（机械设计及理论专业论文）表面织构对不同浸润性pdms表面摩擦特性的影响研究.pdf

一y 气 l n 删i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c s 锄da s 仃o n a u t i c s n l e ( h a d u a t es c i l o o l c o l l e g eo fi n f 0 锄a t i o ns c i e n c e 锄dt e c l l i l o l o g y a s t u d y o ne f f e c t so fs u r f a c e t e x t u r eo n t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fp d m s s u r f a c e w i t hd i f i f e r e n tw e t t a b i l i t i e s ( s u p p o n e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nn o 5 0 6 7 5 1o1a n d q i n gl a np r o je c to fj i a n g s up r o v i n c e ) at h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y j i a n gl i a n g a d v i s e db y p r o w a n g x i a o l e i s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 刀 一j ， 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：薹亟 日 期： 垒翌! q ：亟：12 ， 一 ， 1 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 软质材料的摩擦接触现象普遍存在于人们的生活环境中。在工程应用领域，软质材料的使 用已经越来越受到重视，而在大部分情况下，摩擦力作为运动的阻力需要尽可能地减小。为了 改善材料表面的各种物理化学性能，表面改性技术是应用十分广泛的手段。 本文采用光刻一复模技术和低温氧等离子体表面改性技术对p d m s 表面进行处理，制作出 了具有凹坑阵列型表面织构的不同浸润性p d m s 下试样，并采用光滑p d m s 球面试样作为上试 样进行球一盘式摩擦实验。在此基础上系统设计了表面织构的主要参数和实验方案，研究各种 表面织构对摩擦特性的影响，并对表面织构的参数进行优化设计。本文得到的主要结论如下： ( 1 ) 通过光刻一复模技术制作具有凹坑阵列型表面织构的p d m s 试样，凹坑的直径为 5 0 2 0 0 岬，面积率为2 6 一4 0 1 ，深度均为5 “m ，且凹坑的形状良好。采用氧等离子体表面 改性技术对试样的浸润性进行控制，表面水接触角从处理前的l1 0 0 达到稳定的5 0 左右。 ( 2 ) 对于疏水性p d m s 表面而言，由于疏水性导致在摩擦过程中润滑剂被挤出接触区域， 部分条件下摩擦副发生明显的干摩擦，摩擦因数约为1 o 2 0 ，通过表面织构化可以明显降低摩 擦因数。对比不同直径的织构，在本实验条件下，较小直径的织构( 赤5 0 岬) 具有明显的减摩 效果。如在甘油溶液润滑条件下，直径为5 0 邮、面积率为4 0 1 、深度为5 岬的织构在滑行 速度为0 0 0 3 i n s 时能够明显降低摩擦因数，降幅达6 8 0 4 。从s t r i b e c k 曲线的角度看，表面织 构可使曲线向左移动，扩大了流体润滑的区域。 ( 3 ) 对于亲水性p d m s 表面而言，由于亲水性使得p d m s 表面始终存在一层连续有效的 润滑膜，其摩擦因数约为0 0 1 o 1 ，此时表面织构对摩擦因数的影响很小，且大部分织构均使 摩擦因数略微增大。从s t 曲e c k 曲线的角度看，表面织构可使曲线在混合润滑至流体动压润滑 的拐点发生上下移动，即影响了流体润滑时的润滑膜膜厚。 