仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏_图文

1、第 38卷 第 2期 吉 林 大 学 学 报 (工 学 版 Vol. 38 No. 2 2008年 3月 Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Mar. 2008仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏单宏宇 1, 周 宏 1, 孙 娜 1, 佟 鑫 1, 任露泉 2(1. 吉林大学 汽车材料教育部重点实验室 , 长春 130022; 2. 吉林大学 地面机械仿生技术教育部重点实验室 , 长春 130022摘 要 :根据工程仿生学原理 , 用 45#结构表面的仿生非光滑试样 , 。 结果表明 , ,光滑表面

2、降低 4. 7%20. 9,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能 。; ; 黏附力 ; 毛细管现象TB17 文献标识码 :A 文章编号 :167125497(2008 0220374205E ffect of bionic non 2smooth characteristics of surfaceon adhesion reduction against Al alloy partShan Hong 2yu 1,Zhou Hong 1,Sun Na 1, Tong Xin 1,Ren L u 2quan 2(1. Key L aboratory of A utomobiles M ate

3、rials , Minist ry of Education , J ilin Universit y , Changchun 130022, China; 2. Key L aboratory of Terrain 2machine B ionics Engineering , M inist ry of Education , J ilin Universit y , Changchun 130022, China Abstract :Based on t he t heory of engineering bionics ,t he bionic non 2smoot h surface

4、s on t he samples made of materials of 45#steel and high 2speed steel were manufact ured in t he form of reseau st ruct ure by t he laser p rocessing. The adhesion of t hese samples against t he Al alloy part was compared wit h t he smoot h surface samples on a universal elect ronic test machine. Th

5、e result s show t hat t he anti 2adhesion behavior of t he bionic non 2smoot h surface samples is better t han t hat of t he smoot h surface , t he adhesion of t he former decreases by 4. 7%20. 9%in comparison wit h t he latter ,because t he gap in t he interface of t he non 2smoot h testing couples

6、 result s in decrease of t he act ual contact area. The bionic non 2smoot h struct ure opens up a new potential to imp rove t he anti 2adhesion of t he material surface.K ey w ords :engineering bionics ;non 2smoot h surface ;adhere force ;capillarity收稿日期 :2007202215.基金项目 :国家自然科学基金重点项目 (50635030 ; 中国

7、博士后科学基金项目 (2003034350 ; 吉林省科技发展计划 项目 (20050314201 ; 吉林大学 “ 985工程” 项目 .作者简介 :单宏宇 (19802 , 男 , 博士研究生 . 研究方向 :仿生工程材料 . E 2mail :shanhongyu通讯联系人 :周宏 (19552 , 男 , 教授 , 博士生导师 . 研究方向 :仿生工程材料 , 轻合金材料研究及计算机模拟 .E 2mail :zhouhongjlu. edu. cn第 2期 单宏宇 , 等 :仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏 模具与制件间黏附力过大是使制件脱模困难 的主要原因之一 。传统理论认为

8、, 若模具表面越 光滑其接触界面黏附力越小 , 相对脱模时阻力越 小 , 于是人们尽量提高模具表面的加工精度 、 降低 表面粗糙度 , 然而这种高精 、 超精的加工不但提高 了制造成本 , 效果也不明显 。 因此 , 如何降低制件 与模具间的黏附力已成为国内外科学家致力于解 决的重要课题 。近几年 , 仿生工程学的迅速发展 为解决这一问题提供了一条崭新的途径 。自然界中的生物经过亿万年的进化 , 其体表 组织具有非常独特的结构和性能 。 生存在黏湿土 壤中的动物 , 如蚯蚓 、 田鼠 、 蝼蛄 、 、陆 、 蚂蚁 、能 1,2。 ,如凹坑 、 凸包 、 条纹 、 ,体表的接触角 , 提高体表的

9、憎水性 , 破坏了水膜在 体表的连续 , 降低毛细管力 , 具有与某些植物叶面 类似的 “莲花效应” 3。同时 , 动物体表的非光滑 结构还降低了与土壤的接触面积 , 减小大气负 压 2, 使土壤动物体表具有抗黏附作用 4。吉林 大学任露泉已将此原理成功应用于地面机械的触 土部件 , 使机械的抗黏附性能明显提高 1,2,4。 作者将仿生非光滑结构与组成机理应用到材 料表面 , 制备出具有竖条纹形态的仿生表面模具 , 并与光滑表面模具进行了对比试验。 结果证明 , 非 光滑表面可明显改善材料与制件间的黏附性能 , 与 光滑试样比较 , 黏附力可降低 5. 2%23. 7%5。 为了进一步研究仿生

