張培耘，張彥虎，華?？?，符永宏，尹必峰，符昊，紀(jì)敬虎

（江蘇大學(xué) a.機械工程學(xué)院 b.先進制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院c.汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

摩擦學(xué)主要是研究運動副在工作過程中，其接觸表面摩擦和磨損發(fā)生與發(fā)展規(guī)律的科學(xué)。一般認為，在關(guān)鍵運動副工作過程中，接觸表面伴隨摩擦作用，進而引起接觸區(qū)域產(chǎn)生振動、噪聲、熱耗散、材料遷移和磨損。這些變化會改變運動副的工作條件和服役性能。為了控制關(guān)鍵運動構(gòu)件的磨損，人們主動為接觸表面引入了潤滑措施，從而形成了摩擦學(xué)的三大支柱——摩擦、磨損和潤滑。在摩擦學(xué)發(fā)展過程中，人們較早地認識到降低摩擦副表面粗糙度并不總是能降低摩擦因數(shù)和材料磨損。后來，研究發(fā)現(xiàn)，一對平行粗糙表面滑動副能夠形成流體動壓潤滑油膜。盡管摩擦副表面微觀形貌并不規(guī)則，但為工程潤滑問題提供了新的思路。直到內(nèi)燃機缸體內(nèi)表面網(wǎng)紋珩磨技術(shù)的誕生，更加明確了摩擦表面微細結(jié)構(gòu)規(guī)則化的顯著優(yōu)勢。

數(shù)十年來，國內(nèi)外針對織構(gòu)表面技術(shù)在摩擦潤滑理論和工程實踐兩方面的研究相當(dāng)豐富[1-8]，應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域（內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)-活塞[9-11]、凸輪/滾輪[12]、主軸[13-14]、機械密封[15-17]、軸承[18-20]、刀具[21-24]、機床導(dǎo)軌[25-29]、齒輪[30-32]等）向農(nóng)業(yè)機械[33]、軌道交通[34]、空間潤滑[35]、壓電驅(qū)動[36-38]、生物醫(yī)學(xué)[39-46]諸多新領(lǐng)域拓展[47]，成為摩擦學(xué)設(shè)計[48-49]、仿生工程[50-54]和表面技術(shù)[55]等領(lǐng)域的研究熱點問題。微織構(gòu)在摩擦表面的應(yīng)用引起了摩擦學(xué)界的廣泛關(guān)注[56]。許多研究涉及到有益微觀織構(gòu)的推斷和測試，但一些重要摩擦學(xué)設(shè)計問題仍需加大研究力度[56]，這對滿足我國現(xiàn)階段高端基礎(chǔ)零部件亟需跨越式發(fā)展的現(xiàn)實需求尤為重要。在摩擦接觸表面設(shè)計和開發(fā)最優(yōu)的微尺度織構(gòu)，可以最大限度地減小滑動摩擦，最終提高零部件的性能和壽命[57]。本文針對表面織構(gòu)在不同工況下的潤滑減摩作用機制和表面織構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)，分析兩方面近十年的發(fā)展概況并進行簡要評述，希冀為表面織構(gòu)在潤滑力學(xué)方面的發(fā)展和應(yīng)用提供些許有益參考。

1 表面織構(gòu)的潤滑減摩理論發(fā)展

1.1 流體動壓潤滑

自摩擦二項式定律誕生以來，業(yè)界就接觸表面形態(tài)對摩擦潤滑的作用逐步形成一些共識，后來表面微觀尺度的形貌特征引起了人們的重視[58]?？棙?gòu)形貌有凸體和凹體之分，最先引起注意的是凸體織構(gòu)在磁盤表面減摩方面的應(yīng)用[59]。近十多年來，由于加工手段的不斷豐富，通過去材方式獲得凹體織構(gòu)（如凹坑、微槽等）較為便利，隨之微織構(gòu)在摩擦表面的應(yīng)用受到摩擦學(xué)界的廣泛關(guān)注[56]。豐富的研究結(jié)果表明，對于流體動力潤滑方式，通過摩擦副表面織構(gòu)化可以減少摩擦。

表面織構(gòu)對動壓潤滑的影響機制主要涉及三個方面[60]：一是帶有凹痕或凹槽對流體動壓潤滑的增強；二是在某些情況下的氣穴壓力提升機制；三是酒窩或凹槽引起的逆流。在完全潤滑，甚至混合潤滑的情況下，每個微凹坑都可用作微流體動壓軸承，進而提高動壓潤滑效應(yīng)[61]。另外，微凹坑可用作潤滑液的儲存器，在滑動接觸過程中，均布或鋪展?jié)櫥?，提供微量潤滑或局部實現(xiàn)“二次”潤滑[62]，擴大潤滑區(qū)域，進而改善動壓潤滑性能。在潤滑狀況不佳或干摩擦情況下，微凹坑可用作微型捕集器來收集和清除摩擦界面產(chǎn)生的磨屑[63]，避免接觸配副表面粗糙峰與磨粒構(gòu)成對摩擦過程極為不利的三體磨損。因此，實施表面織構(gòu)希冀有效減輕粘著磨損和磨粒磨損[46]。此外，在滑動面間能夠產(chǎn)生空化，而空化區(qū)的氣液邊界處將產(chǎn)生界面滑移，空化區(qū)越大，則滑移長度越長，滑移效應(yīng)增強，則減摩性越好[64]。

