趙立新,章寶玲,劉 洋*,劉 揚(yáng)

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318;3.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生摩擦和磨損，全球約80%的機(jī)械零件失效都是由摩擦磨損造成的[1-4]，例如螺桿泵中的定子橡膠與金屬轉(zhuǎn)子之間的不斷擠壓和碰撞導(dǎo)致橡膠磨損，造成失效；螺栓和螺母在擰緊過(guò)程中不斷克服摩擦；內(nèi)燃機(jī)的缸套和活塞環(huán)間的摩擦直接影響內(nèi)燃機(jī)的使用性能和壽命等.因此，控制摩擦一直是摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)[5].1966年，Hamilton等[6]最先通過(guò)蝕刻技術(shù)在密封件上制備出微凸起結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論分析和試驗(yàn)證明了這些微觀凸起結(jié)構(gòu)起到流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的作用，從而使摩擦系數(shù)降低，摩擦副的承載能力增強(qiáng).之后，自20世紀(jì)90年代，研究人員對(duì)具有良好的減摩、減阻、減震、抗粘附和疏水性等特性的某些動(dòng)植物表面微觀形貌進(jìn)行顯微鏡觀察，從中發(fā)現(xiàn)他們的表面大多是非光滑的，從而啟發(fā)人們提出了仿生表面織構(gòu).例如：根據(jù)荷葉表面具有超強(qiáng)的疏水性、自清潔和減阻性能，提出仿荷葉樹(shù)枝狀微/納米分層結(jié)構(gòu)表面；沙魚(yú)蜥、螞蟻、甲蟲(chóng)和壁虎等動(dòng)物能夠在各種各樣的表面上爬行，提出仿生螺類表面結(jié)構(gòu)；鯊魚(yú)皮能減少水在皮膚表面流動(dòng)的阻力，提出類鯊魚(yú)皮仿生槽狀結(jié)構(gòu)表面等，并且Mo等[7]不僅總結(jié)了應(yīng)用于航行體上的仿生鯊魚(yú)皮表結(jié)構(gòu)的減阻技術(shù)的減阻機(jī)理，而且提出3D打印制備表面織構(gòu)與減阻表面涂層結(jié)合以精確控制表面形貌實(shí)現(xiàn)減阻.之后，Liu等[8]從摩擦、粘附、磨損和潤(rùn)滑4個(gè)方面總結(jié)了一些生物表面所表現(xiàn)出獨(dú)特的摩擦學(xué)特性，為仿生表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了靈感.Abdel-Aal[9]又系統(tǒng)地總結(jié)了不同陸生脊椎動(dòng)物表面所具有的功能特征與摩擦學(xué)特性的關(guān)系.利用表面織構(gòu)技術(shù)改善摩擦已經(jīng)是工程上最成功的應(yīng)用之一[10-17].例如：Yang等[18]為了控制水下航行器推進(jìn)軸承橡膠板的磨損，在水潤(rùn)滑、低速和過(guò)載條件下，對(duì)比了表面織構(gòu)化和非織構(gòu)化橡膠樣件的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明：表面織構(gòu)化橡膠樣件的摩擦力矩和摩擦系數(shù)均降低了15.5%，且平均每小時(shí)磨損率降低23.3%，既減小了摩擦又提高了耐磨性.

通過(guò)電火花加工、激光加工、表面噴丸處理、微細(xì)電解、化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕、光刻、3D打印、LIGA(分別代表光刻、電鑄、注塑)技術(shù)和納米壓印等方式在材料表面制備出具有一定排列規(guī)則的幾何陣列，即為表面織構(gòu)技術(shù)，能夠有效控制材料表面的摩擦性能[19]，常見(jiàn)表面織構(gòu)制備技術(shù)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)列于表1中.其中激光加工技術(shù)因其加工速度快、適用材料范圍廣和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛.

在過(guò)去的二十年中，已發(fā)表和引用了大量的表面織構(gòu)技術(shù)在控制摩擦方面的文章，如圖1(a)所示，近五年顯著增多并體現(xiàn)了較高的研究潛力，包括機(jī)械工程、冶金工程、航天工程、化學(xué)工程、船舶動(dòng)力工程、光學(xué)、新能源、高新技術(shù)和生物工程等各個(gè)領(lǐng)域.如圖1(b)所示，在機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛，例如：軸承[20-22]、活塞環(huán)[23-24]、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸[25-26]、齒輪[27-28]、機(jī)械密封[29-30]、磁存儲(chǔ)裝置[31]、刀具[32-36]、太陽(yáng)能電池[37]和人工關(guān)節(jié)[38-39]等.但到目前為止，通過(guò)表面織構(gòu)技術(shù)來(lái)控制摩擦的綜述類文章還不多，有關(guān)表面織構(gòu)在刀具上應(yīng)用的綜述接近一半，如表2所列.Etsion[40]最先綜述了激光表面織構(gòu)加工(LST)技術(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響及發(fā)展趨勢(shì).之后，Kusinski等[41]對(duì)波蘭激光加工技術(shù)在材料表面工程中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié).Zhao等[42]詳細(xì)評(píng)述了織構(gòu)化表面在改善宏觀、微觀和仿生摩擦學(xué)等方面的研究進(jìn)展，并指出表面織構(gòu)化存在的問(wèn)題及發(fā)展方向.Qiu等[43]、Zhang等[44]和Li等[45]先后從表面織構(gòu)的形貌、減摩機(jī)理及幾何參數(shù)對(duì)改善摩擦磨損性能的影響及研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié).Gropper等[46]又對(duì)織構(gòu)化表面的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的理論模型進(jìn)行總結(jié).Sharma等[47]和Kumar等[48]分別綜述了表面織構(gòu)化的刀具在車削應(yīng)用方面的最新進(jìn)展.Ranjan等[49]、Arslan等[50]和Chen等[51]進(jìn)一步詳細(xì)地對(duì)表面織構(gòu)化刀具在切削加工性能中的作用進(jìn)行綜述.Arumugaprabu等[52]又總結(jié)了不同材料刀具表面織構(gòu)的磨損性能.Gachot等[53]對(duì)不同潤(rùn)滑條件下表面織構(gòu)的減摩效果進(jìn)行了詳細(xì)的論述.Rosenkranz等[54]批判性地總結(jié)了應(yīng)用于機(jī)械元件的表面織構(gòu)技術(shù)的現(xiàn)狀.Wan等[55]討論了激光表面織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響及現(xiàn)狀.隨后，Mao等[56]又詳細(xì)地綜述了激光表面織構(gòu)加工(LST)技術(shù)在提高材料摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展.除表1中所列出的這些，其他關(guān)于表面織構(gòu)化的研究進(jìn)展還可參照文獻(xiàn)[57-61].