关键词：聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ，表面织构，光刻一复模，氧等离子体，浸润性，摩擦 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 a b s t r a c t t h e 仔i c t i o n a lp h e n o m e n o n so fs o f tm a t e r i a le x i s ti no u r l i v i n ge n v i r o n n l e n tg e n e r a l l y i np r o j e c t a p p i i c a t i o nf i e l d ，w eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o no nt h eu s e so fs o rm a t e r i a lt h a nb e f o r e ，锄df o c u s e do n m i n i m i z i n gt l l em c t i o ni nm 0 s tc o n d i t i o n s an u m b e ro fs u r f 犯em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e sl l a v eb e e n 印p l i e di no r d e rt oi m p r 0 v et h ep h y s i c a l & c h e m i c a lp r o p e n i e so f s u r f a c e s a ss u r f - a c et e x t u r e ，d i m p l ea r r a y so np d m sd i s kw i t hd i f b r e n tw e t t a b i l i t i e sw e r ef a b r i c a t e db y t h el i t h o g r a p h y & r 印l i c am o l d i n gt e c h n i q u e 锄dt h el o w - t e m p e r a t u r eo x y g e np l a s m at e c h n i q u e t h ee 厅e c t so fd i 毹r e n ts u 而c et e x n l r e so nt r i b o l o g i c a lp e r f o 肌a n c ew e r es n j d i e db yab a l l o n - d i s k t r i b o m e t e r ，u s i n gs m o o t hp d m sb a l l s 硒u p p e rs a m p l e sa n dt e x t u r e dp d m s d i s k sa su p p e rs 锄p l e s d i 行e r e mp a r a m e t e r sa n de x p e r i m e n t a lp r o g r 锄w e r ed e s i g n e d t h eo p t i m i z a t i o no fs u r f 她et e x t u r e w a sa l s oi n c l u d e d i t l em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r es h o w e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h el i t h o 鲫h y & r e p l i c am o l d i n gt e c h n i q u ea n dt h el o w t e m p e r a t u r eo x y g e np 1 a s m a t e c h n i q u ew e r eu s e dt of a b r i c a t es u 恼c et e x t u r eo np d m sw i t hd i 艉r e n tw e t t a b i l i t i e s t h er e s u l t s s h o w e dg o o du n i f o r n l i t yo fd i m p l ea 玎a y ( d 兰5 0 2 0 0 p m ，。2 6 4 0 1 ，办2 5 l m ) a j l dg o o ds t a b i l i t y o fd i 仃e r e n tw e t c a b i l i t i e s ( 伊110 0 b e f o r et r e a t m e n ta n d 萨5 0 柚e r 仃e a t m e n t ) s e c o n d l y ，o nh y d r o p h o b i cp d m s ，h i 曲e r 们c t i o nc o e 伍c i e n t 2 1 o 2 0 ) w e r eo b t a i n e db e c a u s e o ft h ed r y 衔c t i o nc a u s e db yt h ee x t m s i o no fl u b r i c a l l to nh y d r o