表面織構(gòu)摩擦學(xué)效應(yīng)和潤滑作用不僅取決于表面織構(gòu)自身引起表面功能特性的改變[65]，也受制于摩擦副材料、潤滑介質(zhì)和摩擦工況（負載、速度和溫度）。摩擦副材料對摩擦性能和潤滑性能的影響應(yīng)該是最基礎(chǔ)的，但受到織構(gòu)成形工藝（如高能束加工和超聲加工）的影響，接觸界面材料往往會發(fā)生一些改變。鋼/銅摩擦副表面織構(gòu)下，摩擦因數(shù)變化較為復(fù)雜，而鋼/鋼摩擦副表面織構(gòu)下，摩擦因數(shù)變化平穩(wěn)[49]。潤滑介質(zhì)對表面織構(gòu)的潤滑性能有重要影響，油潤滑時表面微觀結(jié)構(gòu)特性對摩擦的影響要比脂潤滑更為顯著[49]。潤滑油供應(yīng)量顯著影響接觸區(qū)的油膜厚度，微織構(gòu)能改善摩擦副的潤滑摩擦性能[66]。尤其在乏油區(qū)，微凹坑會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，瞬態(tài)下，較充分供油時改善潤滑的效果才會顯著[66]（見圖1）。在潤滑油介質(zhì)中，單獨采用表面微織構(gòu)措施可使摩擦因數(shù)較光滑表面降低4.8%，而采用微織構(gòu)處理并填充固體潤滑劑可使摩擦因數(shù)降低17.7%，且試樣摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減少且逐漸趨于穩(wěn)定，但隨轉(zhuǎn)速的增大而增大[67]。

圖1 典型表面織構(gòu)微單元二維圖示及其動壓分布[2]Fig.1 Typical surface texture unit and the pressure distributions[2]

摩擦工況主要涉及速度和壓力，歸化為重要的潤滑參數(shù)Herscy 數(shù)。微凹坑織構(gòu)端面在進入流體動壓潤滑階段后，摩擦因數(shù)隨Herscy 數(shù)的增大而產(chǎn)生波動，但其數(shù)值并未增大[64]。在Hersey 數(shù)較小時，表面引入織構(gòu)不利于材料摩擦因數(shù)的降低，而Hersey數(shù)較大時，織構(gòu)有助于提高摩擦學(xué)性能[68]。這也佐證了表面織構(gòu)結(jié)構(gòu)化幾何特征應(yīng)與工況條件相適應(yīng)。將織構(gòu)分布特性和幾何特征結(jié)合起來分析表征微結(jié)構(gòu)幾何形貌，更有利于表面微觀結(jié)構(gòu)特性的摩擦學(xué)設(shè)計[49]。

近年來，凸體陣列表面微織構(gòu)吸引了人們的關(guān)注，尤其是在金屬成形、增摩設(shè)計等摩擦性能調(diào)控方面。有研究表明，在富油潤滑下，凸體織構(gòu)的摩擦因數(shù)與織構(gòu)密度正相關(guān)[69]。凸體密度為50.2%的樣品的摩擦因數(shù)降低了64.4%，而具有28.2%織構(gòu)密度的樣品具有最小的磨損量，與光滑樣品相比，磨損量減少了87.6%。除動壓效應(yīng)外，熱影響區(qū)形成的針狀馬氏體顯著提升了凸體的顯微硬度。球冠織構(gòu)形成油壓的區(qū)域要明顯大于圓柱和圓錐織構(gòu)形成的油壓區(qū)域[70]。在相同表面占有率和微細造型深度下，正三角形造型有效油膜壓力的區(qū)域較大，在相對滑動的表面中形成的間隙大，摩擦因數(shù)小[70]。隨著織構(gòu)密度的增加，摩擦因數(shù)先降低后增加，在織構(gòu)密度為20%時獲得最小摩擦因數(shù)[71]。雖然從去材模式上理解，凹體織構(gòu)的保留結(jié)構(gòu)體可理解為凸體，但在摩擦性能調(diào)控方面，初步研究表明，二者具有顯著差異。在潤滑工況下，與凸體織構(gòu)表面相比，無論織構(gòu)密度、尺寸和法向載荷，凹體織構(gòu)在降低摩擦因數(shù)方面都具有明顯優(yōu)勢[71]，但不可忽略在典型的工程應(yīng)用中摩擦扮演的不同角色。

1.2 彈流潤滑工況

對于彈性流體動力潤滑方式，并非所有的凹痕尺寸和形狀都會減小摩擦。這主要關(guān)系到由凹痕引起的粗糙度增加和它們產(chǎn)生的舉升力之間的平衡。為了增強舉升力的產(chǎn)生，在彈流動壓潤滑工況下工作的摩擦副表面織構(gòu)凹坑，需要具有傾斜的底部以產(chǎn)生流體動力楔形物或流體靜力舉升力，以實現(xiàn)摩擦減小[60]。潤滑工況對摩擦因數(shù)的影響如圖2 所示。因此，凹坑邊緣相對于水平面的角度、底部形狀，以及在滑動方向和垂直于滑動方向的凹坑間距都很重要，并且潛在的氣蝕力也可能是降低摩擦效果的機制之一。

圖2 彈流動壓潤滑工況參數(shù)（卷吸速度和滾滑比）的摩擦因數(shù)響應(yīng)面[72]Fig.2 Response surface of friction coefficient for EHL parameters (entrainment speed and slide-roll ratio)[72]