表1 常用表面織構(gòu)制備技術(shù)適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Application scope,advantages and disadvantages of common surface texture preparation technologies

表2 改善材料表面摩擦性能的綜述清單Table 2 Review list of improving the friction properties of material surface

Fig.1 Research progress and application of surface texturing techniques in friction control in recent 20 years.Obtained from the Web of Science Core Collection with the following keywords: surface texture ,friction and tribological (Check on Nov 3,2020)圖1 近20年表面織構(gòu)技術(shù)在控制摩擦上的研究進(jìn)展及應(yīng)用領(lǐng)域

為提高表面織構(gòu)的減摩效果，已進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)出了多種理論模型、優(yōu)化方法及試驗(yàn)方法.Mao等[62]在空化作用下，利用織構(gòu)參數(shù)建立了RSM(雷諾應(yīng)力模型)和BP-GA(反向傳播-遺傳算法)混合模型預(yù)測(cè)摩擦系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用兩種模型獲得的值與試驗(yàn)值高度相似，因此，在以后的研究中可通過(guò)借鑒此方法來(lái)確定最佳表面織構(gòu)參數(shù)的值，但無(wú)法精確地預(yù)測(cè)出表面織構(gòu)對(duì)材料表面摩擦學(xué)性能的影響.因此，本文作者從優(yōu)化表面織構(gòu)幾何特征和工況條件兩個(gè)方面系統(tǒng)地對(duì)改善材料表面的摩擦學(xué)性能展開(kāi)論述，如圖2所示.

1 減摩機(jī)理及理論模型

在不同摩擦形式下，表面織構(gòu)的減摩機(jī)理也不同[63-64].根據(jù)潤(rùn)滑膜的厚度與摩擦副表面粗糙度的關(guān)系，摩擦形式可分為干摩擦、邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑，對(duì)減摩機(jī)理的深入研究能夠科學(xué)地反映表面織構(gòu)的幾何特征及工況條件與理論之間的關(guān)系.

目前，能夠解釋不同摩擦形式下表面織構(gòu)的減摩機(jī)理有以下幾種：(1)在干摩擦下，表面織構(gòu)的存在能有效儲(chǔ)存摩擦副表面相互摩擦?xí)r脫落下來(lái)的磨粒和磨屑，延遲磨損過(guò)程，與此同時(shí)，還能有效減少摩擦副表面間的實(shí)際接觸面積，減少固體間的直接接觸，進(jìn)而起到降低摩擦和減小磨損的作用，如圖3(a)所示；(2)在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑下，摩擦副在一定載荷作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使表面發(fā)生一定的擠壓變形，儲(chǔ)存在表面織構(gòu)內(nèi)的潤(rùn)滑液被擠壓出來(lái)，使表面織構(gòu)起到“二次潤(rùn)滑”的作用[65]，既能減小摩擦，還能在一定程度上防止咬合，如圖3(b)所示；(3)在流體潤(rùn)滑下，表面織構(gòu)的減摩機(jī)理是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑又常伴隨“空化”現(xiàn)象，在“擠壓”[66]和“空化”[67]作用下又提高了潤(rùn)滑膜的承載能力，如圖3(c)所示，右側(cè)為產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)的流體膜放大示意圖.

Fig.2 Optimization means of improving tribological properties by surface texturing圖2 表面織構(gòu)提高摩擦學(xué)性能的優(yōu)化方法

Fig.3 Schematic illustration of antifriction mechanism of surface texturing under different lubrication conditions圖3 不同潤(rùn)滑條件下表面織構(gòu)的減摩機(jī)理示意圖

除這些作用外，滑動(dòng)過(guò)程中潤(rùn)滑膜的形成對(duì)表面織構(gòu)的摩擦行為也起著重要的作用[68].不同的潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)潤(rùn)滑膜的形成發(fā)揮著不同的作用，Xu等[69]分別研究了流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑下橢圓形織構(gòu)表面潤(rùn)滑膜的形成對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在流體潤(rùn)滑下，有、無(wú)織構(gòu)的表面摩擦系數(shù)相近，說(shuō)明在流體潤(rùn)滑下是表面吸附的潤(rùn)滑油膜主導(dǎo)了摩擦學(xué)行為而非織構(gòu)；而在邊界潤(rùn)滑下，帶織構(gòu)表面的樣件磨損量有所降低，說(shuō)明在邊界潤(rùn)滑下是潤(rùn)滑膜的形成起主導(dǎo)作用.然而，對(duì)于1個(gè)特定的應(yīng)用，不同的工況條件通常不能事先明確選取最佳的織構(gòu)特征，因此，應(yīng)更多地研究表面織構(gòu)的理論模型，充分利用計(jì)算機(jī)開(kāi)展虛擬織構(gòu)仿真技術(shù)，減少多次重復(fù)性試驗(yàn).Etsion團(tuán)隊(duì)[70-74]最早為機(jī)械密封環(huán)、氣體密封、平行推力軸承和活塞環(huán)等應(yīng)用開(kāi)發(fā)了理論模型，這些模型主要針對(duì)金屬表面和彈性表面(如O形環(huán))，利用雷諾方程和彈性體變形彈性方程，為這些應(yīng)用開(kāi)發(fā)了軟彈流體動(dòng)力潤(rùn)滑模型.但是雷諾潤(rùn)滑方程的應(yīng)用范圍是假定潤(rùn)滑膜上的壓力和慣性力忽略不計(jì)，用于兩個(gè)表面之間流體潤(rùn)滑膜的數(shù)值研究[71].當(dāng)考慮粗糙度或曲面織構(gòu)時(shí)，Patir和Cheng[75]提出了平均模型或均勻化數(shù)字模型，但經(jīng)大量研究表明，此模型和雷諾方程對(duì)于深層表面織構(gòu)或高流速等許多應(yīng)用無(wú)效，無(wú)法計(jì)算出準(zhǔn)確的壓力分布[76-77].隨后，Biboulet等[78]又提出一種利用Fischer-Burmeister方程進(jìn)行互補(bǔ)的具有質(zhì)量守恒的等黏-剛性雷諾方程，可應(yīng)用于幾個(gè)凹坑表面織構(gòu)的模型.Rom和Müller[79-80]基于雷諾方程的修正又提出的新型Navier-Stokes模型且比雷諾方程和斯托克斯方程提供更精確的結(jié)果，可適用于深層表面織構(gòu)和高速流動(dòng)場(chǎng)合，但在邊界條件的設(shè)置上仍有改進(jìn)空間，因此，還可以通過(guò)對(duì)單元問(wèn)題應(yīng)用簡(jiǎn)化方法對(duì)理論模型進(jìn)行更深入的研究.