p h o b i cs u r f a c ed u r i n gs o m ec o n d i t i o n s s u r f - a c et e x t u r ec o u l dr e d u c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to b v i o u s ly i nt h i sp a p e r t e x t u r e sw i t hs m a l l e r d i 锄e t e r ( 咖5 0 岬) c o u l dr e d u c e 疔i c t i o nc o e 伍c i e n to b v i o u s l y ( 存5 0 岬，严4 0 1 ，v = 0 0 0 3 桃， 产0 2 7 5 0 ，匀狐= 一6 8 0 4 ) s u r f a c et e x t u r ea l s oc a u s e dt h e s t r i b e c kc u r v et om o v el e r ，w h i c h e x p a l l d e dm en u i dl u b r i c a t i o nr e g i m e t h i r d l y ，o nh y d r o p h i l i cp d m s ，l o w e r 衔c t i o nc o e 衔c i e n t 2 0 o1 o 1 ) w e r eo b t a i n e db e c a u s eo f t h ee x i s t e n c eo fc o n t i n u o u sl u b r i c a n tf i l m s u r f k et e x t u r eh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nf i c t i o nc o e m c i e n t s u r f a c et e x _ t u r ea l s oc a u s e dt 1 1 es t r i b e c kc u r v et 0m o v eu pa n dd o w n ，w h i c hi n f l u e n c e dt h et h i c k n e s s 0 fl u b r i c a n tf i l mi nn u i dl u b r i c a t i o nr e g i m e k e yw o r d s ：p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) ，s u r f a c et e x t u r e ，l i t h o g r a p h y & r e p l i c am o l d i n g ， o x y g e np l a s m a ，w e t t a b i l 咄f r i c t i o n i i 一 ， 、 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 软质材料摩擦学性能的研究现状1 l - 3 软质材料的表面改性技术介绍3 1 3 1 等离子体表面改性技术。6 1 3 2 表面织构技术。3 1 3 3 其他表面改性技术。8 1 4 课题来源及意义9 1 5 本文的主要内容及主线10 第二章试样制备及实验方法。1 1 2 1 材料选择及试样制备11 2 1 1 材料的选择1 l 2 1 2 试样的制备方法1 2 2 1 3 表面织构的制作工艺1 2 i ， 2 1 4 表面浸润性的控制1 6 2 2 摩擦实验方案设计1 9 2 2 1 表面织构参数的设计1 9 2 2 2 摩擦实验的设计及参数选择2 0 2 2 3 摩擦实验数据采集方案的确定2 3 2 3 本章小结2 3 第三章表面织构对疏水性p d m s 表面的摩擦特性的影响2 4 3 1 水润滑条件下表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响2 4 3 1 1 表面织构凹坑面积率对摩擦特性的影响2 5 3 1 2 表面织构凹坑直径对摩擦特性的影响2 7 3 1 3 水润滑条件下表面织构对疏水性表面的作用机理及参数优化2 9 3 2 甘油溶液润滑条件下表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响3 2 h i 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 3 2 1 表面织构凹坑面积率对摩擦特性的影响3 2 3 2 2 表面织构凹坑直径对摩擦特性的影响3 4 3 2 3 甘油溶液润滑条件下表面织构对疏水性表面的作用机理及参数优化3 6 3 3 