空穴區(qū)域處的織構(gòu)不會影響潤滑液膜壓力和軸承承載能力，織構(gòu)區(qū)域前端會產(chǎn)生低壓效應(yīng)，而其末端會產(chǎn)生動壓效應(yīng)。織構(gòu)位于壓力上升區(qū)域時，可以提高承載能力，且承載能力隨該區(qū)域織構(gòu)表面面積的增大而增大；但織構(gòu)位于壓力下降區(qū)域時，將降低承載能力并加劇空化現(xiàn)象[73]。球-盤摩擦試驗結(jié)果表明，在低速（0.005 m/s）條件下，混合潤滑區(qū)域較小直徑（50 μm）的織構(gòu)能夠減小摩擦，而較大直徑（200 μm）的織構(gòu)表現(xiàn)出增大摩擦的效果[74]。在較低雷諾數(shù)下，位置參數(shù)對油膜承載的影響明顯，優(yōu)化參數(shù)后，油膜承載提升了59%。但當(dāng)雷諾數(shù)增大時，位置參數(shù)對油膜承載的作用逐漸減弱。此外，凹槽深度一定時，存在最優(yōu)的凹槽寬度對應(yīng)的最大油膜承載力[75]。在混合潤滑條件下，摩擦因數(shù)隨流道尺寸的增大而減小[76]。在彈流動壓潤滑條件下，凹坑的幾何形狀對織構(gòu)表面的彈性變形有明顯的影響，其最大變形量和變形范圍都與韌窩的幾何形狀密切相關(guān)。隨著載荷的增加，幾何形狀效應(yīng)越來越顯著，通過彈性變形最小的彈流潤滑，可獲得接觸表面織構(gòu)的最佳幾何形狀[77]。

1.3 邊界潤滑工況

在低速重載工況下，兩個滑動表面粗糙峰會直接接觸，在這種工況下，摩擦副通常處于邊界潤滑狀態(tài)。摩擦副運行時，表面織構(gòu)化凹坑需要產(chǎn)生靜水壓力，通過截留的潤滑劑使流體動力膜能夠起局部潤滑作用，降低摩擦因數(shù)[78]。研究表明，織構(gòu)樣品的摩擦學(xué)性能與織構(gòu)的幾何特征密切相關(guān)。與無織構(gòu)的材料相比，較淺的表面織構(gòu)設(shè)計（約0.5 μm）可減少摩擦，而較深的特征（>1 μm）通常會導(dǎo)致不利的結(jié)果[79]。在邊界潤滑條件下，凹坑深度為125 nm 的低密度點陣具有良好的減摩效果[80]。

實際接觸長度變化率成為控制局部摩擦響應(yīng)的主要因素。織構(gòu)的傾斜底部產(chǎn)生有效的楔形會聚作用，在接觸過程中產(chǎn)生動壓力，有助于控制全局摩擦作用[78]。在金屬成型過程中，模具與工件之間處于邊界潤滑狀態(tài)，模具表面微織構(gòu)對材料流動的傳遞能力與金屬板的力學(xué)性能存在強相關(guān)性[81]。激光表面織構(gòu)化可以改善金屬橡膠微絲的磨損性能，微絲織構(gòu)表面的磨損深度比無織構(gòu)的樣品小，而耐磨性隨著織構(gòu)密度的增大而增加[82]。表面織構(gòu)對氧化鋯陶瓷的潤濕性和摩擦學(xué)性能具有顯著影響，較小的凹槽寬度和適當(dāng)?shù)陌疾凵疃饶軌蛱岣哐趸喬沾傻纳锵嗳菪訹83]。

在邊界潤滑條件下，摩擦振動噪聲也是一個突出的問題，摩擦因數(shù)較大的表面會輻射出更強的摩擦噪聲。特定結(jié)構(gòu)的表面形貌能改善摩擦表面的潤滑特性，有效降低摩擦噪聲聲壓級[84]。同時，合適的表面形貌結(jié)構(gòu)也有利于潤滑油膜形成，減小系統(tǒng)摩擦能量，達到降低摩擦噪聲的效果[84]。表面織構(gòu)銷-盤線接觸副的摩擦因數(shù)降低明顯，而且摩擦因數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定。隨織構(gòu)密度的增大，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，織構(gòu)面密度為20%～35%時，減摩效果顯著[85]。

另外，不同工況下，表面織構(gòu)副摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)數(shù)、載荷的增大，均呈現(xiàn)減小的趨勢[85]。微觀織構(gòu)幾何參數(shù)之間的相互作用主要且復(fù)雜，使用常規(guī)分析或忽略因素之間的相互作用會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。在邊界潤滑條件下，微觀織構(gòu)的直徑和面積分數(shù)是影響摩擦因數(shù)的主要單一因素。雖然長度、滑動方向和深度對響應(yīng)沒有顯著影響，但它們之間的相互作用對摩擦因數(shù)和壽命有顯著影響，如圖3 所示[86]。

圖3 表面織構(gòu)參數(shù)對邊界潤滑摩擦因數(shù)和磨損壽命的影響[86]Fig.3 Effect of surface texture parameters on friction coefficient and wear life under boundary lubrication[86]

1.4 干摩擦和固體潤滑工況

在干摩擦條件下，除了少許有色金屬表面發(fā)生氧化形成鈍化膜而利于防腐耐磨外，大多材料在氧化過程中可能會形成持續(xù)的氧化磨損機制。在極為惡劣的摩擦工況下，摩擦副表面在相對運動過程中，因直接接觸而發(fā)生局部應(yīng)力集中、熱沖擊，及其導(dǎo)致的擦傷、粘著、氧化等復(fù)雜的磨損機制，促使磨損加劇和表面加速失效。在不適合流體潤滑的這種干摩擦場合下，往往通過實施固體潤滑來改善摩擦磨損性能。表面織構(gòu)技術(shù)雖不屬于一種固體潤滑的策略，但在干摩擦條件下，表面織構(gòu)有助于減小實際接觸面積，從而降低和穩(wěn)定摩擦力與摩擦因數(shù)[87]，并且表面織構(gòu)存儲摩擦過程中產(chǎn)生的磨損顆粒（見圖4），從而減少磨損并降低摩擦[88]。干摩擦工況下，固體激光織構(gòu)后的接觸面積取決于其相對取向，估計的真實接觸面積與動摩擦測量值相關(guān)[89]。