10、非光滑表面试样与制件的黏 附机理 , 优化表面非光滑形态 , 本文根据土壤动物 体表形态 , 设计了网格状非光滑表面模具 , 开展仿 生非光滑表面与铝合金制件间的黏附研究。1 试验方法1. 1 试验材料试样材料选用 45#钢 (C 、 Mn 、 Si 的质量分数分 别为 0. 45%、 0. 6%和 0. 27% 和高速钢 (C 、 Mn 、 Si 、 Cr 、 Mo 、 W 、 V 的质量分数分别为 0. 8%、 0. 3%、 0. 35%、 4. 1%、 0. 2%、 1. 85%和 1. 3% 。 选用三种 制件材料 :纯铝、 13%铝硅合金、 20%铝硅合金 , 其 表面张力分别为 8

11、90、 861、 853N/cm 。1. 2 试样制备模仿蜣螂触土部位的几何非光滑形态 , 如凹 坑 、 凸包 、 条纹 、 鳞片等 (见图 1 , 在光滑表面加工 出具有相同或不同尺寸 、 分布及化学成分的单元 体 , 这些单元体被称为仿生非光滑单元体或非光 滑单元体 , 加工后所形成的非光滑表面称为仿生 非光滑表面 5。 本文选用网格状非光滑单元体作 为试验对象 。试样的尺寸为 :高 60mm , 底面直 径为 29mm , 锥度 1. 8°。 选用 J HM 21GY 2100B 型 数控激光器加工试样表面的非光滑单元体 , 表面1。 :电流 200 A , , 6s 。图 2

12、 。图 1 蜣螂头部非光滑体表形态的微观形貌Fig. 1 N on 2smooth morphology of the head of a dung beetle表 1 试样表面参数T able 1 Surface parameters of the samplesNo. Type Sample materials width/mmdepth/mmdistance/mm(S N /S /% 1Smooth 45#steel -2Non 2smooth 45#steel 2. 00. 28. 020 3Non 2smooth 45#steel 2. 00. 25. 030 4Non 2smoot

13、h 45#steel 2. 00. 23. 040 5Smooth High 2speed steel -6Non 2smooth High 2speed steel 2. 00. 28. 020 7Non 2smooth High 2speed steel 2. 00. 25. 030 8Non 2smooth High 2speed steel 2. 00. 23. 0401. 3 试验方法采用 5kg 中频感应电炉 (K J X28213 , 将三 种试验用制件材料 (纯铝 、 13%铝硅合金 、 20%铝 硅合金 加热至 700 , 然后在模具中浇铸成型 。 模具分别由试验试样和 45

14、#钢模具外套组成 。其 中 45#钢外套的外径为 45mm , 壁厚为 5mm 。 冷却至室温后 , 试样被试验制件完全包裹 , 制备出 试验所需的试样 /制件对偶件 。 5 73吉 林 大 学 学 报 (工 学 版 第 38卷 图 2 非光滑试样示意图Fig. 2 Sketch m ap of the non 2smooth sample 冷却后的部分试样 /制件对偶件在 A G KN 型电子万能试验机 ( 测试 。 :角度 90, 。脱模 过程中 , 。将测得的试样从制件中脱出所需要的最大压缩力 (加载载荷 作为试样与制件间的黏附力 。 每组试 样 /制件对偶件在相同的试验条件下测试 3次

15、 , 采 用 3次试验的黏附力平均值评价待测试样 /制件 对偶件的黏附性能 。将剩余试样采用钼丝线切割机沿未经脱模的 试样 /制件对偶件横轴方向切开 , 抛光后在 X J Z 26光学显微镜下观察试样与制件间接触界面的微观 形貌 , 分析其黏附机理 。2 试验结果与讨论2. 1 试验试样与制件间的黏附在相同的试验条件下 , 试样 18(见表 1 分别 与 3种铝合金制件材料 (Al ,Al 213%Si,Al 220%Si 进 行黏附力测试 , 每组测试 3次 , 采用平均值评价待测 试样与制件的黏附性能 , 其试验结果见图 3。 图 3 试样 18与铝合金制件间的黏附力Fig. 3 R el