本章小结3 9 第四章表面织构对亲水性p d m s 表面的摩擦特性的影响4 0 4 1 水润滑条件下亲水性表面织构对摩擦特性的影响4 0 4 1 1 表面织构凹坑面积率对摩擦特性的影响4 1 4 1 2 表面织构凹坑直径对摩擦特性的影响4 3 4 1 3 水润滑条件下表面织构对亲水性表面的作用机理及参数优化4 4 4 2 本章小结4 7 第五章不同表面织构对s 仃i b e c k 曲线的影响4 8 5 1 光滑表面p d m s 的s t 抽e c k 曲线4 8 5 2 表面织构对疏水性表面s t m e c k 曲线的影响4 9 5 3 表面织构对亲水性表面s t m e c k 曲线的影响5 1 5 4 不同浸润性表面织构之间的比较5 3 5 5 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 本文主要工作和结论5 5 6 2 后续工作展望5 6 参考文献5 7 致谢6 2 在校期间的研究成果及发表的学术论文6 3 攻读硕士学位期间发表( 录用) 论文情况6 3 攻读硕士学位期间参加科研项目情况6 3 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 工程应用中需要减小摩擦的实例2 图1 2 自然界中的非光滑表面4 图2 1p d m s 分子结构图1 l 图2 2p d m s 试样照片1 2 图2 3 光刻一复模技术工艺流程图1 3 图2 4 光干涉表面形貌仪1 5 图2 5s 1 0 2 玻璃基片上光刻胶阳模的形貌图1 5 图2 6 表面织构的表面形貌图1 6 图2 7 不同参数表面织构的光学显微照片1 6 图2 8 接触角示意图1 7 图2 9s l 2 0 0 b 型接触角测量仪18 图2 1 0 氧等离子体处理时间对水接触角的影响1 8 图2 1 l 氧等离子体处理前后p d m s 表面的水接触角变化1 9 图2 1 2 球盘式摩擦磨损实验机示意图2 l 图2 1 3 不同体积分数甘油水溶液的粘度2 2 图2 1 4 摩擦实验原始曲线图2 3 图3 1 疏水性p d m s 表面的水接触角照片2 4 图3 2 水润滑条件下表面织构摩擦实验原始曲线2 5 图3 3 水润滑下不同凹坑面积率的表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响2 6 图3 4 水润滑下不同凹坑直径的表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响2 8 图3 5 水润滑下凡r 随接触区域内的凹坑个数的变化趋势。2 9 图3 6 水润滑条件下表面织构参数的综合结果3 l 图3 7 甘油溶液润滑条件下表面织构摩擦实验原始曲线3 2 图3 8 甘油溶液润滑下不同凹坑面积率的表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响3 3 图3 9 甘油溶液润滑下不同凹坑直径的表面织构对疏水性表面摩擦特性的影响3 5 图3 1 0 甘油溶液润滑下f 凡随接触区域内的凹坑个数的变化趋势3 7 图3 1 l 甘油溶液润滑条件下表面织构参数的综合结果3 8 图4 1 亲水性p d m s 表面的水接触角照片4 0 v 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 图4 2 水润滑条件下表面织构摩擦实验原始曲线4 l 图4 3 水润滑下不同凹坑面积率的表面织构对亲水性表面摩擦特性的影响4 2 图4 4 水润滑下不同凹坑直径的表面织构对亲水性表面摩擦特性的影响4 4 图4 5 水润滑下f 凡随接触区域内的凹坑个数的变化趋势4 5 图4 6 水润滑条件下表面织构参数的综合结果4 7 图5 1 光滑表面p d m s 的s t r j b e c k 曲线拟合结果4 9 图5 2 具有表面织构的疏水性p d m s 表面的s t r j b e c k 曲线拟合结果5 0 图5 3 具有表面织构的亲水性p d m s 表面的s t r i b e c k 曲线拟合结果5 2 图5 4 具有不同表面织构p d m s 表面的s t 砒b e c k 曲线对比5 3 表清单 表2 1 紫外负型光刻胶b n 3 0 8 - 4 5 0 产品规格表1 3 表2 2p d m s 表面织构的几何参数2 0 表2 3 接触区域内凹坑的平均个数2 1 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 a j m b p c s s c v d d e j 石 三 z l b m l d p e n p d m s p e t 注释表 研磨剂喷粉加工 二苯甲酮 接触起停 化学气相沉积 凹坑直径 试样的压缩弹性模量 表面织构p d m s 的摩擦因数 