隨著特殊環(huán)境工程應(yīng)用對固體潤滑需求的不斷拓展，相關(guān)人員對固體潤滑進行技術(shù)升級，如固體潤滑劑復(fù)合[91]、織構(gòu)與固體潤滑相結(jié)合[92-93]、織構(gòu)與涂層相結(jié)合[94-95]等，并開展了諸多探索性工作。表面織構(gòu)與沉積二硫化鎢薄膜技術(shù)復(fù)合，能夠延長二硫化鎢薄膜的磨損壽命，擴大其潤滑效果[95]。球-盤摩擦試驗表明，低密度表面韌窩的氧化石墨烯薄膜能有效地降低摩擦因數(shù)[96]。與普通表面相比，微織構(gòu)化固體潤滑劑填充表面的摩擦因數(shù)降低了47.6%[67]。因織構(gòu)表面形成了固體自潤滑層和轉(zhuǎn)移潤滑膜，表面織構(gòu)鋼盤的摩擦磨損顯著降低[97]。尤其是用二硫化鎢或石墨固體潤滑劑填充織構(gòu)時，可獲得較低的摩擦因數(shù)[98]。

在滾動線接觸過程中，通常存在氧化磨損、磨粒磨損和粘著磨損。而織構(gòu)化表面填充黏結(jié)型二硫化鉬復(fù)合固體潤滑劑后，摩擦因數(shù)均隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增大而減小，并能夠在高速重載下促進轉(zhuǎn)移膜在對偶面形成，呈現(xiàn)良好的減摩性能[99]。在以往的表面織構(gòu)與固體潤滑復(fù)合技術(shù)研究中，采用單一潤滑劑（如二硫化鉬或石墨）獲得的減摩效果有時受限[48]，需要對復(fù)合固體潤滑劑的摩擦特性開展研究。在線接觸干摩擦工況下，表面織構(gòu)填充二硫化鉬和質(zhì)量分數(shù)為20%的聚酰亞胺復(fù)合潤滑時，具有最佳的減摩性能[99]。研究表明，Ag/MoS2固體潤滑涂層織構(gòu)表面的摩擦磨損性能更好，主要受控于表面織構(gòu)凹坑的大小和間距[97]。此外，銷-盤摩擦試驗表明，規(guī)則織構(gòu)表面增加了材料表面氧的吸附量，可以促進更多摩擦氧化物的形成，從而顯著提高鈦合金的耐磨性[100]（見圖5）。在碳化鎢和鎳基合金基體組成的類織構(gòu)形貌結(jié)構(gòu)和石墨潤滑相的共同影響下，耐磨性比單一鎳基合金涂層提高大約9.6 倍[101]。

圖5 表面織構(gòu)陣列對高溫干摩擦性能的影響[100]Fig.5 Effects of surface texture array on high-temperature dry friction performance[100]

綜上，表面微織構(gòu)技術(shù)的實施對摩擦副接觸界面的影響與摩擦工況密切相關(guān)。在潤滑工況下，合理設(shè)計的表面微織構(gòu)大多能夠有效降低摩擦，但影響程度又取決于表面微織構(gòu)的設(shè)計理念和制造方法。對于激光表面微織構(gòu)而言，激光與材料相互作用，致使激光最終在試樣工作表面產(chǎn)生熱效應(yīng)（激光功率較大時會產(chǎn)生力效應(yīng)）。因此，接觸表面不但具有目標(biāo)設(shè)計的微織構(gòu)形貌，而且在材料表面甚至亞表層的力學(xué)性能會發(fā)生變化，這些改變最終會以摩擦元件接觸表面硬化的表象模式來改變接觸副的摩擦學(xué)性能。但不論潤滑工況是否良好，凹體織構(gòu)總是能夠有效捕獲磨損產(chǎn)物——磨粒。另外，諸多研究結(jié)果表明，表面織構(gòu)能夠改變特定摩擦副的Stribeck 曲線（如圖6 所示，數(shù)據(jù)源于文獻[102-105]）。這種改變將會有力地調(diào)節(jié)摩擦潤滑特性，甚至重新界定潤滑區(qū)域的邊界。該特性對變工況摩擦副的摩擦學(xué)設(shè)計具有重要意義和實踐價值。

圖6 表面微織構(gòu)對潤滑行為調(diào)節(jié)特性的圖例說明Fig.6 Illustration of the regulation characteristics of surface micro-textures on lubrication behavior

2 潤滑表面織構(gòu)的幾何與拓撲研究

2.1 織構(gòu)幾何參數(shù)的設(shè)計分析

2.1.1 凹坑織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)

近年來，針對不同摩擦副表面微織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)開展了較豐富的研究，但大多數(shù)研究集中于單個因素的孤立分析和討論，而且針對幾何形狀、特征尺寸和面域分布等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)所獲得的結(jié)論并不統(tǒng)一[106-107]。在摩擦過程中，織構(gòu)微凹坑具有收集磨屑、存儲潤滑劑、降低磨損等功能。一般認為，凹坑表面產(chǎn)生的承載效應(yīng)是其靜壓和動壓效應(yīng)的綜合效果，尤其是在高速滑動條件下，表面凹坑織構(gòu)對運動副的動壓效應(yīng)起主要作用[108-109]。如在水潤滑摩擦條件下，金屬鎳表面圓形凹坑的摩擦因數(shù)保持在0.17 左右，而未經(jīng)處理試樣的摩擦因數(shù)在相同條件下超過0.65[110]。在微織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)因素方面，凹坑的直徑與面積密度對材料表面摩擦性能的影響較大，凹坑深度對摩擦性能的影響較小[111]。

