賈洪鐸, 于海武, 唐火紅, 李德寶, 李 蓉

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國科學院 合肥物質科學研究院,江蘇 常州 213164)

微凸起織構化PDMS表面靜摩擦特性研究

賈洪鐸1, 于海武2, 唐火紅1, 李德寶1, 李 蓉2

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國科學院 合肥物質科學研究院,江蘇 常州 213164)

為研究微凸起織構對聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體材料表面靜摩擦特性的影響,文章分別設計了圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構4種類型的微凸起表面織構,并進行靜摩擦實驗研究。結果表明:相同的實驗載荷下,同一試樣在干燥條件下所獲得的靜摩擦力大于濕潤條件下的靜摩擦力;無論干燥與濕潤,相同類型的織構化表面所產(chǎn)生的靜摩擦力均隨表面微凸起面積率的增大而增大;與圓柱形及六邊形織構化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構的織構化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導致靜摩擦力的大幅增加。

彈性體微織構化表面;靜摩擦力;微凸起形狀;微凸起尺寸參數(shù);潤滑條件

0 引 言

隨著彈性體材料在社會各行各業(yè)中日益廣泛的應用,該材料的摩擦學問題變得越發(fā)重要,如汽車輪胎的紋理分析[1]、手動剃須刀潤滑框設計[2]等,都與彈性體材料的摩擦學問題相關。

表面織構技術已被證明是一種改善材料表面摩擦特性的有效手段,近年來得到了越來越多的學者及工程技術人員的關注,其在硬質材料上用于減小摩擦及降低磨損的研究較多[3-5],如在軸承表面加工凹槽等[6]。文獻[7]在金屬表面加工了規(guī)則圓形凹坑和單向溝槽,結果表明規(guī)則圓形凹坑表面比單向溝槽表面和隨機表面具有更低的摩擦系數(shù)。表面織構技術同時也被用于改善彈性體材料表面摩擦學性能,其織構形式不僅表現(xiàn)為微凹坑結構[8-10],同時也表現(xiàn)為微凸起結構[11]。文獻[11]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面分別制作圓柱形及六邊形微凸起織構,并對比分析了2種織構對材料表面摩擦性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)，與圓柱形微凸起織構相比,六邊形微凸起織構具有增大材料表面摩擦力的效果。類似的研究靈感大多來源于對樹蛙足墊微結構的分析,這些研究中的微結構均借鑒于成年體樹蛙足墊的六邊形微結構。然而,樹蛙在由幼體成長為成年體過程中,足墊微結構是不斷發(fā)生變化的[12],如圖1所示。由圖1可看出，幼體樹蛙足墊的微結構表現(xiàn)為六邊形裙邊陣列結構,而成年體樹蛙的足墊則表現(xiàn)為獨立的六邊形陣列結構,這些六邊形被一條淺溝槽隔離。

圖1 樹蛙足墊微結構

為了系統(tǒng)性探索彈性體表面微凸起形狀、尺寸參數(shù)以及組成形式對其摩擦學性能的影響規(guī)律,本文分別參考幼體樹蛙及成年體樹蛙足墊微結構特征,分別設計了圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結構以及非密封六邊形裙邊結構微織構,并利用實驗方法研究表面微織構對材料表面靜摩擦特性的影響。

1 實驗方法

1.1 試樣制備

本文選用低彈性模量的PDMS材料,運用光刻轉印技術在其表面制作出微凸起織構,其主要過程包括:

(1) 旋轉涂膠。利用SC-1B勻膠機,將BN308-450紫外負性光刻膠均勻涂于玻璃基片上,膠膜厚度達5～8 μm。

(2) 烘干。在恒溫烘箱內(nèi)烘干后取出自然冷卻至室溫。

(3) 曝光。利用JKG-2A型光刻機,將涂有光刻膠的玻璃基片進行紫外光輻照處理。

(4) 顯影和清洗。分別在負膠顯影劑和清洗劑中均勻浸泡,被光輻照部分的光刻膠被清洗脫落,得到制作所需圖案。

(5) 堅膜。將顯影清洗后的玻璃基片放入烘箱內(nèi)進行烘干,以堅固顯影后留于玻璃基板上的光刻膠。

(6) 表面織構轉印。堅膜后的玻璃基板作為轉印模板,將攪拌均勻的PDMS液體倒入玻璃基板表面并固化,固化后脫模得到具有表面微凸起織構的試樣表面。

試樣表面三維形貌如圖2所示。

圖2 試樣表面三維形貌

1.2 試樣微織構參數(shù)設計

表面微凸起織構的主要設計參數(shù)有凸起形狀、面積率等,本文主要設計的微織構的形狀有圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構,其外形輪廓和特征參數(shù)如圖3所示。

