黃云磊，鐘林，王國榮，魏剛，彭事超

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上一次能源的1/3 都損耗于摩擦磨損，70%以上的設(shè)備損壞也是由各種形式的磨損引起的，因此減小接觸表面的摩擦磨損，對(duì)提高能源的利用率及延長設(shè)備的使用壽命具有重要意義[1]。近年來，仿生表面織構(gòu)已被證實(shí)能有效提高摩擦副表面的潤滑性能，減少摩擦磨損，受到了國內(nèi)外摩擦學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)摩擦學(xué)認(rèn)為，兩相互接觸的表面越光滑，其摩擦學(xué)性能越優(yōu)，但大量研究已證明，表面并非越光滑，其摩擦學(xué)性能就越好，具有一定形貌的表面反而表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能[2-4]。HAMILTON等[5]在1966 年提出的“微小不規(guī)則體”即為表面織構(gòu)的最初表達(dá)形式。近半個(gè)多世紀(jì)以來，表面織構(gòu)已經(jīng)在改善刀具耐磨性能[6]、改善齒輪泵摩擦副抗磨損性能[7]、提升機(jī)械密封潤滑及密封性能[8]等方面取得重大進(jìn)展。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備摩擦副的工作環(huán)境也在逐漸向深海、高溫高壓、強(qiáng)腐蝕或氧化等方向發(fā)展，面對(duì)極端工況下的摩擦學(xué)問題，傳統(tǒng)潤滑減摩手段已無法很好地滿足惡劣環(huán)境下相對(duì)滑動(dòng)摩擦副對(duì)潤滑減摩性能繼續(xù)提升的迫切要求。

表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感主要來自于自然界中體表具備幾何非光滑形態(tài)的生物體，經(jīng)過自然的進(jìn)化，形成了一些能夠保證自身優(yōu)越性能的表面微納米結(jié)構(gòu)特征，使其能夠更好地適應(yīng)周圍環(huán)境。這些生物體具有耐磨、疏水、減阻、防污等功能[9]，為表面織構(gòu)的研究提供了更多的可能性。在耐磨方面，穿山甲、蜣螂及螻蛄等在砂石、土壤中穿梭而不損傷體表，是由于其體表的非光滑形態(tài)具有優(yōu)異的抗磨和抗擠壓能力[10]，如圖1 所示；在減阻方面，蚯蚓等土壤動(dòng)物體表呈現(xiàn)多種形態(tài)的非光滑幾何形態(tài)，使它們具有減小土壤滑動(dòng)阻力的功能，利于在土壤中行動(dòng)[11]。鯊魚皮膚上生長著許多被稱為“皮膚細(xì)齒”的微米級(jí)溝槽狀鱗片，如圖2 所示，這些帶凹槽的鱗片可以減少表面渦流的形成，從而減少鯊魚在水中游動(dòng)的阻力[12-13]。

圖1 穿山甲鱗片的表面形貌[17-18]Fig.1 Surface morphology of the scale of the pangolin[17-18]

圖2 通過微復(fù)制制備的鯊魚皮表面的SEM 圖像[13]Fig.2 SEM images of the shark-skin surface prepared via microreplication[13]

表面織構(gòu)（surface texture），即在摩擦表面加工具有一定尺寸和分布的圖案陣列，是一種提高表面承載力、改善表面摩擦學(xué)特性和延長使用壽命的有效方法。目前，基于荷葉[14]、蝴蝶[14]、鯊魚[15]和壁虎[16]等功能化的表面仿生摩擦學(xué)已日益受到廣泛關(guān)注。

源于仿生非光滑表面的表面織構(gòu)已成為國內(nèi)外表面科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。NASA 蘭利研究中心的Walsh 等[19-21]模仿鯊魚表面設(shè)計(jì)并優(yōu)化了溝槽結(jié)構(gòu)，利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測試得到最高減阻率接近25%。Yu等[22]受鯊魚體表的啟發(fā)，提出了一種在微觀結(jié)構(gòu)模型中確定減阻率的新概念，使得減阻機(jī)理的分析更為簡便。實(shí)際上，仿生生物的表面形態(tài)為多尺度復(fù)雜織構(gòu)類型，作用機(jī)理比單一溝槽織構(gòu)更加復(fù)雜?？姵繜樀萚23]基于蚯蚓頭部的多尺度溝槽織構(gòu)，設(shè)計(jì)了多種梯度變化的溝槽織構(gòu)，為溝槽織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。對(duì)蚯蚓體表非光滑形態(tài)的研究為泥漿泵活塞-缸套運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)提供了思路。孫藝文等[24]以蚯蚓為仿生原型，在泥漿泵活塞表面設(shè)計(jì)加工凹坑形仿生單元體，顯著提高了其使用壽命。Zheng 等[25]將硬度梯度與六邊形紋理仿生耦合，為改善耐磨性能提供了新的策略。近年來，仿生非光滑表面在減阻、抗粘附、抗蠕爬等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果，如仿鯊魚皮的泳衣、飛機(jī)螺旋槳蒙皮貼片、高爾夫球、散熱風(fēng)扇等[26-27]，如圖3 所示。表面織構(gòu)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種控制摩擦、減少磨損、改善潤滑性能的有效手段[28]，在機(jī)械密封[29]、推力軸承[30]、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)[31]、氣缸套-活塞環(huán)[32]等機(jī)械零部件上的研究與應(yīng)用已經(jīng)獲得了一定的進(jìn)展。

