料導電性大小的影響，加工表面熱影響小，但受材料硬度的限制，硬度越大的材料越難加工。陶國燦[95]利用超聲振動輔助銑削系統在試樣表面加工出魚鱗狀表面，發現該表面在干摩擦或乏油摩擦條件下均具有較好的減摩性能。

數控加工是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法，起源于航空工業的需要。該方法加工效率高，重復精度高，但設備昂貴，加工成本較高。CHO和PARK[96]利用數控加工技術在聚甲醛表面加工出微織構，試驗表明織構面積占有率為10%時其摩擦因數最低。

氣膜屏蔽微細電解加工技術[97]是在電解噴射的基礎上利用氣液兩相噴嘴，使得電解液從進液口進入連通工具電極與工件。該技術可使材料均勻去除，電解液更新速度快，加工質量高，使用該方法可實現小直徑、大深徑比織構的加工，且加工輪廓清晰，雜散腐蝕少，加工表面粗糙度低。童文俊等[98]利用氣膜屏蔽微細電解加工方法在金屬平面副上加工出不同陣列形貌的微織構，研究表明該加工方法加工出的凹槽織構邊緣點較為光滑，摩擦磨損后，凹槽邊緣幾乎沒有雜散點蝕坑，與原始工件光滑度保持一致且大大提高了表面的摩擦性能。

噴丸是一種廣泛使用的材料表面冷加工方法，可實現表面清理、光潔度加工、成形、校正和機械強化等多種功能，具有操作簡單、耗能少、效率高、適應面廣等優點[99]。周建忠等[100]對鎂合金表面進行噴丸處理，結果表明噴丸周圍未發現燒蝕現象，凹坑深度隨噴丸次數增加呈現先增大后趨于飽和的趨勢，并且噴丸技術能夠提高表面耐腐蝕性，噴丸間距越小，抗腐蝕性能越好。

化學刻蝕技術和機械壓刻技術加工精度較高，但往往需要一些輔助設備，且加工周期長，不適用于大規模零件的加工；電解加工技術、表面噴丸技術以及數控加工技術不需要復雜的輔助設備，加工周期相對較短，但加工精度較低，無法指定深度進行加工，加工誤差較大且無法避免。如以數控加工技術對試樣進行加工時，需要對刀多次，每次對刀誤差在50～150 μm，誤差累積較大且對銑刀直徑及其剛度均有特殊要求，操作不當極易崩刃。故傳統加工技術不受加工試樣熔點的限制，一般用于加工形狀相對簡單、加工精度不高的表面織構。

3.2 激光刻蝕技術

激光刻蝕[101]是一種新興的表面織構加工技術，相較于傳統加工技術，具有加工精度高、加工效率高、無污染等特點，逐漸成為主要的織構加工方式之一[68，102-104]。蘇永生等[105]利用光纖激光器，在硬質合金刀具表面加工出微溝槽及圓形凹坑織構，并分析了激光輸出功率、脈沖頻率及離焦量等參數對微織構形貌和質量的影響，結果表明隨著激光平均輸出功率和頻率的增加，織構溝槽寬度和凹坑直徑隨之增大。何江濤[106]利用飛秒激光技術在軸承鋼表面加工微織構，計算得到飛秒激光閾值，通過織構深度與脈沖參數之間的關系曲線，分析了激光重復頻率、激光掃描速度及掃描次數對微溝槽加工的影響，研究表明只有合適的激光參數才會實現高質量溝槽的加工。XING等[107]利用納秒激光在陶瓷表面加工微織構，同時研究了不同激光工藝參數對微織構特征及幾何形狀的影響，研究表明織構深度隨激光功率的增加呈現上升趨勢，隨掃描速度的增加而降低，原因可能是單位面積能量累積的增加以及激光重疊的減少。劉強憲[108]對脈沖激光表面燒蝕微織構的工藝及激光器系統進行了一系列研究，對激光器的靜態和動態輸出功率、激光脈沖寬度和輸出光斑進行了分析和測量，結果表明隨著激光能量密度的增加，微凹坑直徑呈對數函數關系增加，凹坑深度呈現先增大，后減小最后趨于平穩的趨勢。劉澤宇等[109]研究了光纖激光功率、頻率、掃描速度和掃描次數對陶瓷表面織構質量的影響，得出合理的激光頻率范圍為60～80 kHz，合理的激光掃描次數范圍為1～2 次，合理的激光掃描速度范圍為50～100 mm/s，合理的激光功率為4 W以下。

基于上述分析，表2給出了不同加工方式加工質量對比。

表2 不同加工方式加工質量對比

激光刻蝕技術是通過高光束質量的小功率激光聚焦于極小的焦點上，該焦點具有極高的能量密度，使得材料瞬間蒸發，從而起到材料去除的作用。所以，激光加工的關鍵在于激光焦點高能量密度所產生的高溫能否達到材料熔點，部分激光器(如CO2激光器)由于自身性能差，無法加工高熔點試樣(石墨等)。激光加工微織構的優點在于不需要夾具，減少了一類加工誤差，且基本不受圖形輪廓(樣條曲線擬合圖形除外)的限制，精度高，可進行微納加工，但無法指定加工深度，且加工寬度受激光加工熱影響區的影響，出現大小不一的現象。除此之外，激光加工微織構會產生大量的熔渣，儲存于凹坑內部，不易進行清洗，容易影響研究人員的判斷。由于激光加工去除材料依賴于激光束的燒蝕，因而激光束的掃描間距會決定加工表面的平整度。一般來說，掃描間距越小、激光加工時間越長，表面形貌越好；掃描間距越大、激光加工時間越短，表面形貌越差，且極易形成條紋狀表面。

4 結論與展望

文中從不同工況下織構的減摩性能出發，探究其減摩機制的異同，并分析了相同織構參數在不同工況條件下對機械零件減摩性能的影響程度，總結了不同類型織構的減摩理論，最后對當下織構加工方式優劣進行了分析。表面微織構今后的研究工作可聚焦于以下幾點：

(1)凹槽織構、復合織構的減摩機制尚不完全明確，其研究不夠成熟，還需開展更為深入的織構理論和試驗研究。

(2)表面織構的設計，尤其是仿生織構和復合織構的設計，缺乏設計準則和指導依據，大部分的織構設計都是依賴于研究人員的經驗。

(3)表面織構摩擦學的研究主要針對某種特殊的工況進行，對不同工況下織構減摩性能之間聯系的研究很少，且缺乏對強腐蝕性、真空、重載低速等極端工況的研究。

(4)并不是所有的織構都有良好的減摩性能，只有合理的織構參數才會起到減摩作用，且必然存在最優的織構參數使得其摩擦磨損性能最好。多數研究進行了織構參數的優選，而對減摩織構參數的界限及其影響因素的研究有待深入。

(5)隨著涂層減摩技術和新型潤滑劑的迅速發展，為表面織構的減摩研究開辟了巨大的發展空間。幾種減摩技術和表面織構之間的協同作用將是接下來表面織構摩擦學的研究熱點。