表面织构减阻功能结构制造研究进展

清华大学的邵天敏等在该领域做了大量的研究工 作 ， 提出了基于激光诱发反应的表面织构制备、 基 提出了基于激光诱发反应的表面织构制备、 基于 激光诱发反应 的表面织构制备 掩模沉积的表面织构制备 基于光纤聚焦 的表面织构制备、 光纤聚焦的微观 于 掩模沉积 的表面织构制备、 基于光纤聚焦的微观 表面织构制备等方法。 表面织构制备等方法。
表面织构减阻功能结构制造研究进展
⒈前言（表面功能结构的分类） 前言（表面功能结构的分类） ⒉研究现状（机理、研究方法、应用） 研究现状（机理、研究方法、应用） ⒊发展趋势
前 言
表面功能结构制造是近 年来发展起来的新兴多 表面功能结构制造 是近30年来发展起来的新兴多 是近 学科交叉研究领域。进入21世纪，人类面临的能源危 学科交叉研究领域。进入 世纪， 世纪 环境污染问题日益突出， 机、环境污染问题日益突出，表面功能结构的研究已 经成为国内外许多学科领域的研究热点。 经成为国内外许多学科领域的研究热点。 表面功能结构制造是在物体表面加工制造出具有各 表面功能结构制造是在物体表面加工制造出具有各 种不同形貌、 不同维数、 种不同形貌 、 不同维数 、 不同尺度和不同功能的结 构。
研究手段上主要是侧重于 试验研究。 上主要是侧重于试验研究 在 研究手段 上主要是侧重于 试验研究 。 由于对 表面微结构润滑机理的认识还很有限，难以找到最 表面微结构润滑机理的认识还很有限， 优的结构形式和结构参数，一般是通过经验 经验及 优的结构形式和结构参数 ，一般是通过 经验及反复 试验来确定。 试验来确定。 来确定 比如， 于海武等在试件表面分别加工圆形、 比如 ， 于海武等在试件表面分别加工圆形 、 正 方形和椭圆形的微凹坑阵列， 试验的基础上考察 方形和椭圆形的微凹坑阵列， 在 试验的基础上考察 了微凹坑形状、大小、分布、相对位置等对试件表 了微凹坑形状、 大小、 分布、 面摩擦特性的影响。 面摩擦特性的影响。
表面反应功能结构
图7 在直接甲醇燃料电池中的 不锈钢纤维烧结毡 SEM 图
图8 具有表面微结构的金属纤维烧结毡
表面减阻功能结构，包括表面疏水减阻功能结构 表面减阻功能结构，
图9 具有较好减阻效果的超疏水表 面结构
图10 亚微米超疏水表面结构的滑移 长度测试
图11 液滴滚落测试法及测试结构
图12 K9玻璃表面的光栅结构 玻璃表面的光栅结构
表面织构减阻功能结构的研究现状
传统摩擦理论认为， 传统摩擦理论认为 ， 表面粗糙度影响膜厚均匀 对润滑性能带来不利影响。 但事实上， 性 ， 对润滑性能带来不利影响 。 但事实上 ， 大量的 工程实践和理论研究表明， 工程实践和理论研究表明 ， 摩擦副表面并非越光滑 越好， 具有一定的表面粗糙度或纹理反而有利于润 越好 ， 滑油膜的形成，从而降低摩擦磨损。 滑油膜的形成，从而降低摩擦磨损。
Tonder将表面织构引发的流体动压效应归因于两 将表面织构引发的流体动压效应归因于两 个方面： 一是表面织构区会产生类似Rayleigh轴承 个方面 ： 一是表面织构区会产生类似 轴承 的阶梯效应， 的阶梯效应 ， 二是表面织构会阻碍压力区内润滑油 的流动。 的流动。
杨淑燕等利用自行研发的面接触光干涉油膜厚度 测量系统， 测量系统 ， 对表面凹槽滑块的流体动压润滑油膜厚 度进行了试验测量， 以揭示表面凹槽对油膜厚度的 度进行了试验测量， 影响， 同时采用经典Reynolds方程对油膜厚度进行 影响 ， 同时采用经典 方程对油膜厚度进行 了理论计算。 了理论计算。