摩擦因數(shù)隨凹坑直徑及間距的增大而減小[112]，但過大或過小的凹坑直徑都不利于形成油膜和降低摩擦[113]?？棙?gòu)樣品的摩擦學(xué)性能與織構(gòu)深度密切相關(guān)[114]。凹坑間距越小，則對油膜形成越有利，摩擦因數(shù)越低[113]。合理的凹坑微織構(gòu)在有/無潤滑條件下，都具有減摩效果，在潤滑條件下，減摩效果更好，同時能有效降低摩擦區(qū)的溫度。此外，在有/無潤滑條件下，凹坑微織構(gòu)的面積占比都與摩擦副的摩擦性能關(guān)系密切。在不同載荷作用下，規(guī)則微凹坑織構(gòu)存在最佳的分布密度[115]。在織構(gòu)幾何特征一定的條件下，承載力隨著面積占有率的增加而增大[116]。當(dāng)載荷條件確定時，摩擦副的摩擦因數(shù)也隨占有率的增大而降低[41]。在微凹坑直徑及深徑比不變時，存在最優(yōu)微凹坑面積率，約為30%[117]。在相同面積占有率的條件下，承載力隨織構(gòu)深度大致呈現(xiàn)上凸非線性變化規(guī)律[116]。除了織構(gòu)的分布形式對摩擦性能有很大影響外，表面織構(gòu)存在合理的凹坑深度，可以獲得較大承載力[118]。對于特定的凹坑面積密度，摩擦性能與凹坑深徑比有關(guān)，而凹坑幾何尺寸影響其承載能力[119]。與無織構(gòu)的試樣相比，較淺的織構(gòu)設(shè)計（小于0.5 μm）可減少摩擦，而較深的特征（大于1 μm）通常會導(dǎo)致不利的結(jié)果[79]。在微凹坑密度確定時，存在最優(yōu)深徑比，約為0.027[117]。

2.1.2 凹槽織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)

凹槽織構(gòu)的潤滑減摩研究主要集中在兩個方面：一是凹槽織構(gòu)的工況適應(yīng)性，二是凹槽構(gòu)型的比較研究與優(yōu)化。研究表明，凹槽織構(gòu)可降低啟動速度，并在更廣的速度范圍內(nèi)利于形成彈性流體動壓潤滑；而徑向彎曲的溝槽在混合潤滑條件下降低了摩擦，從而將邊界從過渡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠣顟B(tài)，特別是對于中等潤滑劑黏度[79]。不同類型槽的動壓潤滑性能差異顯著，梯形槽表現(xiàn)出較好的動壓潤滑性能[120]。在較低雷諾數(shù)下，織構(gòu)位置參數(shù)對油膜承載影響明顯；雷諾數(shù)增大時，位置參數(shù)對油膜承載的影響作用逐漸減弱。另外，給定凹槽深度時，存在最優(yōu)的凹槽寬度對應(yīng)著最大的油膜承載力（圖7）[75,114]。

圖7 兩種典型表面微織構(gòu)（凹坑和溝槽）的摩擦性能比較[114]Fig.7 Comparison of friction performance of surface micro- pits and grooves[114]

載荷大小對凹槽潤滑作用有重要影響。對于最小法向載荷，具有垂直于滑動方向的凹槽的試樣，膜厚最低。對于中等載荷，溝槽方向?qū)Ρ∧ず穸葲]有影響。對于最高載荷，垂直于凹槽滑動的薄膜最厚（圖8）[88]。人字形槽在增加流體動力膜厚度方面十分有效，螺旋槽在旋轉(zhuǎn)機械中的使用性能良好（圖9）[119,121]，而線性溝槽效果較差。進一步發(fā)現(xiàn)，沿滑動方向指向V形的人字形槽最為有效[106]。微槽織構(gòu)表面由于邊緣應(yīng)力集中而增加了阻力，而摩擦增量隨邊緣半徑的增大而減小[122]，在面積密度為中等值且邊緣半徑較大的情況下，可得最低摩擦因數(shù)[122]。在高速輕載工況下，V 形槽織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)比未織構(gòu)面降低50%以上[123]，平均摩擦因數(shù)隨著V形凹槽角度和邊長的增加而減小，存在優(yōu)化的槽間距使得摩擦因數(shù)達到最小[123]。也有研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格狀形貌試樣比凹坑和凹槽形貌試樣表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，其摩擦因數(shù)則隨網(wǎng)格狀織構(gòu)間距的減小而增大[68]。正弦型微溝槽表面織構(gòu)的減磨性能比直線型微溝槽的更好，尤其在重載高速工況下，正弦型微織構(gòu)脂潤滑試樣的減磨性能最好[124]。但在高溫條件下，表面織構(gòu)對摩擦的影響規(guī)律并不統(tǒng)一[125]。

圖8 表面微槽型織構(gòu)及其磨損對織構(gòu)方向的依賴性[88,126]Fig.8 Surface textured grooves and its wear dependence on texture direction[88,126]

圖9 環(huán)形摩擦元件端面實施的幾種典型微織構(gòu)示意[119,121]Fig.9 Typical surface textures implemented on the end-face of the annular friction element [119,121]

2.1.3 異形及復(fù)合織構(gòu)

隨著織構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，織構(gòu)化表面形貌的自主設(shè)計與制造成為明顯趨勢[127]。尤其是在工況條件在不同空間和時間內(nèi)不斷變化的摩擦副表面，需要綜合考慮工況變化給潤滑模式和條件帶來的麻煩與挑戰(zhàn)。因此，實施異型織構(gòu)和復(fù)合織構(gòu)成為一種重要策略?？棙?gòu)形貌特征由早期的單一方向發(fā)展為傾斜方向（圖10）[128]，幾何特征由單一形貌向復(fù)雜形貌轉(zhuǎn)變（圖11）[129]。概括地說，復(fù)合型織構(gòu)主要有兩種模式：一種是同時在不同區(qū)域?qū)嵤┎煌瑤缀翁卣鞯目棙?gòu)，即為“混合”型；另一種是先實施某種特征織構(gòu)后，在織構(gòu)區(qū)域引入另一種特征的織構(gòu)，即為“重疊”型[127]。

