纳米织构化表面及其摩擦学
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
Nano-patterns of PMMA with three different aspect ratios on silicon wafer were fabricated using a simple capillarity-directed soft lithographic technique called capillary force lithography（CFL）. PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 聚氨酯丙烯酸酯（PUA）模板
Friction measurements at nano-scale
接触角越小，亲水性越强，这是由于大气 中水冷凝产生的毛细管力在粘着力中贡献 最大。接触角越大，疏水性越强，接触表 面的粘着力越小，摩擦力就越小。另外摩 擦力还与接触面积有关： Ff = τAr, τ is the shear strength, an interfacial property and Ar the real area of contact.
举例：采用聚二甲基硅氧烷 polydimethylsiloxane(PDMS)为 弹性体模板，聚合物用聚苯乙 烯polystyrene (PS)或苯乙烯-丁 二烯-苯乙烯styrene-butadienestyrene (SBS)共聚物。用硅 （100）面作为基底。 通过photolithography or the electron-beam method来得到 PDMS模板。
Friction of chemically and topographically modified Si (1 0 0) surfaces R. Arvind Singh, Eui-Sung Yoon Wear 263 (2007) 912–919
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在硅（100）面上旋转涂胶聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA），利用聚氨酯丙烯酸酯（PUA） 形成印章得到图案化的PMMA图案。
SEM image of nano-patterned polymeric surface (40,000×).
Tribological properties of bio-mimetic nano-patterned polymeric surfaces on silicon wafer E.-S. Yoon, R.A. Singh, H. Kong, B. Kim, D.-H. Kim, H.E. Jeong and K.Y. Suh Tribology Letters, Vol. 21, No. 1, January 2006
An ultraviolet-curable mold for sub-100-nm lithography Se-Jin Choi, Pil J. Yoo, Seung J. Baek, Tae W. Kim, and Hong H. Lee J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 7744-7745
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
制备模板：利用带有 丙烯酸酯基团的预聚 物，在光引发剂作用 下，发生聚合反应， 产生模板，加入释放 剂是为了，使模板容 易分离下来。 制得聚氨酯丙烯酸酯 （PUA）模板。
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Introduction：莲花效应（荷花效应）
在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可 以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。 而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的 “小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在 “山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气 层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气， 只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球 在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。
Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
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纳米织构化表面及其 摩擦学
2012.08.20
Contents
1 2 3 4
Introduction
Topographically modified Si
Chemically modified Si
Experimental
Company Lo断追求制造出尺度越来越小，而性能越来 越完善的微型装置。80年代中后期兴起的微型机械（micro machine）或称 微型机电系统（micro electro-mechanical system, MEMS）的研究集中反映 了这一发展趋势。微型机械具有体积小、质量轻、能耗低、集成度高和智 能化程度高等一系列特点，而被认为在生物、医学、通信、工业、农业、 航空航天、军事等方面有着广阔的应用前景。相对于传统机械而言，微型 机械的摩擦问题显得十分突出，由于尺寸效应的影响，作用在表面上的摩 擦力和润滑膜粘滞力对于微型机械性能的影响要比体积力大很多 。大量研 究表明，有序分子膜技术的发展为解决这一问题提供了新的机遇。根据成 膜的机理不同，主要分为：LB(Langmuir-Blodgett)膜、自组装膜 (selfassembled monolayers，SAMs)、分子沉积膜 (molecular deposition film， MDF)等。由于自组装膜通过化学键与基底结合，因此与LB膜相比，稳定 性较好，其在摩擦学中有更好的应用前景。
Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
第二种方法：利用莲叶和芋叶的复 制法。 PDMS：聚二甲基硅氧烷 PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯 PUA：聚氨酯丙烯酸酯 The step-wise processing sequence of (A) Lotus-like and (B) Colocasialike polymeric surfaces using capillary force lithography.