圖3 PDMS表面微織構形狀及特征參數(shù)

面積率指微凸起織構面積占總面積的百分比,由不同微織構的特征參數(shù)決定。圖3中4種結構面積率的計算公式分別如下。

圓柱形的面積率r為:

六邊形的面積率r為:

r=3d2/(4L2)；

密封六邊形裙邊結構的面積率r為:

非密封六邊形裙邊結構的面積率r為:

其中,n為密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構中的微小圓柱的個數(shù)；d在單一表面結構中為織構外接圓直徑，組合結構中為內(nèi)部圓柱凸超織構直徑；L為織構間中心距；H為壁厚；D為內(nèi)部大六邊形外接圓直徑；B為間隙寬度。

通過以上的設計,變量參數(shù)的取值范圍選用見表1所列,共制作30種試樣。

表1 微織構特征尺寸參數(shù)

1.3 試驗裝置及測試方法

光刻轉印制作出的帶有表面微織構的PDMS試樣,為了更加詳細地分析其表面微織構在不同條件下對試樣靜摩擦特性的影響,設計的潤滑條件分為干燥、濕潤,載荷條件為50 g預載荷和100 g預載荷,共4種外界實驗條件變量。實驗裝置采用的TYPE12多功能表面性能測量儀如圖4所示。

實驗的基本過程為:

(1) 試樣粘結在測試儀平臺上。

(2) 用調(diào)平旋鈕將測量桿調(diào)平至平衡指示燈全部熄滅。

(3) 旋轉上下調(diào)節(jié)旋鈕使上試樣與下試樣接觸至顯示屏數(shù)字有變化。

(4) 施加預載荷砝碼;

(5)采集數(shù)據(jù);

(6) 啟動移動平臺。

所有的試樣分別在50 g預載荷干燥條件、50 g預載荷濕潤條件、100 g預載荷干燥條件和100 g預載荷濕潤條件下測試,上下試樣為面面接觸,測試過程中濕潤條件采用注射器向摩擦副上試樣和下試樣之間注射30 μL的水實現(xiàn)。為滿足靜摩擦測試的需要,測試過程中兩接觸面之間的相對切向運動速度為0.1 mm/s,運動距離設定為3 mm,摩擦力采樣間隔為0.1 ms,測試結束后將結果中的最大值定為靜摩擦力。實驗測試過程中每種情況測試3次,取3次測量值結果的平均值作為所得的靜摩擦力。

圖4 TYPE12多功能表面性能測量儀

2 實驗結果與討論

預載荷50 g,干燥及濕潤2種條件下,試樣靜摩擦力與微凸起面積率之間的關系如圖5所示。從圖5可以看出,圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結構、非密封六邊形裙邊結構的微織構化試樣,其靜摩擦力均隨著面積率的增大而增大。對于任何類型的微凸起表面織構,同一試樣在濕潤條件下產(chǎn)生的靜摩擦力均小于干燥條件下產(chǎn)生的靜摩擦力,這說明注射的30 μL水在兩摩擦試樣表面間起到了液體潤滑的作用。分別在干燥及濕潤條件下,對比外接圓直徑為150 μm的圓柱形和六邊形表面微凸起織構,可以發(fā)現(xiàn)六邊形微凸起的靜摩擦力大于圓柱形微凸起的靜摩擦力。這是由于六邊形微凸起的棱角部分較圓柱形微凸起,更易于與接觸表面的粗糙峰與谷之間形成鎖合或卡(lock or snap)的現(xiàn)象造成的。與圓柱形及六邊形織構化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構的織構化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導致靜摩擦力的大幅增加,這是由于裙邊對載荷力的支撐作用,使得裙邊內(nèi)部的微凸起不易產(chǎn)生變形,而增強了微凸起與接觸面粗糙峰與谷之間的鎖合或卡的作用強度。

圖5 預載荷50 g試樣靜摩擦特性

預載荷100 g,干燥及濕潤2種條件下,試樣靜摩擦力與微凸起面積率的關系如圖6所示。

圖6 預載荷100 g試樣靜摩擦特性

從圖6可以看出,文中所設計的所有類型的微凸起織構化試樣,其靜摩擦力隨微凸起面積率的變化規(guī)律與圖5中預載荷為50 g時的變化規(guī)律相同,即試樣的靜摩擦力隨微凸起面積率的增大而增大。同時,具有密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構的織構化試樣,與圓柱形及六邊形織構化試樣相比,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率增大而增大的幅度更大。對比圖5和圖6可知,無論在干燥及濕潤條件下,所有試樣的靜摩擦力隨著預載荷的增大而增大。