圖10 幾種織構(gòu)化表面磨損特征比較[128]Fig.10 Comparison of wear characteristics of several textured surfaces[128]

圖11 Ti6Al4V 合金上加工的雜化微納米結(jié)構(gòu)及其磨損形貌[129]Fig.11 Hybrid micro-nanostructures processed on Ti6Al4V-alloy and worn surfaces[129]

不同幾何特征的表面織構(gòu)往往會對潤滑工況產(chǎn)生獨特的作用模式。已有研究表明，與具有單一尺寸凹坑的織構(gòu)相比，不同尺寸凹坑混合織構(gòu)的承載能力顯著提高，這也為復(fù)合微織構(gòu)設(shè)計思想提供了重要證據(jù)[130]。研究表明，表面實施復(fù)合織構(gòu)時，壓力分布更加合理，舉升力明顯大于兩種單一織構(gòu)表面產(chǎn)生的舉升力之和，即復(fù)合織構(gòu)表面動壓潤滑效果更好[131]。表面織構(gòu)參數(shù)影響不銹鋼的摩擦學(xué)性能，其摩擦因數(shù)隨孔徑及間距的增大而減小。復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)與含有納米添加劑的潤滑油配合能顯著降低磨損，增強材料的摩擦學(xué)性能[112]。另外，具有合適孔型和孔深的菱形孔織構(gòu)可極大地改善摩擦副的潤滑性能，能夠有效降低摩擦因數(shù)。在試驗工況條件下，雙向雙列傾斜菱形孔和孔深為10 μm 的菱形孔具有較好的摩擦學(xué)特性[64]。摩擦試驗表明，混合微尺度織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)比光滑表面顯著降低32.65%。有研究者在軸承、機械密封等機械部件的接觸區(qū)域以及在刀具上，應(yīng)用混合微尺度織構(gòu)，以期獲得更高的生產(chǎn)率[57]。然而，試驗研究并不總是能取得完美的結(jié)果，如凹槽織構(gòu)對摩擦因數(shù)的影響和耐磨性的影響不同。周向橢圓形凹坑顯著地降低了摩擦表面之間的摩擦因數(shù)，但表面織構(gòu)后的耐磨性也降低。另外，對于特定的凹坑面積密度，壓痕試樣的摩擦性能與凹坑深徑比有關(guān)，而凹坑幾何尺寸影響其承載能力[119]。鐮刀形雜化微納米結(jié)構(gòu)這些問題的出現(xiàn)，為表面織構(gòu)設(shè)計與分析引入了新的課題。

除了織構(gòu)加工技術(shù)和服役材料之外，織構(gòu)試樣的摩擦性能與幾何構(gòu)型和拓撲分布關(guān)系密切（圖12）。近年來，表面織構(gòu)與潤滑介質(zhì)的親疏性[132]和仿生學(xué)特性[46,133]引起了人們的關(guān)注。典型的如應(yīng)用仿生鯊魚皮獲得抗剪減摩和捕捉磨粒的作用。此外，表面微溝槽作為潤滑油的貯存器，還可保持潤滑薄膜，實現(xiàn)較長時間的持續(xù)潤滑[134]。通過摩擦試驗，比較圓形、菱形和網(wǎng)紋3 種表面微織構(gòu)方案，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)紋具有良好的儲屑能力和多路潤滑油傳送能力，更能起到減摩抗磨的作用[135]。對超短脈沖激光毛化4 種織構(gòu)（單面、線狀、十字形、點狀）在富油潤滑條件下的收斂比進行比較，發(fā)現(xiàn)不同織構(gòu)之間存在微小區(qū)別，且與無織構(gòu)相比，總體有所改善。對于高收斂，無論載荷和織構(gòu)的相對位置如何，織構(gòu)都有利于減少摩擦；對于低收斂，位于軸承入口的織構(gòu)會顯著減少摩擦[136]。除了聚合物刷表面對潤滑液具有較強的水化作用，促進了局部潤滑膜的形成[137]外，織構(gòu)表面的微韌窩可以有效地保護聚合物電刷，從而顯著延長聚合物電刷的磨損壽命。隨著滑動速度的增加，不同織構(gòu)密度的表面微結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢，符合Stribeck 曲線特性[138]。最近研究表明，與具有單一尺寸凹坑的織構(gòu)相比，多尺寸復(fù)合凹坑織構(gòu)的承載能力顯著提高，該結(jié)果為復(fù)合微織構(gòu)設(shè)計提供了重要依據(jù)[130]。

圖12 表面織構(gòu)技術(shù)的四大“觸角”Fig.12 Four tentacles in the research of surface texturing

2.2 拓撲結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計

如前文所述，織構(gòu)試樣的摩擦性能與織構(gòu)類型、密度和尺寸密切相關(guān)。因此，從親疏潤滑介質(zhì)的角度理解和設(shè)計表面織構(gòu)，引起了人們的關(guān)注[132]，甚至衍生出表面工程一個新的熱點分支——仿生織構(gòu)摩擦學(xué)[46,133]。在陶瓷表面激光織構(gòu)制備仿生鯊魚皮和沉積二硫化鎢涂層后，摩擦因數(shù)分別降低到0.3 和0.07 左右，與單純拋光陶瓷表面相比，摩擦因數(shù)分別降低了29%和84%。另外，織構(gòu)的幾何分布影響試樣的摩擦學(xué)性能[139]，合適的表面織構(gòu)能夠有效改善摩擦性能。