16、ationship betw een the adhesion forces of partsand samples 182. 1. 1 非光滑面积比对黏附的影响试验分 别选用 试 样 1(光 滑 表 面 、 试 样 2(S N /S =20% 、 试 样 3(S N /S =30% 、 试 样 4(S N /S =40% 分析非光滑面积比对试样 /制件对 偶件黏附性能的影响 。试验制件材料为 13%硅 铝合金 。图 4为制件与试样的黏附力变化曲线 。 由图 可知 , 在相同试验条件下 , 加 , 。试样 4与 , 比光滑 18. %3, 比试样 1减小 12. 9. 4%;1与 13%硅铝合

17、金间的黏附力最大。图 4 非光滑面积比对黏附的影响Fig. 4 E ffect of the area of non 2smooth unit2. 1. 2 试样材料比对黏附的影响试验制件为纯铝 , 选用试样 14(45#钢 及试样 58(高速钢 进行黏附力对比试验 。试验 结果见图 3。由图可见 , 试样 4与纯铝间的黏附 力最小 , 比试样 8降低 8. 42%; 试样 3与试样 7相比降低 10. 67%; 试样 2比试样 6降低 8. 09%; 试样 5与纯铝间的黏附力在本组中最大 , 比试样 1提高 1. 70%。由此可知 , 在 45#钢 、 高速钢试样与铝合金制 件间的黏附力随表

18、面非光滑面积比的增加具有相 同的下降趋势的同时 ,45#钢试样与纯铝间的黏 附力较高速钢有明显的降低 。 这是由于 45#钢与 高速钢相比熔点更低 , 相同激光功率加工时 , 激光 束对试样表面进行扫描所产生的激光熔化区半径 随试样熔点的增高呈下降趋势 , 使经激光处理后 的 45#钢非光滑单元体宽度 (U nit widt h 较高速 钢有所增大 。因此 , 在非光滑面积比相同时 ,45#钢非光滑表面试样具有更优异的抗黏附性能 。 即 在相同试验条件下 , 随非光滑单元体宽度的增加 , 制件与试样间黏附力呈下降趋势 。673第 2期 单宏宇 , 等 :仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏2

19、.1. 3制件材料表面张力比对黏附的影响 在相同试验条件下将三种制件纯铝 、 13%硅 铝合金 、 20%硅铝合金分别与试样 14(见表 1 进行黏附力测试 , 试验数据见图 5。由图可见 , 试 样与纯铝间的黏附力最小 , 比 13%硅铝合金降低 47. 15%; 13%硅铝合 金比 20%硅 铝 合 金 降 低 7. 78%。 试样与 20%硅铝合金间的黏附力最大。 图 5 制件表面张力对黏附力的影响 Fig. 5 E ffect of the surface tension on the parts由此可知 , 制件的表面张力是影响制件与试 样间黏附力的主要因素之一 。 熔融制件具有的表

20、 面张力越大 , 流动性能越差 , 而液体流动性能的优 劣是影响其黏附性的主要因素 6。因此 , 在相同 试验条件下 , 试样 /制件对偶件的黏附力随制件表 面张力的增大呈下降趋势 。 2. 2 非光滑表面与制件间的黏附机理将冷却成型后还未进行黏附力试验的试样 /制件对偶件沿垂直于轴线方向取样 , 通过显微镜 观察试样与制件接触接口的微观形貌 。图 6为 45#钢与纯铝接触界面的微观形貌 ,其中 (a 、(b 分别为纯铝与试样 3和试样 1接触 界面微观形貌 。由图对比可知 , 与试样 1和制件 紧密接触的界面形貌不同 , 试样 3与制件的接触 界面在非光滑单元体部位存在明显缝隙 。 经观察

21、发现 , 铝合金制件与试样 18的接触界面微观形 貌均与图 6相似 。由图 6(a 可知 , 非光滑试样与制件的接触界 面间形成明显的缝隙 。 而仿生非光滑表面的独特 结构是使缝隙产生的根本原因 。 由非光滑单元体 所组成的仿生表面所产生的接触角滞后现象增大 了熔融制件在试样表面的前进角 , 提高了液体的 滞后张力 , 从而导致熔融制件在非光滑表面的固 有润湿性能降低 7。 另一方面 , 存在于试样表面 的非光滑单元体的凹坑结构贮存了部分空气 ,在图 6 45#钢与铝的接触接口形貌图像Fig. 6 Micro 2topography of the contact interface betw