2 通過(guò)優(yōu)化織構(gòu)幾何特征改善摩擦學(xué)性能

材料表面的摩擦學(xué)性能會(huì)很大程度地受到表面織構(gòu)幾何特征的影響，包括織構(gòu)形狀、直徑、深度、面密度和排列方式.如果表面織構(gòu)的幾何特征設(shè)計(jì)不合理，可能不會(huì)起到改善摩擦性能的作用，甚至比無(wú)織構(gòu)表面產(chǎn)生更高的磨損[81].因此，表面織構(gòu)幾何特征參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)摩擦學(xué)性能有顯著影響.

2.1 織構(gòu)形狀

表面織構(gòu)的形狀已被證明可以精確地控制摩擦[82]，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征分為離散型和連續(xù)型，離散型的結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為凹陷型或凸起型且不連續(xù)的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，以圓形凹坑為代表.近年來(lái)，隨著對(duì)織構(gòu)形狀的不斷創(chuàng)新，研究人員也深入研究了橢圓、三角形、六邊形、箭頭形、半球形、“星形”、“水滴形”及組合形等對(duì)摩擦特性的影響[64,69,83-88].連續(xù)型的結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為平行或交叉的凹陷型且連續(xù)的溝槽結(jié)構(gòu)[89].例如：Pang等[90-91]提出了兩種新型溝槽結(jié)構(gòu)，一種是新型對(duì)稱圓錐凹槽織構(gòu)，一種是錐形微槽織構(gòu).

織構(gòu)形狀對(duì)表面摩擦性能的影響由摩擦副表面固有特性和潤(rùn)滑形式?jīng)Q定，不同織構(gòu)形狀在不同材料及不同摩擦形式下所表現(xiàn)的摩擦特性不同.例如：He等[92]研究了干摩擦下的溝槽形和柱形表面織構(gòu)對(duì)聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，與較大尺度的結(jié)構(gòu)相比，具有相對(duì)較小尺度的結(jié)構(gòu)表面織構(gòu)減摩效果更好.之后，Scaraggi等[82]又對(duì)比了油潤(rùn)滑下鋁合金表面凹坑織構(gòu)和凹槽型織構(gòu)的摩擦性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：凹坑織構(gòu)的減摩效果明顯優(yōu)于凹槽型織構(gòu).此外，Hu等[19]在織構(gòu)形狀上進(jìn)行了創(chuàng)新，在熱塑性聚氨酯(TPU)試樣表面制備出了一種新型球凸形表面織構(gòu)，可以有效改善水潤(rùn)滑下TPU表面的摩擦性能，且當(dāng)面密度為38%時(shí)，1/3球凸形表面織構(gòu)的摩擦系數(shù)能降低64.47%.在流體潤(rùn)滑下，凹槽形狀深度的波動(dòng)起伏與流體的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)有關(guān)，波動(dòng)幅度越小，即溝槽底部越平整，流體的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)則越好.例如：王國(guó)榮等[93]對(duì)比四種溝槽形織構(gòu)的減摩效果，如圖4所示為四種溝槽形狀油膜厚度示意圖，從圖5中可以看出，矩形溝槽的承載能力最好，摩擦系數(shù)最小，橢圓形和內(nèi)凸階梯型相差不大，而V 型溝槽效果最差.

Fig.4 Schematic diagram of the dimensionless oil film thickness of grooved texture with different shapes[93]圖4 不同形狀溝槽形織構(gòu)無(wú)量綱油膜厚度示意圖[93]

Fig.5 Influence of the change of surface texture shape and depth on the dynamic pressure lubrication effect[93]圖5 表面織構(gòu)形狀和深度的變化對(duì)動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)的影響[93]

此外，在選擇并優(yōu)化表面織構(gòu)形狀時(shí)，值得注意的是，應(yīng)避免選擇相同的幾何參數(shù)值進(jìn)行比較，因?yàn)檫@些選定值可能遠(yuǎn)不是某些形狀的最佳值，從而并未選出最佳形狀.因此，正確的方法是先根據(jù)每個(gè)形狀的參數(shù)單獨(dú)優(yōu)化每個(gè)形狀，然后再比較單個(gè)優(yōu)化來(lái)的不同形狀，從而優(yōu)選出最佳的織構(gòu)形狀[72].

2.2 織構(gòu)直徑和深度

織構(gòu)直徑和深度是影響摩擦學(xué)性能的重要參數(shù)[94-95].在流體潤(rùn)滑下，深度大小對(duì)潤(rùn)滑膜的形成起決定性作用，當(dāng)深度較淺時(shí)，潤(rùn)滑膜厚度會(huì)顯著增加，而深度較深時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑膜厚度局部減小[96]，此結(jié)論與Kaneta等[97]的研究結(jié)果一致.對(duì)于不同工況條件，織構(gòu)深度和直徑也存在1個(gè)最佳比值[98].織構(gòu)的直徑和深度并非越大越好，當(dāng)深徑比高到一定程度時(shí)，凹坑內(nèi)就容易形成微旋渦，影響流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用；當(dāng)直徑過(guò)大時(shí)，凹坑可近似為平板，無(wú)法產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，從而失去意義.Arsland等[99]通過(guò)對(duì)非晶態(tài)氫化金剛石類碳(DLC)試樣在油潤(rùn)滑下的摩擦試驗(yàn)證明了只有在合適的織構(gòu)深徑比下才能有效改善表面摩擦學(xué)性能.此外，Greiner等[81]從斷裂力學(xué)的角度深入研究了黃銅表面凹坑直徑和深度對(duì)黃銅表面的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)隨凹坑直徑的增加，靜摩擦力逐漸減?。浑S凹坑深度的增加，靜摩擦力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).這是由于在載荷作用下，凹坑表面存在接觸裂紋，隨凹坑直徑的增大，斷裂閾值會(huì)大幅降低，從而導(dǎo)致靜摩擦力減小；隨凹坑深度的增加，有效剪切剛度減小，應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致靜摩擦力增加，當(dāng)深度到達(dá)一定值后，表面應(yīng)力減少，從而靜摩擦力又降低[100].