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Chemically modified Si (1 0 0) surfaces
第一种方法：作者采用射频等离子体辅助化学气相沉积的方法，以苯作为反应气体，在硅（ 100） 面沉积碳膜，依据沉积时间来确定沉积膜的厚度，制得厚度为 100nm和1μm的diamond-like carbon (DLC) films。 第二种方法，作者在羟基化得硅（100）面，通过化学气相沉积二甲基二氯硅烷（DMDC，40℃， 4h）和二苯基二氯硅烷（DPDC，185℃，3h），制得DMDC-SAM和DPDC-SAM薄膜。
修正的Amonton定律：FL=μFN+F0
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Friction measurements at nano-scale
Nano-scale friction tests were conducted using a commercial atomic force microscope (Multimode SPM, Nanoscope IIIa,Digital Instruments).摩擦实验在横向 力显微镜下，应用一个半径为0.5μm的玻璃硼硅酸盐球安装在三角悬臂上（接触 模式，氮化物针尖，弹性常数：0.58 N/m）；载荷：0-80nN，扫描速度2μm/s，扫 描区域：5μm×5μm，每次试验重复15次。 of Si (1 0 0) wafer and DLCs with the applied normal load at nano-scale. Amongst the DLCs, 1μm thick sample has lower contact area than the 100 nm thick sample, which is due to its higher elastic modulus (Table 1).
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Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14
AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究
AlCrN涂层表面微/纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究本文将硬质涂层技术和表面微/纳织构技术两种效应有机结合,提出了微/纳织构化AlCrN涂层表面的设计思路,在研究分析了AlCrN涂层表面微/纳织构制备技术的基础上,采用激光技术在AlCrN涂层表面制备了微米级和纳米级沟槽型织构,系统研究了微/纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性,阐明了微/纳织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,并揭示了其磨损机理。
首先,采用脉冲光纤激光器在AlCrN涂层表面制备了微米级沟槽型织构,分别研究了脉冲功率、扫描速度和扫描次数对微织构深度和宽度的影响,并结合AlCrN涂层的表面特性,优化得到最佳的工艺参数：脉冲功率为12W,扫描速度为200mm/s,扫描一次,并在AlCrN涂层表面制备了深度为3μm,宽度为36μm,不同间距、不同角度的沟槽型微织构。
在分析了飞秒激光加工原理的基础上,采用钛宝石飞秒激光器在AlCrN涂层表面制备了周期性的纳米级沟槽型织构,分别研究了单脉冲能量、扫描速度、扫描间距和扫描次数对纳织构形貌的影响,优化得到最佳的工艺参数：飞秒激光的单脉冲能量为3.5μJ,扫描速度为1000μm/s,扫描间距5μm,扫描次数为1次,并在AlCrN涂层表面制备了深度是200nm,宽度是600nm,面积占有率为100%,50%和25%的三种纳米级沟槽型织构表面。
通过往复式摩擦磨损试验对不同角度、不同间距、不同表面粗糙度的微织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性进行了研究分析,系统分析了沟槽型微织构对AlCrN涂层的摩擦磨损性能的影响。
研究表明：微织构能够提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能,低载荷、高滑动速度和添加润滑剂的条件下,微织构能够更有效的提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能；微织构的形貌对表面摩擦磨损性能有很大的影响,与滑动方向平行的织构角度是最佳的减磨角度,400μm是最佳的微织构间距；降低微织构表面的粗糙度可以有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力,未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损体积。
表面织构改善摩擦磨损性能的研究进展
面都进入完全流体润滑状态 ，织构化钢盘和未织构化 钢盘 的摩擦 因数相差不大 ；织构化钢盘在高速 、高载 和高黏度 润 滑 油 下 有 更 好 的摩 擦 学 性 能。 吕文 斐 等 的研究表 明 ，在 Ｈ ｅ ｒ ｓ ｅ ｙ数较 小 时 ，纹理 表面试
样 的摩擦 因数不如光 滑表 面试样 ，随着润滑 剂黏度 、