對于不同的摩擦配副而言，理想拓撲結(jié)構(gòu)不僅受制于摩擦副的接觸類型，還受制于摩擦副材料性能和潤滑工況。研究表明，微織構(gòu)化鋁合金表面磨損程度減輕，當(dāng)微凹坑直徑為60 μm，即面密度為4.91%時，微織構(gòu)化鋁合金表面具有最佳的減摩和抗磨性能[140]。對于傳統(tǒng)的幾何形貌，如球坑、圓錐坑、圓柱坑、橢球坑、三角柱坑等微尺度拓撲結(jié)構(gòu)，比較其動壓潤滑性能后發(fā)現(xiàn)，工況參數(shù)的影響程度大于幾何和拓撲結(jié)構(gòu)。在織構(gòu)微尺度結(jié)構(gòu)參數(shù)中，拓撲結(jié)構(gòu)對動壓潤滑性能的影響程度大于幾何結(jié)構(gòu)的影響[108]。幾何參數(shù)對水膜承載力的影響順序為：轉(zhuǎn)速>膜厚>坑形>深徑比>面積率。該結(jié)論可為表面織構(gòu)幾何形貌的潤滑設(shè)計提供重要的因素序列。

在干燥和潤滑條件下，與無織構(gòu)表面相比，多形狀織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)更低且波動很小。在潤滑條件下觀察到較低的摩擦因數(shù)，歸功于有效的流體動力潤滑作用[141]。隨著滑動速度的增加，多形狀酒窩的有益效果變得更為顯著。另外，干摩擦條件下，在無織構(gòu)表面的接觸區(qū)域觀察到磨損顆粒，而在有凹痕的織構(gòu)表面，磨損顆粒填充在凹痕中（圖13），界面處的碎屑會增加摩擦因數(shù)并可能加速磨損[141]。織構(gòu)對稱性方面的研究表明，對稱織構(gòu)在往復(fù)運動中表現(xiàn)出相同的動壓性能，非對稱型織構(gòu)上表面運動方向相反時，動壓潤滑性能相差較大，且在某一運動方向上比單一織構(gòu)表現(xiàn)出更大的承載力[142]，這為摩擦的定向控制提供了新方案?？棙?gòu)承載力與壁面運動速度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系[142]。對于工況條件明確的特定摩擦副，應(yīng)該存在極優(yōu)織構(gòu)分布使得摩擦學(xué)性能達到最好。譬如，缸套表面的微凹坑有一定的減摩潤滑效果，且當(dāng)面積占有率為12%時，缸套的綜合性能最好[143]。

圖13 表面復(fù)合微織構(gòu)陣列的SEM 照片[141]Fig.13 SEM photos of composite micro-texture array on the surface[141]

合理的凹坑微織構(gòu)在有/無潤滑條件下都具有減摩效果，在潤滑條件下減摩效果更好，同時能有效降低摩擦區(qū)的溫度。在有/無潤滑條件下，凹坑微織構(gòu)的面積占比都與摩擦副的摩擦性能有很大關(guān)系，凹坑面積占比越大，摩擦副的摩擦因數(shù)越低，摩擦性能越好[41]。

在水基潤滑工況下，凹腔織構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的摩擦學(xué)各向異性，其中順時針方向分布的三角形織構(gòu)的減摩效果最好[144]。通過比較研究6 種不同凹腔織構(gòu)（球形、橢圓形、圓形、橢圓形、三角形和人字形）的平行滑動軸承的氣體潤滑性能，發(fā)現(xiàn)橢圓形織構(gòu)在承載能力方面表現(xiàn)最佳[145]。橢圓形凹坑不僅提供最小的摩擦因數(shù)，而且獲得了最大的軸承剛度[106]。另外，表面織構(gòu)的基本幾何形狀決定了最佳的織構(gòu)密度，而最佳的縱橫比則由凹坑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來定義[106]。對于矩形型腔陣列，隨著沿行程的型腔容積之和的增加，摩擦和磨損都將單調(diào)減少。隨著表面微細加工技術(shù)的發(fā)展，織構(gòu)形貌也日趨復(fù)雜化[145]（圖14），摩擦學(xué)功能也從單一功能向功能耦合轉(zhuǎn)變?；诖耍?納結(jié)構(gòu)的嵌套設(shè)計與協(xié)同潤滑，以及潤滑劑結(jié)構(gòu)仿生與功能仿生的結(jié)合，將是未來的重要發(fā)展方向[42]。

圖14 表面微織構(gòu)低維模式舉例及其摩擦工況[145]Fig.14 Illustration of low dimensional modes of surface micro-texture and the friction conditions[145]

3 特殊服役環(huán)境適應(yīng)性研究

近年來，隨著表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境從普通常溫環(huán)境逐漸向特殊環(huán)境（高/低溫）拓展，且研究對象逐漸多樣化，這一發(fā)展趨勢給表面織構(gòu)摩擦學(xué)引入了新的課題，尤其是表面織構(gòu)在特殊環(huán)境下的保持性和摩擦調(diào)控性能的環(huán)境適應(yīng)性等問題引起了關(guān)注。研究表明，平面織構(gòu)化試樣的潤滑性能強烈依賴于溫度，并且織構(gòu)化樣品的承載能力明顯大于非織構(gòu)化樣品[146]。通過分析液壓摩擦元件的工況條件，試驗對比不同夾角（30°、45°、60°、90°）網(wǎng)紋織構(gòu)試樣在50～80 ℃的承載能力，結(jié)果表明，網(wǎng)紋織構(gòu)承載性能均優(yōu)于參考光滑試樣。溫度較高時，油溫會極大地影響織構(gòu)樣品的潤滑性能。溫度的升高會降低油的黏度，同時會減小兩個表面之間的間隙[147]。在常溫常壓下，合理設(shè)計的表面織構(gòu)會使滑動副產(chǎn)生有益性能。但在較小的載荷和較高的溫度下，表面織構(gòu)化的減摩效果會發(fā)生改變。在常溫下，表面織構(gòu)化后的摩擦力降低了54.5%，而溫度升高時，表面織構(gòu)化后的摩擦力降低了64.4%[147]。究其原因，在高溫試驗環(huán)境下，實施表面織構(gòu)技術(shù)后，能夠有效調(diào)整表面硬度，存儲摩擦產(chǎn)生的磨屑，釋放接觸界面熱應(yīng)力，實現(xiàn)摩擦降溫等功效[148]。400 ℃時，表面織構(gòu)對潤滑油儲存作用突出，而實施凹坑密度為6%的織構(gòu)后，600 ℃下，沉積在鉭中間層的銀膜呈現(xiàn)相對穩(wěn)定且較低的摩擦因數(shù)[125]。直徑相對較小且高密度的微凹坑結(jié)構(gòu)，可改善鈦合金的高溫摩擦學(xué)性能[100]。