通過(guò)試驗(yàn)方法找到不同織構(gòu)形狀和工況條件下的最佳深度和直徑比較耗時(shí)，且工作量較大，因此，采用數(shù)值分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法會(huì)更省時(shí)可靠.以典型的優(yōu)化方法為例，Liu等[63]通過(guò)建立三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，利用單因素法和正交法相結(jié)合，從潤(rùn)滑劑流動(dòng)的壓力分布和速度分布全面分析了凹坑深度和直徑與摩擦系數(shù)、升力系數(shù)以及阻力系數(shù)的關(guān)系，以及二者與面密度之間的相互作用對(duì)摩擦學(xué)性能的影響.圖6(a)為利用Zeta-20-3D三維表面輪廓儀測(cè)量的表面織構(gòu)微觀形貌.優(yōu)化凹坑深度時(shí)，直徑保持200 μm不變，如圖6(b)所示，摩擦系數(shù)隨深度的增加先顯著降低后略有增長(zhǎng)，而升力系數(shù)與摩擦系數(shù)曲線呈相反關(guān)系，在深度為30 μm時(shí)摩擦系數(shù)最??；優(yōu)化凹坑直徑時(shí)，選擇最佳深度30 μm不變，如圖6(c)所示，各曲線變化趨勢(shì)與深度相同，因此可找到最佳的凹坑直徑為400 μm.之后再通過(guò)正交法分析直徑、深度和面密度之間相互的影響程度，發(fā)現(xiàn)在不同操作條件下，影響的程度為面密度＞直徑＞深度，且深度與直徑的相互影響程度又隨潤(rùn)滑膜厚度的增加而增大.因此，幾何因素之間的相互作用對(duì)摩擦學(xué)性能的改善也至關(guān)重要，利用此優(yōu)化方法，可以得到不同工況下不同形狀的最優(yōu)幾何參數(shù).但到目前為止，在此方面的研究還相對(duì)較少，仍需大量工作.除此之外，還應(yīng)注意的是：即便在相同工況條件下，不同材料的最佳深度和直徑等因素的值也可能相差很大，因此，利用數(shù)值分析得到的結(jié)果僅對(duì)試驗(yàn)參數(shù)提供參考.

目前對(duì)于織構(gòu)深度的研究大部分都是底部對(duì)稱剖面，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的有效剪切力降低，產(chǎn)生的“空化”作用使法向力的測(cè)量不準(zhǔn)確.因此，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)有必要考慮織構(gòu)底部的不對(duì)稱性，以便準(zhǔn)確地確定織構(gòu)產(chǎn)生的法向力，并獲得最佳摩擦性能.例如：Schuh等[101]在自制的摩擦裝置上進(jìn)行不同表面織構(gòu)深度的剖面對(duì)摩擦性能的影響試驗(yàn)，分別測(cè)試了無(wú)織構(gòu)、對(duì)稱深度剖面和不同傾角的深度剖面(傾角分別為5.3°、9.4°、14°和21.7°)，如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)潤(rùn)滑膜厚度為269 μm，織構(gòu)底部?jī)A角為5.3°時(shí)摩擦系數(shù)最低.此試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為后續(xù)研究者在不對(duì)稱深度表面織構(gòu)的研究提供參考.

Fig.6 (a) Micromorphology of the dimples textured surface.(b) Influence of dimples depth on surface tribological properties.(c)Influence of dimples diameter on surface tribological properties[63]圖6 (a)凹坑表面的微觀形貌；(b)凹坑深度對(duì)表面摩擦學(xué)性能的影響；(c)凹坑直徑對(duì)表面摩擦學(xué)性能的影響[63]

Fig.7 Photographs and depth profile diagrams of the three surfaces tested: (a) Untextured surface; (b) Symmetrical depth textured surface; (c) Asymmetric depth textured surface (21.7° inclination) [101]圖7 測(cè)試三種表面的照片和深度剖面示意圖：(a)無(wú)織構(gòu)表面；(b)對(duì)稱深度織構(gòu)表面；(c)不對(duì)稱深度織構(gòu)表面(傾角21.7°)[101]

2.3 織構(gòu)面密度

織構(gòu)面密度是提高摩擦學(xué)性能重要的幾何因素之一，對(duì)承載能力起決定性作用[63,102-104].在干摩擦、邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑下，織構(gòu)面密度直接影響表面的接觸面積和磨損顆粒的捕捉能力.在一定范圍內(nèi)，隨面密度的增大，摩擦系數(shù)逐漸減小.例如：Shimizu等[105]在干摩擦、速度0.45 m/s和載荷0.5 N條件下，研究不同織構(gòu)面密度對(duì)黃銅板摩擦學(xué)性能的影響，面密度分別為40%、25%和10%，如圖8所示，從摩擦后的顯微圖像和曲線中能看出，40%的面密度磨損程度最輕，摩擦系數(shù)最小，即摩擦學(xué)性能最好.在流體潤(rùn)滑下，織構(gòu)面密度直接影響接觸表面的應(yīng)力分布，從而影響潤(rùn)滑形式、表面承載能力及減摩程度.根據(jù)大量研究結(jié)果表明，一般情況下，凹陷形織構(gòu)的面密度在較低范圍內(nèi)，減摩效果較好，隨面密度的增大，摩擦系數(shù)一般呈現(xiàn)先快速減小后緩慢減小的趨勢(shì)，這是由于織構(gòu)所儲(chǔ)存的潤(rùn)滑劑提供的動(dòng)壓潤(rùn)滑作用增強(qiáng)使摩擦系數(shù)快速降低，當(dāng)面密度增大到一定程度時(shí)，織構(gòu)表面的接觸應(yīng)力也隨之增大，制約摩擦系數(shù)的降低，加劇磨損[94]，對(duì)于凸形表面織構(gòu)，也具有相似的結(jié)論.Hu等[19]研究了面密度為25%、31%、38%和44%的球凸形表面織構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)面密度在31%和38%時(shí)，減摩效果能達(dá)到63.34%和64.47%，而低面密度的球面凸形表面織構(gòu)不利于提高潤(rùn)滑膜的承載能力，面密度過(guò)大也會(huì)直接阻礙連續(xù)潤(rùn)滑膜的形成.面密度對(duì)潤(rùn)滑形式的轉(zhuǎn)變也起到了重要的影響作用，例如：Kovalchenko等[106-107]的研究表明，與較高的織構(gòu)面密度(30%和40%)相比，較低的面密度(7%和12%～14%)更利于潤(rùn)滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.