ｏ ｏ ｏ Ｏ ● ， Ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ
模量 弹流润滑性 能 的影响 ，结果 表 明：在小 波数 区 ， 粗糙度 的峰高 、波长和相位 的变化对润滑各特征膜厚 的影响十分 明显 ，随着粗糙度的波数增 大 ，粗糙度 的 影 响趋于稳定 ；粗糙度峰高是使膜厚均值和幅值增加 的根本 因素 ，且膜厚均值和幅值基本上等于粗糙度 幅 值 。王顺等人 的实验研 究 表 明，表 面粗糙 度 幅值 在混合润滑时对摩擦力的影响较大 ，且 随速度增加而 增强 ，边界润 滑时影 响很 小。马 国亮等 对不 同粗 糙度条件下硅橡胶 表面织 构润滑特性 的研究表 明 ，在 较低的滑动速度下 ，表 面织构会增大光滑 Ｐ Ｄ Ｍ Ｓ试样 的摩擦 因数 ，但 是会 降 低粗 糙 Ｐ Ｄ Ｍ Ｓ试 样 的摩擦 因 数 ；当摩擦副 处 于混合 润 滑 时，粗 糙 度并 非 越小 越 好 ，而是具有一个最优粗糙度 的范 围。
运行速度 的增大和载荷的减小 ，纹理的引人才 能提高 材料 的摩擦 学性 能 。王顺 等人 的研究 表 明 ，在 弹 流润滑下 ，摩擦因数随着速度降低而减 小 ；在混合润 滑下 ，摩擦 因数 随着 速度 降低 而增 大 ；在边 界润 滑 下 ，摩擦因数随速度降低 变化很小并趋 于某一定值 。
２ ０ １ ３年第 ８期
邱孝聪等 ：表面织构改善摩擦磨损性能 的研究进展
目ｎ ／ 蕾 ｌ ｄ ｕ
表面织构化改善摩擦学性能研究综述
年首次提出， 其利用光刻蚀 的办法获得表面织构 ， 通 过 电流 的测 量 判 断 有 效 润 滑 膜 的存 在 ． 其后 ， Ｅ ｔ ｓ ｉ ｏ ｎ 等Ｌ ２ 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 ， 研 究 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 的部 分 织 构 化 能 够 十分有 效 地 增 加 流体 动 压 效 应 ． Ｔ ０ ｎ ｄ ｅ ” ｊ 将 表 面 织
密封等） 中得到成功应用 ． １ ９ ６ ６ 年， Ｈ ａ ｍ ｉ ｌ ｔ ｏ ｎ 等ｕ 最先通过蚀刻技术在机械
密封 件上制造 出一系列微 观 凸起 ， 并 通过理论 分 析和
构引发的流体动压效应归 因于 ２个方 面： 一是表面 织构区会产生类似 Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ 轴 承的阶梯效应 ， 二是
中图分类号 ： ３ ｔ ｔ ｌ １ ７ 文献标志码 ： Ａ
０ 前
言
多 年来 ， 表 面织构 化 作为 一种 改 善机械 零 件 、 微 ／ 纳 零件摩 擦 学性 能 的有 效手 段 已得 到 广 泛共 识 ． 目 前， 这 种 技术 已在 计算 机 磁 盘 存储 器 、 Ｍ Ｅ Ｎ Ｓ系统 及 机械 行业 （ 内燃 机 活 塞 与气 缸 套 系 统 、 齿轮 、 轴 承 和
实验验证 ， 获得 了最优 的表面织构尺寸， 其研究结果 表明， 这 些微 观 凸起 可 以起 到微 流体 动 压 轴 承 的作
用， 明显增强 了摩擦 副 的承载 能力 ， 降 低摩擦 系数 ． 之 后， 研究人 员又 推 出 了许 多新 的表 面织 构 技术 ， 并 运
用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能 ． 比如， Ｅ ｔ ． ｓ ｉ ｏ ｎ等 ｕ ２ 利用 激 光加 工 技 术 在 机 械 密封 件 接 触 面 上
纳米摩擦学讲座.ppt.deflate
大小为3～15 nm。但有0.5～1.0 μm 的团 聚颗粒。 (2) 在试验范围内，含NGAW添加剂在不同 油品、不同负荷下均能有效地改善油品的 抗磨减摩性能，特别是在较高负荷下改善 效果更为明显。 (3) 含NGAW添加剂润滑条件下的摩擦表面 存在含纳米金刚石的表面膜。
尽管将纳米微粒加入到润滑材料中显示了优 良的性能，但是其中也有问题存在，如纳 米微粒的分散。因为纳米微粒具有大的比 表面积，它们很容易就团聚在一起，而且， 只要它们团聚在一起，再次分散就会非常 的困难。团聚在一起的纳米微粒，非但不 能改善润滑油的摩擦学性能，反而会造成 很严重的破坏
常是在排除粘着力的条件下测定摩擦系数， 分析表面球形粗糙表面产生的犁沟摩擦系 数取决于球形半径和压入的深度，锥形粗 糙峰的犁沟摩擦系数只与锥角度有关。 在微观摩擦学的研究中发现，用圆锥探针 在氯化纳基片上滑动，发现犁沟力随时间 波动变化，同时前方的材料也出现不均匀 移动。
粘着效应
Guo等人采用摩擦力显微镜对高真空条什下
俄罗斯利用纳米金刚石作润滑油添加剂生产了 牌号为N—50A磨合润滑剂，专门用于内燃 机磨合。该产品可使磨合时间缩短50％-90 ％，同时可提高磨合质量，节约燃料，延长 发动机寿命。若用于精密加工机床的润滑， 该油品较普通机床油减少用油50％。
军事装备中的应用：
（1）炸药爆炸法生成的纳米金刚石，颗粒
三、纳米材料
纳米材料是80年代初发展起来的新材料，它 的奇特性能和广阔的应用前景，被誉为跨 世纪的新材料，引起了科学界和企业界的 极大关注和一些政府的高度重视，先后被 列入国内外高技术研究计划。纳米粒子 (<100nm)是介于宏观物质与微观原子或分 子之间的过渡亚稳态物质，具有小尺寸效 应、量子尺寸效应、表面效应与宏观量子 隧道效应等，从而表现出了一些特殊的性 质。
表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展