圖3 表面織構(gòu)應(yīng)用實(shí)例[27]Fig.3 Application examples of surface texture[27]

1 表面織構(gòu)摩擦及潤滑性能的影響因素

1.1 表面織構(gòu)形狀的影響

表面織構(gòu)的類型繁多，主要包括凸體、凹坑、凹槽以及各類混合形貌等。圖4 展示了一些常見的表面織構(gòu)形態(tài)特征[33-34]。賈洪鐸等[35]設(shè)計(jì)了圓柱形、六邊形、密封和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)4 種類型的微凸起織構(gòu)，其中后兩種織構(gòu)化試樣的靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈。侯啟敏等[36]對(duì)凹坑形、凸包形、剛毛形和溝槽形4 種典型織構(gòu)進(jìn)行論述，其中減阻耐磨效果最優(yōu)的是溝槽形，凹坑形次之。而李一楠等人[37]則認(rèn)為相比凹坑類織構(gòu)，微凸體織構(gòu)具有不會(huì)破壞試件強(qiáng)度、剛度等物理屬性的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)微凸體形貌，不同的研究人員持不同的看法，考慮加工制造成本及潤滑減摩效果，目前表面織構(gòu)在潤滑減摩方面的研究主要以凹坑形和凹槽形為主。

圖4 表面織構(gòu)形態(tài)特征[34]Fig.4 Morphological characteristics of surface textures[34]: (a) orthohexagnal, (b) square bulge, (c) circular depression, (d) square pit, (e) parallel-groove, (f) Intersecting grid slot

尹明虎等[38]研究了矩形、圓柱形和三角形3 種微織構(gòu)對(duì)徑向滑動(dòng)軸承的影響，只有矩形織構(gòu)提升了軸承的承載能力。高元等[39]研究發(fā)現(xiàn)，相同工況條件下，矩形凹槽分布的滑動(dòng)軸承潤滑效果優(yōu)于矩形凹坑。M. Qiu 等[40]比較了球形、橢球形、圓形、橢圓形、三角形、V 形6 種凹坑織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承承載力的影響，結(jié)果表明，橢球形織構(gòu)的承載能力最高。彭龍龍等[41]對(duì)矩形、菱形、球形和雪花狀4 種表面織構(gòu)進(jìn)行研究，如圖5 所示，發(fā)現(xiàn)球形織構(gòu)對(duì)承載能力的提升最大。以上研究中，織構(gòu)分布位置、尺寸及工況參數(shù)均不同，表明滑動(dòng)軸承性能的提升不僅依賴于微織構(gòu)形狀和類型，還與織構(gòu)的分布及工況條件等息息相關(guān)。

圖5 4 種織構(gòu)形狀[41]Fig.5 Four kinds of texture shapes[41]

除了對(duì)凹坑凹槽等單一類型或單一形狀織構(gòu)進(jìn)行分析，越來越多學(xué)者開始探究復(fù)合織構(gòu)對(duì)潤滑減摩性能的影響。王國榮等[42]分析了復(fù)合織構(gòu)對(duì)柱塞密封副動(dòng)壓潤滑性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)復(fù)合織構(gòu)對(duì)動(dòng)壓潤滑性能的影響以外織構(gòu)的影響為主。鐘林等[43]在牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承軸頸表面加工出圓形、矩形、三角形及復(fù)合織構(gòu)，結(jié)果表明，圓形、矩形織構(gòu)的減摩和耐磨性能最優(yōu)，復(fù)合織構(gòu)反而增大了摩擦系數(shù)及磨損量。而Segu 等[44]通過試驗(yàn)研究證實(shí)了橢圓形凹坑和圓形凹坑兩者復(fù)合可降低摩擦系數(shù)。兩者的研究結(jié)果不一致，說明復(fù)合織構(gòu)的性能并不一定優(yōu)于單一織構(gòu)，其積極作用與分布方式、摩擦副工作環(huán)境等有關(guān)。