光滑表面p d m s 的摩擦因数 凹坑深度 滑行距离 凹坑中心距 激光束加工 低密度聚乙烯 接触区域内凹坑个数 聚二甲基硅氧烷 聚对苯二甲酸乙二醇酯 p l g a p l l a p p p p s p p v p v c p v d ， r i e s s p u h m w p v v s i 口 玎 聚乳酸聚乙醇 聚左旋乳酸 聚丙烯 聚对苯硫醚 聚对苯乙炔 聚氯乙烯 物理气相沉积 凹坑面积率 反应离子刻蚀 表面总面积 凹坑所占总面 超高分子量聚 滑行速度 垂直扫描干涉 平衡接触角 润滑剂粘度 、 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百比 摩擦学是一门古老而年轻的学科，摩擦学( 确b o l o g y ) 一词最早来源于英国教育科学研究 部学者j o s t 在1 9 6 6 年关于润滑的教育与研究现状及工业需求的调查报告，其定义为“研究 相对接触、相对运动表面的科学及其相关技术，包括研究摩擦、磨损和润滑”。 摩擦学的经济效益很大，据调查表明，利用摩擦学原理可以节约1 左右的国民生产总值， 这几乎与国家基本的常规研发经费投入相割1 1 。据中国工程院咨询项目摩擦学科及工程应用 现状与发展战略研究的调研结果估计：2 0 0 6 年我国因摩擦、磨损而导致的经济损失约高达9 5 0 0 亿元，而应用摩擦学的知识和研究成果至少可节约3 2 7 0 亿元【2 1 。同时摩擦学对于提高产品质量、 延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也发挥着重要的作用【3 】o 减小摩擦的方法很多，如：润滑剂及其添加剂、表面涂层、离子注入等。其中，使用润滑 剂是一种十分方便、有效的办法。所谓润滑，就是指用具有特殊性质的材料( 液体、气体、固 体等) 将发生相对运动的摩擦表面分离开来，避免两摩擦表面的直接接触，变干摩擦为润滑材 料分子间的摩擦，达到降低磨损，延长设备使用寿命的技术，因此常用的润滑方法包括流体润 滑、固体润滑、气体润滑等。对于流体润滑来说，随着润滑剂膜厚的改变，其润滑状态会发生 很大的变化：从边界润滑状态，到混合润滑状态，再到弹流或流体动压润滑状态。此外，改变 润滑剂对界面的浸润性能也可以显著的影响摩擦副的润滑状态，原因在于：在其他客观条件不 变的前提下，提高表面的浸润性可使摩擦副在润滑过程中更容易形成有效的润滑膜，以达到减 小摩擦的目的1 4 j j 。 1 2 软质材料摩擦学性能的研究现状 软质材料的摩擦接触现象普遍存在于人们的生活环境中。例如汽车轮胎与地面的摩擦【6 j ， 轴与唇形密封圈【7 ，引，水润滑橡胶轴承内橡胶与金属的摩擦以及雨刮器与玻璃的摩擦等。在大部 分情况下，摩擦力作为运动的阻力需要尽可能地减小。图1 1 所示即为工程应用中需要减小摩 擦的实例。 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 图1 1 工程应用中需要减小摩擦的实例 ( a ) 唇形密封；( b ) 水润滑橡胶轴承 软质材料主要包括塑料和橡胶等，其弹性模量只是金属或陶瓷等硬质材料的1 0 1 0 巧倍， 刚度和强度也较低，因此一般情况下，软质材料的接触都是弹性接触。在摩擦过程中，摩擦的 来源与材料表面性能密切相关，例如：对金属材料而言，摩擦主要受其表面氧化膜的抗剪切强 度等影响：对陶瓷材料而言，摩擦主要受其断裂韧度的影响。而与金属和陶瓷等硬质材料不同 的是，软质材料的摩擦主要来自于粘着和弹性变形等。其中，粘着主要是由范德华力和氢键力 等这些弱键合力造成的，而软质材料容易产生变形，进而造成较大面积的紧密接触，是造成粘 着的原因之一。 在工程应用领域，软质材料的使用已经越来越受到重视。由于软质材料与硬质材料在摩擦 磨损机理上的巨大差异，使得许多硬质材料的研究理论不能直接应用于软质材料。因此，人们 很早就开始对软质材料的摩擦特性展开了实验研究。 上世纪6 0 年代，英国剑桥大学卡文迪什实验室的r o b e n s 等1 9 】采用玻璃一橡胶组成摩擦副进 行了摩擦实验，发现在高载低速条件下的润滑膜厚度与流体动压润滑膜理论值相一致，并采用 光学干涉的方法测量了润滑膜膜厚，发现当膜厚在2 岬时实验值与理论值最相近。 英国伦敦帝国学院的d ev i c e n t e 掣m 1 2 】采用钢球一硅橡胶作为摩擦副进行摩擦实验，证实 了软质材料的摩擦特性符合s t r i b e c k 曲线。此外，通过分别使用亲水性疏水性的硅橡胶与钢球 配对实验，发现在边界润滑或混合润滑状态下，钢球与硅橡胶之间存在着明显的粘着力，使得 相同条件下亲水性硅橡胶与钢球组成的摩擦副表现出较高的摩擦力。 