2020年5月第4J卷第5期Vol.44No.5May2020 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING1X)1:1().11973/jxgccl202005009表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展李甜甜，孙耀宁，张丽，王国建（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047）摘要：表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸，且排列规律的图案.从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。
表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。
介绍了常见的表面织构加工技术，阐述了不同工况下表面织构的减磨机理，总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响.并展望了表面织构技术的未来发展方向。
关键词：摩擦学性能；表面织构；减磨机理；织构形貌；几何参数中图分类号：TH117文献标志码：A文章编号：1000-3738（2020）05-0044-05 Research Progress on Effect of Surface Texturing on Tribological PropertiesLI Tiantian.SUN Yaoning.ZHANG Li,WANG Guojian(School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi830047,China)Abstract:Surface texture technique is a new type surface modification technique*which can effectively improve the tribological properties of materials through machining patterns with a certain shape and size,and with regular arrangement on the surface of materials by micro-fabrication technique.Surface texture plays an important role in mechanical friction pairs because of its outstanding advantages in improving the tribological characteristics of materials.The common texture preparation methods are introduced；the wear reducation mechanism of surface texture under different working conditions is described；the influence of surface texture topography and its geometric parameters on the wear resistance is summarized.The development direction of surface texture technology is prospected.Key words:tribological property；surface texture；wear reduction mechanism；texture topography；geometric parameter0引言摩擦磨损是机械系统中普遍存在的问题，约2/3工程材料损失量和80%机械零部件失效事故都是由摩擦磨损造成的据统计，英国、美国、日本、德国等发达国家每年因摩擦磨损而造成的经济损失占国民生产总值的1%〜2%。
纳米摩擦学简介
纳米摩擦学一、综述摩擦、磨损与润滑是材料表面和界面上的微观动态行为。
它涉及到金属、离子固体、半导体、陶瓷和有机材料等组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、热力学等物理化学过程、以及在非平衡条件下的非线性流动、变形等力学行为。
仅从宏观的、连续介质的角度进行研究，难以深入地了解摩擦学现象和揭示其机理。
纳米摩擦学或称微观摩擦学是在纳米尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及控制。
摩擦学就其性质而言属于表面科学范畴，摩擦过程中材料表面所表现的宏观特性与其微观结构密切相关。
纳米摩擦学研究提供了一种新的思维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构与宏观特性的构性关系。
因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发展进入一个新的阶段。
Dowson在总结20年来摩擦学的重大发展后指出人们已认识到亚微米厚度的润滑膜和表面涂层的重要作用。
现代摩擦学研究正向表面与界面科学和技术的方向发展。
纳米摩擦学（Nano Tribology）又称之为分子摩擦学（Molecular Tribology），迅速成为机械学科的前沿领域。