22、eenAl and 45#steel samples试样表面形成固 /气复合表面 。 固 /气低能表面降低了熔融制件与试样的固有接触角 , 减小了制件 表面的润湿性能 4,5。因此 , 仿生表面具有的特 殊非光滑结构是使熔融制件在试样表面所形成的 固有接触角降低 、 润湿性能减弱的主要原因 。同 时 , 由于采用激光加工的方式 , 经高能激光束的辐 照 , 模具表面的残余应力明显减小 , 从而使得非光 滑表面的表面能降低 , 进一步减弱了熔融制件的 润湿性能 8。 在熔融制件向仿生非光滑模具浇注 的过程中 , 由于非光滑单元体的特殊结构以及该 结构引起的接触角滞后现象 , 液体的滞后张力增 大

23、 , 其产生的作用力像 “墙” 一样将熔融制件的接 触线阻止在单元体的边缘 4,5,9。而随着液体的 流动 , 制件浇铸前端的接触角不断增大 , 当增大到 一定程度时 , 在单元体两端的熔融制件相互接触 (熔融制件在光滑试样表面所形成的液滴半径远 大于单元体半径 , 将空气诱陷在两液面间 , 从而 在非光滑单元体部位形成类似于毛细管力的结 构 。 当这种毛细管结构所产生的附加压力大于实 际压力 (如制件所受重力 时 , 熔融制件无法进入 非光滑单元体凹坑中 , 导致非光滑试样与制件的 接触界面间空隙的形成 , 降低了制件与试样的实773吉 林 大 学 学 报 (工 学 版 第 38卷际接触面积

24、 5,10。图 7为仿生试样 /制件接触界 面间空隙形成的示意图。 图 7 空隙形成示意图Fig. 7 Sketch m ap of the F =(T m T e D D/(2t -(D /(4t (1式中 :F 为试样与制件的黏附力 ; 为制件热膨胀系数 ; T m 为制件熔化温度 ; T e 为脱模温度 ; D 为 型芯直径 ; E 为温度为 T e 时的杨式系数 ; A 为脱 模时试样与制件的接触面积 ; 为制件与试样的 摩擦系数 ; t 为模具厚度 ; 为制件的泊松参数 。由式 (1 可知 , 在其他条件相同时 , 制件与试 样间的接触面积是影响脱模的主要因素 1, 2, 5。 由图

25、 6(a 可知 , 非光滑试样与制件间在非光滑部 位存在的空隙降低了试样与制件的实际接触面 积 , 是降低材料黏附性能的主要因素 。另一方面 , 非光滑单元体的凹坑结构易存留 空气 , 从而降低大气负压对脱模过程的影响 , 改善 非光滑表面的黏附性能 , 减小了铝合金制件与试 样间的黏附力 。3 结 论(1 经过设计的仿生非光滑表面试样与铝合金制件的黏附力比光滑表面试样明显降低 。 本试 验表明 , 非光滑表面试样可以减小与制件的黏附 力 , 即非光滑表面可以有效地改善模具与铝合金 间的脱模性能 。(2 影响仿生非光滑表面黏附性能的主要因 素包括 :非光滑单元体宽度 、 间距 、 分布及非光滑

26、 面积比等 。 在相同条件下 , 仿生试样与铝合金间 的黏附力随非光滑面积比的增大呈下降趋势 , 其 与制件间黏附力比光滑表面降低 4. 7%20. 9%。(3 熔融制件的表面张力也是影响仿生试样与铝合金制件间黏附性能的重要因素之一 。 试验 表明 , 在相同试验条件下 , 随着熔融制件表面张力 的增大 , 仿生试样与铝合金间的黏附力呈下降趋 势 。 参考文献 :1Ren L u 2quan , Li Jian 2qiao , 2cong. Un 2on by bionics .(13 :10772, Jin ,Li Jian 2qiao ,et al. Soil adhe 2biomimet

27、ics of soil 2engaging components :areviewJ.J agric Engng Res , 2001, 79(3 :2392263.3Barthlott W ,Neinhuis C. Purity of the sacred lotus ,or escape f rom contamination in biological surfaces J.Planta ,1997,202:128.4陈秉聪 . 车辆行走机构形态学及仿生减粘脱土理论M .北京 :机械工业出版社 ,2001.5Zhou Hong ,Shan Hong 2yu , Tong Xin ,et al. The ad 2hesion of bionic non 2smooth characteristics on sam 2ple surfaces against partsJ.Materials Science and Engineering A ,2006,417:1902196.6Drelich J , Miller J D , G ood R J. The effect of drop(bubble size on advancing