英国联合利华研究所的b o n g n s 等【4 j 采用了p d m s - p d m s 摩擦副进行实验，通过对不同 粗糙度及不同表面浸润性的p d m s 的实验发现：在流体动压润滑区域，粗糙度及浸润性的不同 对摩擦因数没有影响；较大的粗糙度会使混合润滑至流体动压润滑的转折点向右偏移，并且使 得边界润滑区域向右扩大，该状态下的摩擦因数值降低；亲水表面能有利于润滑膜的形成，并 使得边界润滑和混合润滑区域的摩擦因数值大幅下降。 2 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 此外，国内很多学者从实际的应用角度对软质材料的摩擦性能进行了研究。例如：吉林大 学的郭孔辉纠1 3 1 和浙江大学的王伯生等都针对汽车轮胎与地面之间的摩擦现象进行了实验 研究，武汉理工大学的周建辉等【1 5 】、天津大学的王优强等以及武汉第二船舶研究所的姚世卫 等 】都对水润滑橡胶轴承进行了实验研究。 1 3 软质材料的表面改性技术介绍 表面改性技术是利用激光、电子束、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积和化学电化 学转化等多种物理化学手段，通过改变构件表面化学成分及分布，达到改善构件力学性能或其 它物理化学性能的材料加工工艺。表面改性技术是装备制造业中的重要制造技术，广泛应用于 机械制造、冶金、汽车、航空航天、船舶、建筑、石油化工、电子等工业领域。通过表面改性 技术可以使材料或零件获得设计所要求的强度、疲劳、耐磨等综合力学性能及使用性能，从而 保证零件的质量和可靠性。 在工程应用领域，软质材料表面改性技术很多，大体可以分为两类：化学改性和物理改性。 化学改性技术主要有溶液处理法、低温等离子体处理法、表面接枝法、离子注入法等。物理改 性包括机械改性、表面涂覆改性等，这种改性方法不发生化学反应，表面织构技术也是一种在 软质材料领域具有应用潜力的物理改性技术。 以下将对可应用于软质材料的表面改性技术进行介绍，其中着重介绍本文多采用的等离子 体表面改性技术以及表面织构技术。 1 3 1 表面织构技术 表面织构技术( s u r f 砬et e x t u 他) 是一项十分具有潜力的技术。通过在摩擦副表面上加工出 具有一定尺寸和规则排列的几何形貌( 如微小凹坑或是沟槽等) ，使具有织构的材料表面体现出 优异的降低摩擦、减小磨损和提高承载能力等特性。这已经被证明是改善摩擦副表面摩擦学特 性的一种有效手段。 在自然界中，有许多生物的表面并非完全光滑，而是具有各种不周的微观几何形猁1 8 ，1 9 】， 这些不同的体表形貌往往都是为了适应其不同的生活环境而进化成的。例如，荷叶的表面具有 很多微小的凸起结构，使其表面具有很强的疏水性，能够使表面的杂质被滚落的雨滴带离表面 【2 0 1 ( 见图1 2 ( a ) ) ；蜣螂的头部、胸腹部和足部体表上都具有微小的凹坑型结构，使其体表具 有很好的抗粘附性【2 l l ( 见图1 2 ( b ) ) ；生活在非洲撒哈拉大沙漠的一种沙鱼( s a n d f i s h ) 能够在 沙丘中快捷地游动，是由于它表皮具有纳米级的鳞片型结构，减小了运动时的阻力( 见图1 2 ( c ) ) 。 3 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 图1 2 自然界中的非光滑表面 ( a ) 荷叶；( b ) 蜣螂；( c ) 沙鱼 近几十年来，表面织构技术已被证明是减小摩擦、提高承载能力的一种有效手段【2 2 1 。在对 自然界生物进行大量研究的基础上，人们利用多种不同的技术在普通的材料表面加工出一定尺 寸和形状的表面织构，以研究其摩擦学特性。以下将对利用表面织构技术改善摩擦副表面摩擦 磨损性能的研究和应用现状进行介绍。 1 硬质材料表面织构的研究及应用 以色列t e c h n i o n 工业大学的e t s i o ni 等在表面织构技术改善摩擦副表面摩擦学性能方面做 了大量的实验和理论研究。该课题组主要采用激光加工技术对机械密封和活塞环等表面进行了 表面织构的加工，并分别通过实验和模拟分析的方法对表面织构的摩擦学特性进行了研究。在 对具有表面织构的船用机械密封的实验中发现：相比无织构密封，具有表面织构的机械密封的 摩擦力矩减小多达6 5 【2 3 1 。此外，将机械密封的摩擦实验与理论模拟的计算结果进行对比后发 现，在表面织构形貌的所有参数中，微坑深度与直径的比值( 深径比) 对摩擦力的影响较大1 2 4 】。 南京航空航天大学的王晓雷教授利用反应离子刻蚀( r i e ) 技术在s i c 陶瓷制作的机械密 封和推力轴承表面制作了表面织构，并通过实验考察了水润滑条件下表面织构对摩擦副表面摩 擦学性能的影响。研究结果表明表面织构的存在可以明显减小s i c 陶瓷摩擦副运转时的摩擦力 矩，提高承载能力【2 2 2 5 1 。在对不同参数的表面织构进行实验后发现，在凹坑面积率在5 。1 5 时，直径为1 5 0 m 、深度为3 4 m 的织构至少能将承载能力提高为无织构试样的2 倍【2 6 1 。