随着纳米科技的发展而新兴的纳米摩擦学是在原子分子尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、损伤及其控制，成为超精密机械和微型机械研究的重要技术基础之一。
对纳米摩擦学的研究主要集中在纳米润滑与纳米摩擦两方面。
纳米摩擦学旨在原子、分子和纳米尺度下研究摩擦界面之间的摩擦、磨损与粘着行为及机理，设计和制备纳米尺度上的润滑剂和分级薄膜润滑膜，利用LB 膜技术、AFM或FFM等现代表面分析技术揭示边界润滑剂的作用机理，并用计算机进行分子动力学模拟，即建立一个包含大量粒子的离散系统，建立数学和物理模型来模拟摩擦界面。
二、实验仪器为了测量原子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行为，纳米摩擦学的实验常采用表面力仪（Surface force apparatus）和扫描探针技术。
具体有扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和摩擦力显微镜（FFM）。
激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展
激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展李文轩;段海涛;李国政;詹胜鹏;章武林;马利欣;贾丹【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)9【摘要】表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。
近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。
综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。
综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。
总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。
最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。
【总页数】18页(P85-101)【作者】李文轩;段海涛;李国政;詹胜鹏;章武林;马利欣;贾丹【作者单位】武汉材料保护研究所有限公司特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室;湖北隆中实验室【正文语种】中文【中图分类】V261.8;TH117【相关文献】1.激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展2.激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展3.激光表面织构化与固体润滑技术复合处理改善表面摩擦学性能的研究现状4.激光织构对材料表面摩擦学性能影响的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米摩擦学
尺度的磨粒将两表面隔开，实际接触面积仅占表观
接触面积很小的比例；
（b）无磨损的极光滑表面组成的摩擦副，两
表面密合而形成分子接触，他们称这类摩擦为界面
摩擦(interfacial frction)。界面摩擦对于电子计算机
硬件、空间装置和纳米科技的发展日益重要，也是
纳米摩擦学研究的主要对象。
13
2.微观摩擦
28
目录
1.纳米摩擦学及其发展历史 2.微观摩擦 3.薄膜润滑
4.总结
5.参考文献 6.结束语
29
4.总结
纳米科学技术的出现无疑是现代科学技术的一个重大 突破, 由此派生出一系列新的学科, 纳米摩擦学便是其中 之一。纳米摩擦学的出现不但为现代超精密机械与微型 机械的设计、制造与运行提供技术基础, 也对宏观摩擦学 理论的深化有很大促进作用, 进而对机械工业水平的提高 将产生重大影响。所以纳米摩擦学的研究既有重要的理 论意义, 也有广泛的应用前景。
➢ 人建立的考虑表面粘着能影响的弹性接触公式
➢ JKR公式计算。对于半径为r的半球体与平面接触，
➢ 接触面积A与载荷P的关系为:
2
A A0
1 2
1
y 2
1
y
1 2
3
(2-3)＝-P／Ps
➢ Ps＝3πrω
➢ 计算表明, 由JKR公式(2—3)计算的接触面积大于Hertz弹性接
18
2.微观摩擦
宏观摩擦系数和微观摩擦系数
下面是Bhushan和Koinkar做的相关实验。实验中采用 球-盘摩擦实验机和摩擦力显微镜FFM, 对材料的宏观 摩擦系数和微观摩擦系数进行了对比实验。结果如下 表所示。
19
2.微观摩擦
纳米表面工程与摩擦学
3基金项目:国家自然科学基金资助项目(No 150375015)1收稿日期:2006-04-20作者简介:田伟(1981—),男,博士生.E 2mail:tianwei1981@1261com 1纳米表面工程与摩擦学3田 伟 王 铀 王典亮(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨150001)摘要:利用表面工程技术解决摩擦磨损问题具有高效、实用等特点。
随着科学技术的迅速发展,纳米材料和纳米技术在表面工程中得到了广泛应用,由此出现了“纳米表面工程”。
利用纳米表面工程技术制备的涂层和镀层有着非常优异的摩擦学性能。
本文叙述了作者近年来的有关工作,包括热喷涂纳米陶瓷涂层、热喷涂纳米自润滑涂层、纳米陶瓷/聚合物复合涂层、纳米复合电镀层以及纳米电泳沉积层的摩擦磨损特性和机制。