另外，將表面織構(gòu)技術(shù)與現(xiàn)行其他技術(shù)結(jié)合起來，成為一種新的發(fā)展趨勢。在測試溫度（30～125 ℃）下，微織構(gòu)改善了類金剛石涂層的耐磨性。耐磨性的提高，在低溫下歸功于織構(gòu)儲存流體和收集磨粒，而在高溫下歸功于織構(gòu)化涂層的低石墨化特性[149]。在30 ℃的較低溫度下，織構(gòu)化涂層可獲得更低的摩擦和磨損性能，可用于汽車凸輪/噴油嘴系統(tǒng)的耐磨涂層。另外，有研究者在8～10 ℃的近室溫環(huán)境下，開展表面微織構(gòu)與類金剛石的復(fù)合作用試驗研究，結(jié)果表明，在3 種典型工況（低速重載、中速中載、高速輕載）下，表面激光微織構(gòu)化與離子濺射類金剛石鍍層的復(fù)合技術(shù)，在摩擦性能的調(diào)控方面十分突出，尤其是在低速重載時，減摩效果顯著（見圖15）。但在磨損控制和摩擦界面溫升方面，均表現(xiàn)出工況依賴性，中速中載情況下，磨損率最低，摩擦界面溫升也較為平穩(wěn)。該試驗結(jié)果對典型接觸副的低溫摩擦學(xué)設(shè)計提供了有益參考。同時，激光重熔表面織構(gòu)化和納米顆粒摻雜改性后的高溫摩擦學(xué)性能試驗表明，表面織構(gòu)技術(shù)可以提高涂層的致密性和均勻程度[150]。諸如此類研究不斷賦予表面微織構(gòu)技術(shù)新的活力，推動了表面織構(gòu)摩擦學(xué)技術(shù)的發(fā)展（見圖16）。

圖16 表面微織構(gòu)技術(shù)與摩擦學(xué)性能的關(guān)聯(lián)魚骨網(wǎng)絡(luò)圖Fig.16 Fishbone diagram of correlation between surface texturing and tribological properties

4 結(jié)論

1）表面織構(gòu)技術(shù)在潤滑減摩抗磨設(shè)計方面成為重要研究課題，近十多年來，從理論方法到試驗技術(shù)，均取得了諸多有益進展。但在我國，表面織構(gòu)摩擦學(xué)相關(guān)成果示范和工程應(yīng)用仍然處于大范圍空白，這預(yù)示著相關(guān)研究尚不太成熟，仍需要開展深入而系統(tǒng)的表面織構(gòu)相關(guān)理論與試驗研究。

2）表面織構(gòu)形貌設(shè)計大多依據(jù)商用化軟件而開展，缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)原則或設(shè)計依據(jù)，這為織構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)和拓撲優(yōu)化增設(shè)了障礙。目前，表面織構(gòu)技術(shù)研究大多是基于單一或簡單的形貌組合及演變而開展的，對復(fù)雜織構(gòu)的幾何優(yōu)化與拓撲結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)分析與研究工作開展較少。再則，相關(guān)表面織構(gòu)研究基本上不重視原始表面的幾何特性及其交互影響，這種取舍有悖于實際的摩擦學(xué)工況。另外，相關(guān)研究突出表面織構(gòu)化對摩擦過程特性的影響和作用機理，但對摩擦過程中織構(gòu)形貌的演變機制與規(guī)律研究很少。

3）隨著表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)工程應(yīng)用范圍的擴展，表面織構(gòu)在不同應(yīng)用場景下扮演的角色或作用不斷增強，從早期的表面潤滑減摩和收集磨粒不斷向接觸面積優(yōu)化、接觸峰均熱、界面摩擦調(diào)控等方面拓展。但在重載、高/低速度、強腐蝕或氧化環(huán)境、高/低溫度、真空環(huán)境等工況下的摩擦學(xué)性能研究相對匱乏，而這些極端工況下的研究更具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

4）隨著各類納米自潤滑材料、工程涂層技術(shù)及表面織構(gòu)微精加工技術(shù)的發(fā)展，為織構(gòu)摩擦學(xué)的發(fā)展提供了廣闊空間。同時，研究開發(fā)適應(yīng)不同摩擦副型面織構(gòu)加工要求的專用表面織構(gòu)制造及處理裝備，應(yīng)該得到高度重視。

5）相關(guān)研究雖然涉獵的典型工程應(yīng)用范圍較廣，也借助相關(guān)政策性支持開展了系列化研究，但試驗研究存在數(shù)據(jù)趨同、差異小等重復(fù)性工作，而相關(guān)歸納或總結(jié)工作較缺乏，致使缺乏普適性強的理論或定量型結(jié)論。另外，研究工況差異性大而數(shù)據(jù)可比性弱化，建立相應(yīng)的摩擦學(xué)數(shù)據(jù)庫在技術(shù)層面受阻。倡議國內(nèi)相關(guān)研究單位基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展研究，共享試驗數(shù)據(jù)，聯(lián)合建立織構(gòu)摩擦學(xué)數(shù)據(jù)庫，為工業(yè)潤滑設(shè)計提供可靠的技術(shù)保障與數(shù)據(jù)支撐，助推我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展。