Fig.8 Microscopic images of dry friction of copper plates with different texture densities: (a) 40%; (b) 25%; (c) 10%; (d) Influence of texture density on friction coefficient[105]圖8 不同面密度黃銅板干摩擦后的顯微圖像：(a) 40%；(b) 25%；(c) 10%；(d)面密度對(duì)摩擦系數(shù)的影響[105]

然而，織構(gòu)面密度受到材料、溫度及操作條件等因素的影響很大.例如：Henry等[108]對(duì)青銅推力軸承和XC38鋼轉(zhuǎn)輪在超高速(2 000和6 000 r/min)和超高壓(1000～5000 N)下進(jìn)行流體潤(rùn)滑的摩擦試驗(yàn)，如圖9(a)所示，在青銅表面制備出方形表面織構(gòu)，對(duì)比研究三種面密度(16%、25%和56%)的摩擦學(xué)性能，從圖9(b)能看出，低面密度(16%和25%)的織構(gòu)摩擦力明顯高于高面密度(56%)的織構(gòu)，說(shuō)明對(duì)于青銅表面在超高速高壓下，高面密度能有效改善摩擦.

在流體潤(rùn)滑下，優(yōu)化常見(jiàn)織構(gòu)形狀面密度的參考范圍如下：圓形凹坑織構(gòu)，面密度在5%～35%之間[94,104]；橢圓形織構(gòu)，面密度在10.6%～14.1%之間[69]；六邊形織構(gòu)，面密度為25%時(shí)，摩擦系數(shù)可降低41%[64]；球凸形織構(gòu)，面密度在30%～40%之間[19].考慮不同材料和織構(gòu)形狀等因素，還需要針對(duì)特定的工況條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

Fig.9 (a) Textured pad-texture density of 25%; (b) Variation of the friction torque versus load at 2000 r/min; (c) Variation of the friction torque versus load at 6 000 r/min[108]圖9 (a)面密度為25%的青銅表面方形織構(gòu)；(b) 2 000 r/min時(shí)摩擦力矩與載荷的變化；(c) 6 000 r/min時(shí)摩擦力矩與載荷的變化[108]

2.4 織構(gòu)排列方式

凹槽的排列方式對(duì)表面的摩擦學(xué)性能有較大影響，Wang等[109]研究了邊界潤(rùn)滑下凹槽傾斜角度(45°和90°)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，90°凹槽對(duì)摩擦性能的改善更優(yōu)于45°凹槽.織構(gòu)角度也與直徑、深度以及形狀等因素相互影響，Suh等[89]在SKD11鋼件上制備出了5種不同角度的交叉凹槽表面織構(gòu)，如圖10(a～b)所示，研究其在流體潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能，結(jié)果如圖10(c～d)所示，凹槽寬度在40和70 μm下的最佳交叉凹槽角度分別為60°和40°，說(shuō)明交叉凹槽的角度與寬度相互影響，且摩擦系數(shù)也相差較大.

此外，多邊形織構(gòu)的排列方式也會(huì)對(duì)摩擦性能產(chǎn)生不同程度的影響.例如：Zhong等[64]利用MATLAB建立了兩種排列方式(0°和90°)的六邊形織構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，從數(shù)值分析結(jié)果來(lái)看，圖11(a)和(c)所示為“X”型單元角度(0°和90°)的無(wú)量綱膜厚，圖11(b)和(d)、(e)和(h)分別為兩種方向(0°和90°)織構(gòu)產(chǎn)生的潤(rùn)滑膜壓力分布和流速分布，能看出兩種方向產(chǎn)生潤(rùn)滑膜壓力的位置和大小都不同，且從A-A截面和B-B截面上的流速分布來(lái)看，對(duì)潤(rùn)滑劑的流速分布和大小也產(chǎn)生影響.試驗(yàn)結(jié)果顯示：90°比0°方向的六邊形織構(gòu)承載能力更高、摩擦系數(shù)更小.

表面織構(gòu)在制備與設(shè)計(jì)上可能存在偏差，不同材料表面的粗糙度也會(huì)對(duì)摩擦性能產(chǎn)生較大影響[34,110-111].許多研究者都在尋找表面織構(gòu)的最佳幾何參數(shù)，但影響其發(fā)揮作用程度的因素很多，包括材料、粗糙度及工況條件等，甚至各幾何參數(shù)之間也相互影響.以上所找到的具有最佳減摩效果的幾何參數(shù)都對(duì)應(yīng)于各自文獻(xiàn)的工況條件，但所得到的一般性規(guī)律可適用其他情況，且在形狀設(shè)計(jì)、模擬優(yōu)化方法、實(shí)驗(yàn)方法及各幾何參數(shù)的優(yōu)化范圍等方面可為后續(xù)研究提供參考價(jià)值.

3 通過(guò)優(yōu)化工況條件改善摩擦學(xué)性能

盡管通過(guò)表面織構(gòu)幾何特征的優(yōu)化可以起到改善摩擦的作用，但最佳減摩程度在很大程度上還取決于工況條件，相同的幾何參數(shù)在不同的工況條件下也會(huì)產(chǎn)生不同的影響.甚至在某些條件下，如往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，一些織構(gòu)的作用會(huì)造成大量的磨損.因此，需要通過(guò)優(yōu)化工況條件進(jìn)一步改善摩擦學(xué)性能.