此外， 还首次提出了不同几何尺寸织构组合设计的思想，发现与单一尺寸的最佳织构表面相比，不同 几何尺寸织构的组合可使承载能力提高1 6 倒2 7 j 。 日本名古屋精细陶瓷研究协会的w a k u d am 等【2 8 l 研究了钢制圆柱体与用研磨剂喷粉( a j m ) 技术和激光束加工技术( l b m ) 加工了表面织构的s i c 陶瓷平面在高压线接触条件下表面织构 的摩擦特性。研究发现：直径大于赫兹接触宽度的凹坑能够增加润滑液的流动，从而带走高接 触应力下摩擦产生的热量，达到降低摩擦冈数的效果：而直径小于或是与赫兹接触宽度相差不 多的凹坑则没有产生前者优异的润滑效果。 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室的任露泉教授1 2 w ，基于仿生学的设计原理， 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 对非光滑表面的减阻、脱附和耐磨特性进行了大量的研究。该课题组针对毫米及厘米几何尺度 的表面织构，研究了具有不同非光滑表面特征试样件的耐磨性规律及其减粘降阻的效果。实验 结果表明，对耐磨性影响程度由高到低的因素依次为：时间、负荷、转速、形态和分布；且相 比凸包、波纹和鳞片等形态，凹坑形态的表面织构具有更好的耐磨性。 在硬质材料的工业应用领域，表面织构技术的应用已有悠久的历史，如人们熟知的在发动 机气缸壁上加工4 5 0 的平行交叉珩磨条纹，能够减小发动机运行时气缸与活塞之间的摩擦力。 此外，1 9 9 1 年美国希捷公司的r a n i 锄等采用激光技术在计算机硬盘盘片的启动停止区加工了 直径为2 0 岬、深度为1 0 岬左右的微坑点阵，这一措施有效降低了盘片与磁头之间在接触起停 ( c s s ) 阶段的吸附方，减小了摩擦，从而延长了使用寿命【3 0 1 。2 0 0 0 年日本本田公司采用微小 陶瓷球高速喷射的方法对活塞摩擦面进行处理，使其表面形成随机分布的直径约2 0 0 u m 、深度 约几微米的微坑，这项工序使得活塞表面表现出明显的减摩效果，从而降低了发动机整体机械 损失的2 2 【3 。 2 软质材料表面织构的研究 对于摩擦现象同样很普遍的软质材料而言，针对表面织构的研究不多。 以色列的e t s i o n 等【3 2 】通过建模仿真对软质材料的表面织构在流体动压润滑区域的作用进行 了计算分析，计算结果表明：在流体动压润滑区域，表面织构能起到有效的减摩作用：凹坑阵 列形式的表面织构的参数中，深径比的影响最大，不同弹性模量的材料具有不同的最佳深径比 值：凹坑阵列的最佳面积率约为3 0 左右，凹坑直径对摩擦特性的影响并不明显。 南京航空航天大学的李劲峰等1 3 3 】采用光刻一复模技术在p d m s 表面加工出圆形凹坑阵列 的表面织构，并用轴承钢球作为对磨件进行水润滑条件下的摩擦实验，结果显示在滑行速度为 4 0 m m s 时，直径1 0 0 岬、深度5 岬、面积率4 9 的凹坑织构表现出最佳的减摩效果，与光滑 表面相比降低了8 8 8 1 。此外，在一定条件下，部分表面织构还表现出增大摩擦的效果。 美国西北大学的b oh e 等【3 4 】采用光刻一复模技术在p d m s 表面加工出方形凸起阵列及沟槽 阵列的表面织构，并分别用不锈钢球和金刚石探针对具有表面织构的p d m s 试样进行宏观及微 观的干摩擦实验，结果显示：表面织构在宏观干摩擦实验中表面出较好的减摩效果。 由于软质材料与硬质材料相比最大的区别在于其弹性模量较低，因而在相同的受力条件下， 软质材料会产生更大的弹性变形，这对于在摩擦接触条件下表面织构的作用很可能有不同的影 响。而从研究现状来看，表面织构技术在软材料方面的研究尚处于起步阶段。 3 表面织构作用机理 为了更有效地利用表面织构，人们始终在积极探索其减摩的机理。随着流体动压润滑区域 的附加流体动压效应理论【3 5 】、干摩擦区域的容纳磨削颗粒理论【3 6 】以及边界润滑区域的“二次润 滑”理论【37 】的相继出现，表面织构技术被越来越多地重视。 5 表面织构对不同浸润性p d m s 表面摩擦特性的影响研究 其中，附加流体动压效应理论认为：在流体动压润滑状态下，凸起的前端边缘与摩擦副的 另一面之间形成收敛楔而产生流体动压力，而凸起后端边缘的发散楔产生的负压由于气穴 ( c a v i t y ) 现象的产生得到了限制，最终为相对滑动表面产生了额外的承载能力，从而在整体 上提高了润滑膜的承载能力；容纳磨削颗粒理论认为：在干摩擦状态下，如有磨损颗粒产生时， 表面织构可以容纳磨损颗粒，从而减少由于磨粒的耕犁作用而产生的高摩擦；“二次润滑”理论 认为：在边界润滑条件下，存在于表面织构中的润滑剂可以作为二次补给源，在摩擦副表面相 对运动过程中，这部分润滑剂可以渗入接触表面，补充润滑剂的供给，达到减小摩擦的作用。 