就机理而言，研究最为充分的是附加流体动压效 就机理而言，研究最为充分的是附加流体动压效 应理论。 该理论是由Hamilton等人在 等人在1966年首次提 应理论 。 该理论是由 等人在 年首次提 出 。 他们利用光刻蚀的办法获得表面织构， 通过电 他们利用光刻蚀的办法获得表面织构 ， 流的测量判断有效润滑膜的存在。 流的测量判断有效润滑膜的存在。 ETSION等通过激光对摩擦副进行织构化处理 ， 等通过激光对摩擦副进行织构化处理， 等通过激光对摩擦副进行织构化处理 考察其润滑性能的变化， 结果发现， 考察其润滑性能的变化 ， 结果发现 ， 带微孔阵列的 表面比光滑表面具有更好的润滑性能； 表面比光滑表面具有更好的润滑性能 ； 部分表面的 织构化能够十分有效地增加流体动压效应。 织构化能够十分有效地增加流体动压效应。
⒊ 应用
近年来表面织构技术在计算机硬盘、 近年来表面织构技术在计算机硬盘 、 轴承和密 封、发动机系统中得到了成功的应用。 发动机系统中得到了成功的应用。 功的应用
在计算机硬盘和MENS系统中，摩擦副的间隙尺 系统中， 在计算机硬盘和 系统中 度一般处于纳米级甚至为零间隙， 度一般处于纳米级甚至为零间隙 ，因受尺寸效应的 影响在表面产生较大的粘着力和摩擦力。磁性存储 影响在表面产生较大的粘着力和摩擦力。 器的表面通常都进行织构化。 作为MENS系统中 器的表面通常都进行织构化 。 而 作为 系统中 防止粘附和静摩擦的手段，大柔性微结构的形成减 防止粘附和静摩擦的手段 ， 小了系统对静摩擦的敏感性。 小了系统对静摩擦的敏感性。
王晓雷、姜亮等对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能 王晓雷、姜亮等对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能 力及表面织构的影响进行过系统的研究。 力及表面织构的影响进行过系统的研究 。 通过实验 获得的表面织构特征参数对承载能力的影响规律与 按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势, 按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势 , 说明即使在水润滑条件下, 说明即使在水润滑条件下, 通过表面织构获得的流体 水润滑条件下 动压润滑效果也 动压润滑效果也是显著的 。
马晨波等借助计算流体动力学 （ 马晨波等 借助计算流体动力学（ CFD） ， 通过 借助计算流体动力学 ） 建立求解N-S方程的表面织构润滑计算模型的方法 建立求解 方程的表面织构润滑计算模型的方法 研究惯性项对织构表面流体动力学性能的影响规 方程和Reynolds方程在建立求 律，并进一步提出N-S方程和 并进一步提出 方程和 方程在建立求 解流体润滑条件下表面织构润滑计算模型时适用范 围的判据。 围的判据。
MOURIER等对微结构 润滑进行了较为深入的研 等对微结构 等对 微结构润滑进行了较为深入的研 究 ， 探讨了表面上微结构的尺度和形式对润滑效果 的影响。 的影响。 Kovalchenko等通过销 - 盘接触的 等通过销- 盘接触的Stribeck曲线的 等通过销 曲线的 测量研究了表面织构对流体润滑 向 混合润滑转变的 测量研究了表面织构对 流体润滑向 混合润滑 转变的 流体润滑 影响。 影响。