Fig.10 (a) SEM micrograph of SKD11 steel textured surface.(b) Partial enlarged detail.(c) The relationship between the friction coefficient and the angle of cross-grooves at a width of 40 μm.(d) The relationship between the friction coefficient and the angle of cross-grooves at a width of 70 μm[89]圖10 (a)SKD11鋼織構(gòu)表面SEM顯微圖像；(b)局部放大圖；(c)寬度為40 μm時(shí)的摩擦系數(shù)與交叉凹槽角度的關(guān)系；(d)寬度為70 μm時(shí)的摩擦系數(shù)與交叉凹槽角度的關(guān)系[89]

Fig.11 Numerical simulation results at θ=0° and 90° (Sp=12%,hg=10 μm,U=0.8 m/s) [64]圖11 在θ=0°和90°的數(shù)值分析結(jié)果 (Sp=12%,hg=10 μm,U=0.8 m/s)[64]

3.1 摩擦形式

摩擦形式對(duì)摩擦特性的影響更加顯著[69]，摩擦形式包括干摩擦、流體潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑(半干摩擦、半流體潤(rùn)滑)和固體潤(rùn)滑.流體潤(rùn)滑的摩擦是由流體的黏滯阻力或流變阻力引起的；邊界潤(rùn)滑是指摩擦副表面間有1層極薄的潤(rùn)滑膜，摩擦特性取決于兩表面間的特性和潤(rùn)滑特性；半干摩擦是指在摩擦過(guò)程中部分進(jìn)行干摩擦，部分進(jìn)行邊界潤(rùn)滑；半流體潤(rùn)滑是指在摩擦過(guò)程中部分進(jìn)行邊界潤(rùn)滑，部分進(jìn)行流體潤(rùn)滑.

3.1.1 液態(tài)潤(rùn)滑劑

近年來(lái)已有不少研究者對(duì)水、不同黏度的潤(rùn)滑油及含砂油等作為液態(tài)潤(rùn)滑劑對(duì)流體潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑進(jìn)行對(duì)比分析[112-115]，一般來(lái)說(shuō)，高黏度潤(rùn)滑油比低黏度潤(rùn)滑油具有更好的流體動(dòng)壓效果[116]，且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)高黏度潤(rùn)滑油更容易使?jié)櫥瑺顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變[117].Hu等[118]的研究還發(fā)現(xiàn)在高黏度潤(rùn)滑油下，隨滑動(dòng)速度和附加載荷在一定程度的增加，減摩效果更加明顯.

一般情況下，流體潤(rùn)滑比邊界潤(rùn)滑具有更好的摩擦性能.例如：Grabon等[119]在流體潤(rùn)滑下，對(duì)缸套帶織構(gòu)表面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)能使摩擦系數(shù)減少30%，而在邊界潤(rùn)滑條件下只有輕微的改善.Xu等[69]研究了橢圓形表面織構(gòu)在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，如圖12(a～b)和圖12(c～d)所示，分別在流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑下，對(duì)比無(wú)織構(gòu)表面與不同長(zhǎng)軸和短軸比，即：UT(無(wú)織構(gòu))、ST(900/600)、MT(1200/600)和LT(1800/600)的橢圓形表面織構(gòu)的摩擦系數(shù)和磨損量的變化情況，對(duì)比圖12(a)和(c)、圖12(b)和(d)可以看出，流體潤(rùn)滑下表面的摩擦系數(shù)和磨損量均明顯低于邊界潤(rùn)滑下的織構(gòu)表面和非織構(gòu)表面，說(shuō)明了流體潤(rùn)滑比邊界潤(rùn)滑條件具有更優(yōu)的減摩和耐磨性.

3.1.2 固體潤(rùn)滑

常用的固體潤(rùn)滑劑包括石墨、二硫化鉬、氧化物和氟化物等層狀固態(tài)物質(zhì)，塑料和樹(shù)脂等其他高分子材料還有軟金屬及各種化合物等[120-125].將表面織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑相結(jié)合的方法已被大量學(xué)者證明可起到“1+1＞2”的效果[126-130].以Peng等[131]為例，他將織構(gòu)鈦合金試樣、DLC涂層試樣和表面織構(gòu)化DLC涂層試樣與光滑鈦合金試樣進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)分別下降了43.7%、75.8%和80.6%，且表面織構(gòu)化DLC涂層試樣的表面僅有略微劃傷，磨損量減少了97.5%.這種表面復(fù)合處理技術(shù)主要的減摩機(jī)理是利用表面織構(gòu)作為固體潤(rùn)滑劑的存儲(chǔ)器，為摩擦副提供“二次潤(rùn)滑”的作用，且自身具有潤(rùn)滑性能良好、耐磨性較高及承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，起到協(xié)同潤(rùn)滑作用.例如：Hu等[132]在Ti-6Al-4V表面上制備了不同面密度的凹坑織構(gòu)，并與MoS2固體潤(rùn)滑劑相結(jié)合，進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)，圖13所示為摩擦后表面形貌的SEM照片，可以觀察到，當(dāng)載荷相同時(shí)，面密度大的試樣磨損更少，且在較高載荷的作用下，表面也僅有輕微的磨損，說(shuō)明表面織構(gòu)與MoS2固體潤(rùn)滑劑的雙重作用表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨性能，與Wu等[133]的研究結(jié)論一致.Li等[134]的研究小組又在不銹鋼織構(gòu)表面上涂有MoS2粉末，進(jìn)行織構(gòu)/鉬化雙重處理，結(jié)果摩擦系數(shù)從0.4降到了0.1，硬度也增強(qiáng)近2.5倍，并在高溫下表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨性.該方法特別適用于貧油等極端潤(rùn)滑條件或不能使用液體潤(rùn)滑劑和環(huán)境惡劣等場(chǎng)合，是有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究的方法，值得研究人員進(jìn)一步探索.

將固體潤(rùn)滑劑制成涂層與液態(tài)潤(rùn)滑劑共同作用可起到雙重潤(rùn)滑作用.劉思思等[135]在鋁合金表面上噴覆石墨涂層，在邊界潤(rùn)滑條件下，對(duì)比織構(gòu)表面和石墨涂層與表面織構(gòu)雙重作用下的摩擦性能，結(jié)果表明：當(dāng)織構(gòu)所占面密度為8.2%時(shí)，摩擦系數(shù)最低為0.074；而在織構(gòu)與石墨涂層的協(xié)同作用下，摩擦系數(shù)可降低至0.07，且減小了磨損.在此基礎(chǔ)上，Mishra等[136]又利用往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬了活塞環(huán)和缸套間的摩擦，分別對(duì)比了表面織構(gòu)和三種涂層在邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和水動(dòng)力潤(rùn)滑條件下的摩擦性能，三種涂層分別為金剛石碳(DLC)、鉻(Cr)和鉬鉻陶瓷(MCC)，結(jié)果表示：在三種潤(rùn)滑狀態(tài)下，將表面織構(gòu)和涂層結(jié)合的活塞環(huán)試樣都起到了減摩的效果，且從減摩效果來(lái)看，DLC＞MCC＞Cr.