j 1 3 2 等离子体表面改性技术 ， 等离子体是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，宇宙中有9 9 的物质呈等离子体状态存在，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体又 叫做电浆，是由带电的正粒子、负粒子( 其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性 基团) 组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。通常情况下，它们在宏观 上是呈电中性的电离态气体【3 引。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。其中，高温等离子体只有在温度足够高时才 能产生，太阳和恒星即不断地发出这种等离子体。而低温等离子体是在常温下发生的等离子体 ( 虽然电子的温度很高) 。目前，等离子体广泛运用于多种生产领域，例如：等离子增强c v d 、 等离子体增强p v d 、等离子渗氮和等离子喷涂等【3 9 1 。 1 低温等离子体的发生 低温等离子体可以被用于氧化、改性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处 理，是一项应用范围很广的技术。大多数低温等离子体是通过气体放电获得的。气体放电一般 是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体的现象。气体放电应用 较广的形式有电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、微波放电和射频放电等。相比于电晕等气 一 体放电方式，低压辉光放电方法兼备使分子、原子有效地激发和保存物质分子不被损伤的优点。 低压气体中存在少量的自由电子被加速，从而获得动能。由于低压分子间的距离比常压下 ， 大很多，电子在空间长时间被加速，很容易达到l 2 0 e v 的能量。这种加速的电子与原子、分 子碰撞使原子轨道、分子轨道断裂，从而使原子、分子离解成电子、离子、自由基等在常态下 不稳定的化学基团。离解的电子在电场中再被加速，又使其他分子或原子离解。这样就形成了 含有电子、游离基、离子、紫外光和许多不同激活粒子的等离子体气体【4 0 1 。 2 低温等离子体在高分子化学中的应用 低温等离子体在高分子化学中的应用主要有三个方面：等离子体聚合、等离子体引发聚合、 高分子材料的等离子体表面修饰与处理。 ( 1 ) 等离子体聚合 6 南京航空航天大学硕士学位论文 利用放电将有机类气态单体等离子化，使其产生各类活性种，由这些活性种之间或活性种 与单体之间进行加成反应形成聚合膜，是单体处于等离子体状态时进行的聚合反应，是沉积高 聚物薄膜的有效方法。 ( 2 ) 等离子体引发聚合 把等离子体作为一种能源对单体做短时间照射，低温等离子体以单体蒸气发生气反应形成 活性中心，然后放置在适当温度下引发单体聚合，这是一种不需要引发剂的新聚合法。 ( 3 ) 高分子材料的等离子体表面处理 利用非聚性无机气体( 如a r 、n 2 、h 2 、0 2 等) 的辉光放电等离子体对高分子材料进行表 面改性的一种新技术。非聚合性气体包括反应性气体和非反应性气体，它们作用机理不同。非 反应性气体( h 2 、h e 、a r ) 等离子体和材料表面接触，理论上不参与表面反应。等离子体中的高 能粒子轰击材料表面时传递能量，使材料表面产生大量自由基。相邻高分子自由基可能复合而 交联，也可能脱氢或脱去其他原子而形成双键，或者与等离子体中活性种反应生成一系列新的 官能团，也可能与反应器中的氧或处理完毕后接触到空气中的氧反应，从而在高分子材料表面 引入含氧官能团。反应性气体( 如c o 、c 0 2 、h 2 0 、0 2 、n 2 ) 等离子体在气相中不发生聚合反应， 但参与聚合物表面上的化学反应，表面的化学组成也发生相应变化等离子体能够对材料表面进 行化学或物理修饰，如产生更多的活性点、交联或分子量的改变。通过这种方法，可以得到预 期性质的材料，如材料表面的耐磨性、黏着性、可湿性等。 3 高分子材料的等离子体表面改性技术的研究现状 对于以高分子材料为主的软质材料而言，氧等离子体( o x y g e np l a s m a ) 表面改性技术是一 种十分有效的手段。它是通过使用氧气在低压状态下进行辉光放电，产生氧等离子体，对材料 表面进行改性处理的方法。如1 4 2 节所述，通过使用不同气体对不同材料进行等离子体表面处 理，可以改变材料表面的多种物理或化学特性。以下将对等离子体所产生的不同特性的研究现 状作简单的介绍。 ( 1 ) 可润湿性 可润湿性是指固体界面由固气界面转变为固液界面的难易程度。研究表明，适当的等离 子体处理方法能够使高分子材料表面产生具有亲水性能的极性基团，从而