相对于附加流体动压效应理论， 相对于附加流体动压效应理论，边界润滑区域的 附加流体动压效应理论 二次润滑”理论以及干摩擦区域的 以及干摩擦区域的容纳磨损颗粒 “ 二次润滑 ” 理论以及干摩擦区域的容纳磨损颗粒 理论研究较少。 理论研究较少。 研究较少 王晓雷等对边界润滑条件下表面微细织构减摩特 王晓雷等对边界润滑条件下表面微细织构减摩特 表面微细织构 性进行了研究， 性进行了研究 ， 利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了 具有不同密度和深度的划痕点阵， 具有不同密度和深度的划痕点阵 ，并对其在边界润 滑条件下的摩擦性能进行了评价。 滑条件下的摩擦性能进行了评价。
而在贫油润滑条件下 ， 而在 贫油润滑条件下， 织构面的摩擦系数与磨 贫油润滑条件下 损均低于未织构面，Stribenck曲线表明织构面在试 损均低于未织构面， 曲线表明织构面在试 曲线表明织构面 验条件下均处于油膜流体润滑状态， 未织构面则 验条件下均处于油膜流体润滑状态，而 未织构面 则 明显产生了向混合及边界润滑的过渡， 明显产生了向混合及边界润滑的过渡， 说明表面微 坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围； 坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围； 在运行过程 中微坑内贮存的润滑剂通过二次润滑效应补充到对 偶表面形成连续的油膜。 偶表面形成连续的油膜。
⒉ 研究方法
制造技术方面 常见的表面织构化形式 方面， 化形式有机 在 制造技术 方面 ， 常见的表面织构 化形式 有机 械加工、 表面喷丸处理、 等离子刻蚀、 械加工 、 表面喷丸处理 、 等离子刻蚀 、 电子束刻 蚀 、 电火花加工、激光加工和化学法等。其中，激 电火花加工、 激光加工和化学法等。 其中， 光微加工以其高效、织构尺寸精密可控 、 对环境无 光微加工以其高效、 织构尺寸精密可控、 污染等优点广泛应用于表面织构化 污染等优点广泛应用于表面织构化。
胡天昌等利用固体脉冲激光对GCr15钢样品表面 钢样品表面 胡天昌等利用固体脉冲激光对 进行了微坑织构化处理，考察了表面织构参数对其 进行了微坑织构化处理， 摩擦性能的影响。得出如下结论：干摩擦条件下， 摩擦性能的影响 。得出如下结论 ：干摩擦条件下 ， 织构面的摩擦系数均高于未织构面， 织构面的摩擦系数均高于未织构面，而其磨损率均 小于未织构面， 小于未织构面，SEM显示微坑槽起到了捕获磨屑的 显示微坑槽起到了捕获磨屑的 作用； 作用；
表面功能结构按功能，可分为: 表面功能结构按功能，可分为: 按功能 表面附着脱附功能结构
图1 壁虎脚结构
图2 仿壁虎脚碳纳米管阵列结构
表面热功能结构
图3 整体式三维低翅片管
图4 整体式三维高翅片管
图5 具有高深宽比的直齿矩形沟槽管
犁切/挤压成形的交错互通 图6 犁切 挤压成形的交错互通 微沟槽强化沸腾结构
表面织构减阻功能结构
表面脱附减阻功能结构
图14 仿生犁壁
图13 微孔阵列的织构减阻表面
表面减阻降噪功能结构
(a) 表面条纹
(b) 表面凸凹形 (c) 边缘锯齿形
图16 微孔阵列的织构减阻表面
表面功能结构还包括： 表面生物功能结构、 表面功能结构还包括 ： 表面生物功能结构 、 表面 超疏水自洁功能结构、 表面视频隐身功能结构、 超疏水自洁功能结构 、 表面视频隐身功能结构 、 表 面结构色调整功能结构、 面结构色调整功能结构 、 表面仿生耦合功能结构 等。 国内外学者围绕表面功能结构开展了大量的研究 国内外学者围绕表面功能结构开展了大量的研究 表面功能结构 工作， 已从局部工艺性 局部工艺性的加工技术逐步发展到多学 工作 ， 已从 局部工艺性 的加工技术逐步发展到多学 科交叉的整体性设计 制造科学问题及其 整体性设计、 科学问题及其关键技术 科交叉的 整体性设计 、 制造 科学问题及其 关键技术 的研究。 的研究。