Fig.12 Influence of two lubrication conditions on friction coefficient and wear amount[69]圖12 兩種潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦系數(shù)和磨損量的影響[69]

Fig.13 SEM micrographs of MoS2 coating combined with dimples surface texture under load of (a～b) 5 N and (c～d) 10 N[texture density of (a,c) and (b,d) are 23% and 44%,respectively][132]圖13 (a～b)5 N和(c～d)10 N載荷下，MoS2涂層與凹坑表面織構(gòu)結(jié)合摩擦后的SEM圖像[(a,c)和(b,d)面密度分別為23%和44%][132]

目前，有關(guān)固體潤(rùn)滑劑涂層與表面織構(gòu)相結(jié)合的文章還相對(duì)較少，理解涂層形成過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)表面織構(gòu)的影響更有利于研究涂層與表面織構(gòu)之間的結(jié)合能力.Shoja等[127]研究了三種不同表面織構(gòu)與α-Al2O3涂層的界面微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：α-Al2O3涂層在沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2S氣體，導(dǎo)致界面孔隙率增加，會(huì)影響涂層與表面織構(gòu)之間的結(jié)合能力，從而影響減摩效果.因此，在未來(lái)也需要大量的工作研究固體潤(rùn)滑劑與表面織構(gòu)的結(jié)合能力.

3.2 操作條件

在進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，操作條件對(duì)織構(gòu)的影響也至關(guān)重要，操作條件包括相對(duì)速度、接觸載荷、潤(rùn)滑膜厚度和相對(duì)滑動(dòng)方向等，針對(duì)不同材料的織構(gòu)選擇最恰當(dāng)?shù)牟僮鳁l件更有利于起到減摩效果.

3.2.1 相對(duì)速度與接觸載荷

摩擦副表面之間的摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度和接觸載荷直接相關(guān)[113,137].根據(jù)大量研究表明，表面織構(gòu)的最佳幾何參數(shù)會(huì)隨滑動(dòng)速度的變化而改變，一般情況下，隨滑動(dòng)速度的增加，最佳深度減小，最佳直徑增大[83,138-139].Zhou等[140]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套進(jìn)行了表面織構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)速度在1～8 m/s范圍內(nèi)，織構(gòu)表面的最佳深徑比基本保持在0.1左右，而最佳面密度隨速度的增加而減小，說(shuō)明了速度對(duì)最佳面密度的影響較大.通過(guò)Zhang等[113]的研究表明，只有在適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)速度下才有利于滑動(dòng)軸承接觸區(qū)油膜動(dòng)壓力的形成，從而起到控制摩擦的作用.在流體潤(rùn)滑下，滑動(dòng)速度和載荷大小對(duì)表面結(jié)構(gòu)的微流體力學(xué)承載效應(yīng)有顯著的影響，滑動(dòng)速度在一定范圍內(nèi)增加可以提高流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)和承載能力[140]，原因在于較高的滑動(dòng)速度有利于摩擦副表面間潤(rùn)滑膜的成形，提升了流體動(dòng)壓承載能力，從而起到了減摩效果.在較低的載荷范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)幾乎保持恒定，但隨載荷繼續(xù)增大，表面織構(gòu)的減摩性能會(huì)逐漸降低[141]，這是由于載荷的增加使摩擦副之間的接觸面變得更緊密，潤(rùn)滑膜變薄，摩擦形式向混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致磨損更嚴(yán)重.以Chang等[22]的研究為例，在UHMWPE表面設(shè)計(jì)了三種新型Koch雪花織構(gòu)，利用CBZ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)比在水潤(rùn)滑，載荷分別為0.4和0.8 MPa，滑動(dòng)速度分別為0.062 8、0.188 4、0.314、0.439 6和0.628 m/s條件下的摩擦學(xué)性能.結(jié)果表明：帶雪花織構(gòu)的試樣摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而減小，平均摩擦系數(shù)能降至0.08；然而，無(wú)織構(gòu)試樣隨滑動(dòng)速度的增加磨損更為嚴(yán)重，其摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大而逐漸增加.不同載荷對(duì)Koch雪花織構(gòu)也產(chǎn)生了不同的減摩效果.因此，通過(guò)調(diào)節(jié)相對(duì)速度與接觸載荷，能夠有效提高織構(gòu)表面的摩擦性能.

3.2.2 潤(rùn)滑膜厚度

在實(shí)際應(yīng)用中，潤(rùn)滑膜厚度也是影響表面織構(gòu)減摩效果的關(guān)鍵因素，最佳幾何參數(shù)也會(huì)隨膜厚的變化而變化，得到的一般規(guī)律是隨著膜厚的增大，最佳深度增大，最佳直徑減小.Codrignani[142]和Checo等[143]的研究證明了表面織構(gòu)的最佳深度隨潤(rùn)滑膜厚度的增加而增大，而對(duì)織構(gòu)形狀的影響較小.

此外，潤(rùn)滑膜厚度也會(huì)直接對(duì)潤(rùn)滑劑的流速產(chǎn)生影響，當(dāng)潤(rùn)滑膜越薄，剪切速率會(huì)越高，摩擦力就越大.根據(jù)Rosenlranz等[114]的研究結(jié)果表示，只有當(dāng)潤(rùn)滑膜厚度較大時(shí)，才能對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生有利的影響.潤(rùn)滑膜厚度與摩擦系數(shù)等參數(shù)的關(guān)系，以Liu等[63]的研究方法為例，圖14(a)顯示了潤(rùn)滑膜厚度對(duì)摩擦系數(shù)、升力系數(shù)及阻力系數(shù)的影響規(guī)律，很明顯能看出，隨著潤(rùn)滑膜厚度從10 μm增加到40 μm，摩擦系數(shù)和阻力系數(shù)逐漸減小，這是由于隨潤(rùn)滑膜厚度的增大，剪切強(qiáng)度減小，速度梯度也減小；而升力系數(shù)先增大后減小，在30 μm處出現(xiàn)了峰值，說(shuō)明隨膜厚增加，承載能力逐漸提高，當(dāng)膜厚達(dá)到30 μm時(shí)，承載能力最好.圖14(b)顯示了不同潤(rùn)滑膜厚度對(duì)Z方向(膜厚方向)的速度分布，能夠看出，潤(rùn)滑膜越薄，摩擦副會(huì)越靠近凹坑底部(0的位置)；潤(rùn)滑膜越厚，速度也越大，表明向凹坑中的潤(rùn)滑劑傳遞的動(dòng)能也越大，會(huì)導(dǎo)致在凹陷底部產(chǎn)生渦流，從而影響動(dòng)壓潤(rùn)滑作用，但是并非潤(rùn)滑膜厚度越大越好，當(dāng)厚度過(guò)大時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致不能及時(shí)驅(qū)動(dòng)凹坑底部潤(rùn)滑劑產(chǎn)生流體動(dòng)壓力.因此，適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑膜厚度可有效控制摩擦.