关键词:纳米表面工程;摩擦学特性;涂层中图分类号:T H11711 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)7-182-3Nano Surface Eng i n eeri n g and Tr i bologyTi a n W e i W a ng Yo u W a ng D ia n lia ng(School ofMaterials Science and Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin Heil ongjiang 150001,China )Abstract:surface engineering is an effective and p ractical means t o s olve the fricti on and wear .W ith the development ofscience and technology,nanomaterials and nanotechnology were app lied in surface engineering,s o nano surface engineering appeared.The coatings made by nano surface engineering possess of excellent tribol ogical p r operties .The tribol ogical p r op 2erties of nanostructured coatings were intr oduced .The coatings include ther mal s p rayed A l 2O 3/Ti O 2coatings,ther mal s p rayed sulfide self 2lubricating coatings,A l 2O 3/Poly mer nanoco mposite coatings,electro 2depositi oned nanostructured WC /CoN i coatings and nanostructured N i 2WC 2Co composite coatings .Keywords:nano surface engineering;tribological p roperties;coatings 据不完全统计,世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦,机械零件80%失效原因是磨损。
表面织构化改善摩擦学性能研究综述_张玉周
文章编号:1004-5422(2013)01-0064-04表面织构化改善摩擦学性能研究综述张玉周(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)摘要:表面织构技术已得到国内外科研人员的广泛关注.理论研究和工程实践表明,表面织构化可以显著改善接触表面的摩擦学性能,从表面织构的减摩机理和应用2个方面对织构化提高表面摩擦学性能的研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行展望和预测.关键词:表面织构;流体动压效应;二次润滑;数值分析;综述中图分类号:TH117文献标志码:A0前言多年来,表面织构化作为一种改善机械零件、微/纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识.目前,这种技术已在计算机磁盘存储器、MENS系统及机械行业(内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和密封等)中得到成功应用.1966年,Hamilton等[1]最先通过蚀刻技术在机械密封件上制造出一系列微观凸起,并通过理论分析和实验验证,获得了最优的表面织构尺寸,其研究结果表明,这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作用,明显增强了摩擦副的承载能力,降低摩擦系数.之后,研究人员又推出了许多新的表面织构技术,并运用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能.比如,Et-sion等[2]利用激光加工技术在机械密封件接触面上加工出微凹坑.实验证实,球形凹坑形状最优,且存在一最优的凹坑深径比,使得液膜刚度及PV参数最大.此外,有文献报导,研究人员运用微细电解加工、磨粒喷射、机械微加工、微细特种加工、LI GA等技术分别在多种材料上进行表面织构化处理,并评价了表面织构对摩擦性能的影响,试验结果都证实了表面织构化对表面摩擦学性能的有效改善[3-10,22-24].本文从减摩机理和应用2个方面对表面织构改善摩擦学性能的研究现状进行了综述,并对其发展趋势进行了展望和预测.1表面织构的减摩机理111附加流体动压效应理论附加流体动压效应理论由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蚀的办法获得表面织构,通过电流的测量判断有效润滑膜的存在.