由圖5、圖6可以看出,所有類型的織構化試樣,其在預載荷為100 g時的靜摩擦力均大于預載荷為50 g時的靜摩擦力,即隨著預載荷的增大,靜摩擦力也在增大。無論同種類型的織構化試樣之間,還是不同類型的織構化試樣之間,在面積率相同的條件下,其靜摩擦力的差值也隨著預載荷的增大而增大,體現(xiàn)出隨著預載荷的增大,所有類型的織構化試樣的靜摩擦力受微凸起參數(shù)變化的影響程度也在增大,即越容易通過改變微凸起參數(shù)控制試樣的靜摩擦力變化。

3 結 論

本文通過設計圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構4種表面微凸起織構,研究了微凸起形狀、尺寸參數(shù)等對PDMS彈性體表面靜摩擦力的影響規(guī)律,并得到如下結論:

(1) 相同的實驗載荷,本文設計的所有類型的織構化試樣在干燥條件下所獲得的靜摩擦力大于濕潤條件下的靜摩擦力。

(2) 無論干燥與濕潤,相同類型的織構化表面所產(chǎn)生的靜摩擦力均隨表面微凸起面積率的增大而增大。

(3) 與圓柱形及六邊形織構化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結構和非密封六邊形裙邊結構的織構化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導致靜摩擦力的大幅增加。

[1] ROBERTS A D,LANE J D.Friction of rubber on ice in the presence of salt [J].Journal of Physics D:Applied Physics,1983,16(3):275-285.

[2] TSIPENYUK A,VARENBERG M.Use of biomimetic hexagonal surface texture in friction against lubricated skin [J].Journal of the Royal Society Interface,2014,11(94):20140113-7.

[3] YU Haiwu,WANG Xiaolei,ZHOU Fei.Geometric shape effects of surface texture on the generation of hydrodynamic pressure between conformal contacting surfaces[J].Tribology Letters,2010,37(2):123-130.

[4] WAKUDA M,YAMAUCHI Y,KANZAKI S,et al.Effect of surface texturing on friction reduction between ceramic and steel materials under lubricated sliding contact [J].Wear,2003,254(3/4):356-363.

[5] YU X Q,HE S,CAI R L.Frictional characteristics of mechanical seals with a laser-textured seal face [J].Journal of Materials Processing Technology,2002,129(1/2/3):463-466.

[6] ETSION I.State of the art in laser surface texturing [J].Journal of Tribology,2005,127:248-253.

[7] 楊本杰,劉小君,董磊,等.表面形貌對滑動接觸界面摩擦行為的影響 [J].摩擦學學報,2014,34(5):553-560.

[8] LI Jinfeng,ZHOU Fei,WANG Xiaolei.Modify the friction between steel ball and PDMS disk under water lubrication by surface texturing[J].Meccanica,2011,46(3):499-507.

[9] WANG Kun,HE Bin,SHEN Runjie.Influence of surface roughness on wet adhesion of biomimetic adhesive pads with planar microstructures[J].Micro & Nano Letters,2012,7(12):1274-1277.

[10] HUANG Wei,JIANG Liang,ZHOU Chuanxi,et al.The lubricant retaining effect of micro-dimples on the sliding surface of PDMS[J].Tribology International,2012,52:87-93.

[11] HUANG Wei,WANG Xiaolei.Biomimetic design of elastomer surface pattern for friction control under wet conditions[J].Bioinspiration & Biomimetics,2013,8(4):46001-46006.

[12] BA-OMAR T A,DOWNIE J R,BARNES W J P.Development of adhesive toe-pads in the tree-frog (phyllomedusa trinitatis)[J].Journal of Zoology,2006,250(2):267-282.

(責任編輯 閆杏麗)

Research on static friction performances of textured surface of PDMS with micro convexes

JIA Hongduo1, YU Haiwu2, TANG Huohong1, LI Debao1, LI Rong2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Changzhou 213164, China)

To study the influence of micro-convex surface texture on static friction performances of polydimethylsiloxane(PDMS) surface, four micro-convex textures were selected, including cylindrical structure, hexagonal structure, sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure, and the tests were carried out. The results show that at the same test load, the static friction of a fixed sample obtained under dry conditions is greater than that under wet conditions; the static friction increases with the increase of micro-convex density under both dry and wet conditions for the same type samples; compared with the samples with cylindrical and hexagonal micro-convex texture, the static friction obtained by the samples with sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure increases with the micro-convex density more obviously, which means that a small density increment can result in a great static friction increment.

elastic micro-textured surface; static friction; micro-convex shape; micro-convex size parameter; lubrication condition

2015-07-17；

2015-10-14

國家自然科學基金資助項目(51305425)

賈洪鐸(1990-),男,遼寧遼陽人,合肥工業(yè)大學碩士生; 于海武(1982-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,博士,中國科學院副研究員,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.006

TH117.1

A

1003-5060(2016)12-1614-05