Fig.14 (a) Influence of lubricant film thickness on tribological properties of textured surface (h=30 μm,d=400 μm,ρt=28.26%,v=1 m/s).(b) The effect of lubricant film thickness on the velocity distribution of the lubricant film along the Z-direction[63] 圖14 (a)潤(rùn)滑膜厚度對(duì)織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能的影響(h=30 μm，d=400 μm，ρt=28.26%，v=1 m/s).(b)潤(rùn)滑膜厚度對(duì)潤(rùn)滑膜沿Z方向速度分布的影響[63]

3.2.3 相對(duì)滑動(dòng)方向

滑動(dòng)方向與織構(gòu)紋理的相對(duì)方向也會(huì)對(duì)材料表面的摩擦性能產(chǎn)生不同程度的影響[144].在一些特定應(yīng)用上，表面織構(gòu)的摩擦特性取決于滑動(dòng)方向[145].表面織構(gòu)之間的相互作用也會(huì)隨滑動(dòng)方向的變化而變化，對(duì)于平行結(jié)構(gòu)的表面紋理，表面會(huì)產(chǎn)生“摩擦各向異性”[146].Ito等[145]采用圓柱-圓盤摩擦試驗(yàn)裝置，在邊界潤(rùn)滑條件下研究三種織構(gòu)化金屬表面在0°、30°、60°和90°方向滑動(dòng)的摩擦特性，如圖15(a～b)所示.從圖15(c～d)能看出滑動(dòng)方向?qū)δΣ料禂?shù)有很強(qiáng)的影響，三種織構(gòu)樣品都在滑動(dòng)方向?yàn)?0°時(shí)，減摩效果最佳，并且滑動(dòng)方向的不同，也會(huì)影響表面之間接觸程度，產(chǎn)生摩擦各向異性.

根據(jù)Costa等[83]的研究發(fā)現(xiàn)，不同載荷下的滑動(dòng)方向?qū)Ρ砻婺Σ撂匦砸灿胁町?在較低的接觸載荷作用下，垂直于滑動(dòng)方向的凹槽產(chǎn)生很薄的潤(rùn)滑膜；而在較高的接觸載荷作用下，垂直于滑動(dòng)方向的凹槽則會(huì)產(chǎn)生較厚的潤(rùn)滑膜，減摩效果更好.對(duì)于V形表面織構(gòu)，滑動(dòng)方向沿著V形圖案比垂直V形圖案摩擦性能更好.Yousfi等[147]又對(duì)比了不同尺寸的圓形和橢圓形表面織構(gòu)在混合潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明：大尺寸且與環(huán)平行滑動(dòng)的縱向橢圓表面織構(gòu)的摩擦系數(shù)最小.因此，對(duì)于不同材料、形狀及工況條件，滑動(dòng)方向所產(chǎn)生的摩擦效果也各不相同.

Fig.15 (a) Samples of three textured shapes.(b) Schematic diagram of friction test and sliding direction.(c) The effect of sliding direction on the average contact number of samples A,B and C.(d) The effect of sliding direction on the friction coefficient of samples A,B and C[145]圖15 (a)三種織構(gòu)形狀的樣品.(b)摩擦試驗(yàn)和滑動(dòng)方向示意圖.(c)滑動(dòng)方向?qū)悠稟、B和C的平均接觸次數(shù)的影響.(d)滑動(dòng)方向?qū)悠稟、B和C的摩擦系數(shù)的影響[145]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者基于表面織構(gòu)在幾何特征和工況條件的優(yōu)化對(duì)摩擦學(xué)性能的改善展開(kāi)論述.從摩擦系數(shù)、磨損量、承載能力、阻力系數(shù)和升力系數(shù)等參數(shù)對(duì)改善表面摩擦性能的方式進(jìn)行分析和總結(jié).總結(jié)了不同潤(rùn)滑條件下表面織構(gòu)的減摩機(jī)理及理論模型的研究進(jìn)展.綜述了表面織構(gòu)幾何參數(shù)和實(shí)際工況條件兩方面對(duì)材料表面摩擦性能的影響，對(duì)織構(gòu)形狀、直徑、深度、面密度和排列方式等幾何參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，可為今后的研究提供指導(dǎo)和借鑒，以改善材料的摩擦學(xué)性能.

a.目前對(duì)于表面織構(gòu)的研究工作，大多還是通過(guò)重復(fù)性試驗(yàn)展開(kāi)，缺乏系統(tǒng)的理論模型和模擬研究，當(dāng)考慮潤(rùn)滑膜所受壓力、慣性力、表面粗糙度、表面形狀和流速等因素時(shí)，應(yīng)評(píng)估雷諾模型在所有模擬中的適用性.因此，深入研究精確的理論模型和普適性的模擬方法是未來(lái)的研究重點(diǎn)和方向.

b.重點(diǎn)討論了表面織構(gòu)的形狀、直徑、深度、面密度和排列方式等參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，得到的一些參數(shù)范圍可為其他研究者提供參考，但仍需針對(duì)特定的工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，有必要開(kāi)發(fā)一種高效的參數(shù)優(yōu)化方法.

c.討論了不同摩擦形式和操作條件在改善材料減摩和耐磨性方面的影響，將表面織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑的結(jié)合不僅更有助于摩擦學(xué)性能的改善，起到“1+1＞2”的作用，適應(yīng)范圍也更加廣泛，特別適用于貧油等極端潤(rùn)滑條件或不能使用液體潤(rùn)滑劑和環(huán)境惡劣等場(chǎng)合，值得研究人員進(jìn)一步探索.