其后,E tsion 等[2]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,研究发现,带微孔阵列的表面比光滑表面具有更好的润滑性能,表面的部分织构化能够十分有效地增加流体动压效应.Tonder[11]将表面织构引发的流体动压效应归因于2个方面:一是表面织构区会产生类似Rayleigh轴承的阶梯效应,二是表面织构会阻碍压力区内润滑油的流动.Ko-valchenko[12]等通过销)盘接触的Stribeck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影响.此外,王晓雷等[13]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了系统的研究,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,表明即使在水润滑条件下,通过表面织构获得的流体动压润滑效果也是显著的.112/二次润滑0与容纳磨损颗粒理论相对于附加流体动压效应理论,目前科研人员对边界润滑区域的/二次润滑0理论以及容纳磨损颗粒理论研究较少.王晓雷等[14]对边界润滑条件下表面微细织构减摩特性进行了研究,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,并对其在边界润滑条件下的摩擦性能进行了评价.胡天昌等[15]利用固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了表面织构参数对其摩擦性能的影响,并得出如下结论:干摩擦条件下,织构面的摩擦系数均高于未织构面,而其磨损率均小于未织构面,SE M显示微坑槽起到了捕获磨屑收稿日期:2012-11-16.作者简介:张玉周(1971)),男,博士研究生,高级实验师,从事脆性材料加工技术研究.的作用;而在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均低于未织构面,Stribenck曲线表明织构面在试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,说明表面微坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围,而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.113分歧和不足虽然研究人员对表面织构化减摩机理的研究已取得了重要进展,但目前仍存在一些分歧和不足.1)表面织构之所以能够提高承载力,学者们提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]认为由于织构产生空化从而使织构两边的压力不对称得到承载力,而Tonder[11]则认为是由于织构区域能够在接触区域内存储润滑油,因而较好保持油膜从而得到承载力.2)在流体润滑区域,表面织构是否能够减小摩擦系数,提高摩擦学性能,学者们还没有统一的认识.3)目前科研人员对表面织构化的研究大多是在光滑表面上进行,表面粗糙度对织构表面的润滑减摩性能研究还很缺乏.2表面织构的理论模型与数值分析有学者通过反复试验来分析表面织构化处理对表面摩擦学性能的影响,并确定较优的结构形式和参数[16].但这种研究手段材料消耗大、周期长,研究结果受实际试验条件的限制,不具有普适性,也很难找到最优的结构形式和参数.目前,国内外学者分析了表面织构如何有效改善机械部件(机械密封、滑动轴承、活塞与气缸套系统)、微/纳器件的摩擦学性能,建立了多个表面织构的理论计算模型,并通过数值分析的方法对模型进行求解.这些计算模型,大部分是基于Reynolds方程开展的,而且在一定条件下理论分析结果与试验结果也显示出较好的一致性.但考虑流体惯性项的影响,有学者认为应该采用更精确的N-S方程.数值解法主要为有限元法、有限差分法和有限体积法.其中,有限体积法计算效率和精度更高,近几年发展迅速.Estion[20-23]对机械密封端面的织构化处理进行了理论分析,并建立了具有规则分布的半球形微孔机械密封的物理模型,通过求解Reynolds方程获得了端面间压力分布规律,分析了微孔形状、尺寸、深径比、分布密度等对密封性能的影响,并获得了最优化参数.于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面机械密封的计算模型和边界条件,推导了激光加工多孔端面机械密封的摩擦扭矩表达式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,获得了在不同操作工况和表面微孔结构参数下的密封开启力,得到了产生最大端面动压力时的优化结构参数.赵中等[25]建立了激光加工微孔端面液体润滑机械密封的理论模型,分析了微孔沿圆周和半径方向呈间断扇形分布时的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程获得不同扇形区和微孔结构尺寸参数条件下的端面液膜压力分布,在此基础上计算了液膜刚度、开启力、泄漏量、摩擦扭矩、刚漏比和开漏比等密封性能参数,讨论了各密封性能参数随结构参数的变化规律.郑显良等[26]分析了表面织构对活塞环摩擦学性能的影响,建立了考虑动压效应和挤压效应的一系列微单元织构的流体润滑模型,通过有限差分法求解数学模型,得出了表面织构各参数对缸套活塞环油膜润滑的影响规律.符永宏等[27]基于摩擦学理论和缸套/活塞环的润滑磨损特征,建立了具有规则微观几何形貌特征的缸套内表面润滑理论模型,用变异的多重网格法进行了数值求解,并对微观几何形貌参数进行了初步的优化设计.Brizmer等[28]建立了推力轴承表面织构化的理论模型,并比较了推力轴承全面织构和局部织构的承载能力.此外,裴世源等[17]为解决传统数值方法在求解多尺度织构流体润滑问题时计算速度慢、效率低、规模受限等问题,提出了一种多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法)))有限细胞算法(FCM).马晨波等[18]借助计算流体动力学,通过建立求解N-S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律,并进一步提出N-S方程和Reynolds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别依据.3表面织构化的应用Etsion等[2]最早对机械密封的表面织构进行了系统研究,通过求解Reynolds方程得出端面的流体动压分布及各种工况下的平均压力.研究发现,微凹坑的直径、深度和密度是描述表面织构减摩性能的关键参数,微凹坑的形状影响较小,但深径比对承载能力的影响非常大.研究表明,机械密封的表面织构使得摩擦扭矩减小65%以上,端面温升也远低于未织构化处理.但是,随着机械密封承受的单位载荷和#65#第1期张玉周:表面织构化改善摩擦学性能研究综述压力的提高,摩擦扭矩的减小效应会逐步消失.采用局部高密度的织构化处理,可以改善高压密封件的摩擦学性能,由于减小了2个接触表面的接触压力,摩擦扭矩可减小90%以上.Hoppermann等[29]的研究发现,如果只在机械密封的一个耦合面上进行织构化处理,摩擦力会比未织构化处理减小40%,而如果2个耦合面都进行织构化处理,摩擦力反而会增加100%.Kligerman等[30]研究了表面织构化对气密封摩擦学性能的影响.结果表明,织构化同样能改善气密封的摩擦学性能,摩擦扭矩和端面温升与未织构化处理相比大大减小.但是,最优深径比与液体润滑相比要小得多.此外,研究还发现,在滑动轴承、活塞与气缸套系统上进行织构化处理后,摩擦学性能的改善基本上得到了与机械密封时同样的效果,但仍表现出一些特点.虽然表面织构的形状、深径比及分布密度同样是提高减摩性能和承载能力的关键因素,但Rah-mani等[31]的研究表明,矩形微坑对滑动轴承的摩擦性能影响最大;矩形凸台织构承载能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞与气缸套系统的2个平面摩擦副上进行织构化处理,也能获得良好的动压效果.Ryk等[34]比较了活塞环表面全面和局部织构化对改善系统摩擦学性能的影响,结果表明,全面织构耐摩擦能力相对未织构化处理可提高40%,而局部织构在全面织构的基础上,耐摩擦能力又提高了25%,这主要是因为局部织构产生的是聚集效应,相当于在名义平行表面上提供了一个当量楔形间隙,减小了摩擦.这些结果与机械密封织构化所表现出的明显不同.这可能与表面织构在不同的机械部件上的减摩机理存在差异有关,但目前还未有研究人员就表面织构在不同机械部件上的减摩机理进行比较研究.另外,近年来表面织构改善微观摩擦学性能的研究也取得重大进展,主要体现在表面织构在磁盘存储器和MENS系统上的应用.为了提高存储效率,在磁盘存储器中,磁头和磁盘的间隙现在已降到10 nm左右.同样,在ME NS系统中,摩擦副表面的间隙也是处于纳米级.由于尺寸效应和表面效应,微构件间的表面张力、摩擦力和黏着力成为影响微/纳构件的功能、可靠性和使用寿命的关键因素,改善微/纳构件的摩擦学性能已成为新的研究热点.其中,表面织构化处理已被实践证明是有效手段之一.国内外学者普遍认为,微/纳器件表面的织构化处理之所以能够改善摩擦学性能,主要是因为表面织构化处理可减小摩擦副表面的接触面积,增加接触表面的粗糙度,增强表面的疏水性,从而大大降低了表面的黏着力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技术在计算机硬盘盘片上制造微小隆起或凹坑以减小表面接触,研究结果都证明了表面织构化处理可以有效减小磁头与磁盘表面之间的真实接触面积,从而降低摩擦和黏着力.4发展趋势预测虽然国内外对于表面织构改善摩擦学性能方面的研究和应用较多,但对表面织构减摩机理的认识还存在分歧,理论模型的研究较少,不具有普遍性和通用性.另外,当前表面功能结构正从宏观结构向微结构、纳米结构发展,从单一结构向复合功能结构发展.因此,从目前的研究趋势来看,今后可着重从以下5个方面开展对表面织构的深入研究.1)在机理方面,应更注重表面织构理论模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科学地反映织构制备工艺参数、织构化几何形状及参数等因素与摩擦润滑理论之间的关系.充分利用计算机技术来开展虚拟织构、表面织构仿真等方面的研究.2)揭示复合表面功能结构、微结构及纳米结构条件下表现出有别于单一的、宏观表面功能结构的特殊作用机理,并提出相应的制造方法、建立相关理论.3)发展织构加工技术,提出新的制造理论和方法,扩大表面织构的应用范围.4)表面织构表征方面的研究,尚未见有文献报导.当前,分形理论在摩擦学研究中的应用已成为新的研究热点,是否可以考虑应用分形理论解决表面织构的表征问题,值得探讨.5)在摩擦副运行过程中,表面织构的形貌、参数,表面的接触状态均发生非线性变化,润滑机理和摩擦学性能也会变化,这方面的研究有待进一步深入.参考文献:[1]Hamil ton D B,Halowit J A.A theory o f lubrication by micro ir-regularities[J].Journal of Basic Engineering,1966,88(1):177 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