近年來，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，開始有學(xué)者提出一系列不規(guī)則形狀織構(gòu)。Schuh 等[45]對(duì)非對(duì)稱的表面織構(gòu)（圖6）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱表面織構(gòu)能有效降低摩擦系數(shù)，當(dāng)β=5.3°時(shí)，摩擦系數(shù)最小。李俊玲等[46]將不同直徑的圓凹坑織構(gòu)復(fù)合，得到一種非規(guī)則對(duì)稱的葫蘆形織構(gòu)，在潤滑狀態(tài)下，葫蘆形織構(gòu)具有方向性且正方向織構(gòu)的摩擦系數(shù)更小。M. S.UDDIN 等[47]提出一種“星形”織構(gòu)，與橢圓、V 形、三角形和圓形相比，“星形”織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的降低更明顯。衛(wèi)培梁[48]設(shè)計(jì)并制備了一種箏形表面織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)箏形織構(gòu)能大幅度提高油膜承載力，并減小摩擦副的摩擦系數(shù)，改善摩擦表面的摩擦學(xué)性能。通過對(duì)織構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化得到的不規(guī)則織構(gòu)，在一定條件下具有比規(guī)則織構(gòu)更優(yōu)的摩擦學(xué)性能，為織構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。大量理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，表面織構(gòu)化和保護(hù)性涂層的融合技術(shù)，可顯著提高機(jī)械配副表面的摩擦學(xué)性能[49-50]，國內(nèi)外學(xué)者以兩者的協(xié)同作用效果為重點(diǎn)開展了研究。M. Sedla?ek 等[51]在硬質(zhì)合金表面TiAlN 涂層沉積前后引入金字塔凹痕、圓錐凹痕以及激光凹痕，發(fā)現(xiàn)不管涂層沉積順序如何，激光織構(gòu)表面的摩擦學(xué)性能最優(yōu)，金字塔形的摩擦學(xué)性能最差，而先涂層后織構(gòu)的試樣，無論織構(gòu)類型如何，摩擦力都趨于降低。祁鵬浩等[52]在GCr15 鋼盤表面鍍DLC 涂層前后加工線形、圓形、V 型和微紋4 種織構(gòu)，摩擦實(shí)驗(yàn)表明：先織構(gòu)后涂層處理的表面減摩抗磨性能較差，而先涂層后織構(gòu)處理的表面摩擦學(xué)性能較好，微紋織構(gòu)與 DLC 涂層的協(xié)同最好。以上研究主要從織構(gòu)與涂層作用的先后順序和織構(gòu)形狀著手，雖然結(jié)果存在一定差異，但均證明了先涂層后織構(gòu)的加工方式有助于改善材料表面的摩擦特性。

圖6 3 種測試表面和中心線深度輪廓示意圖[45]Fig.6 Photos and centerline depth profile schematics for the three types of surfaces tested: (a) flat plate, (b) symmetric texture,and (c) asymmetric texture with β=21.7°

對(duì)比研究多種織構(gòu)形狀發(fā)現(xiàn)，就規(guī)則織構(gòu)而言，圓形、方形織構(gòu)的承載能力比其他規(guī)則織構(gòu)的承載能力更高，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，圓形織構(gòu)由于其加工方便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，而得到更加廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，也有學(xué)者提出一些不規(guī)則形狀的織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在特定條件下，其摩擦學(xué)性能優(yōu)于規(guī)則織構(gòu)。還有學(xué)者針對(duì)表面織構(gòu)和保護(hù)性涂層的協(xié)同作用效果對(duì)織構(gòu)形狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)與涂層加工的先后順序會(huì)對(duì)材料表面的摩擦特性產(chǎn)生不同的影響?？偟膩砜?，目前關(guān)于表面織構(gòu)形狀的研究大多集中在單一織構(gòu)，對(duì)于復(fù)合織構(gòu)的研究較少，復(fù)合織構(gòu)類型也比較單一，且并未對(duì)復(fù)合織構(gòu)類型、截面形狀等作深入的討論。從織構(gòu)類型上看，復(fù)合方式有凹坑-凸起、凹坑-溝槽、凸起-溝槽等；從截面形狀上看，復(fù)合方式有矩形-三角形、矩形-圓弧形、矩形-拋物線形等。隨著表面織構(gòu)技術(shù)研究的深入，多類型織構(gòu)復(fù)合及織構(gòu)和涂層的耦合作用對(duì)潤滑減摩性能的影響將成為未來研究的一大熱點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)表面織構(gòu)的加工技術(shù)提出了更高的要求。

1.2 表面織構(gòu)分布形式的影響

當(dāng)前對(duì)表面織構(gòu)排布形式的研究，主要是將多種織構(gòu)排布進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到最優(yōu)織構(gòu)分布形式。王洪濤[53]設(shè)計(jì)了3 種不同排布模式的橢圓柱形表面微凹坑織構(gòu)，如圖7 所示，在全膜潤滑條件下，3種模式織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)基本一致，但P1 和P2模式表面的動(dòng)壓承載能力比P3 模式更優(yōu)。Yue 等[54]在滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸表面上制備了與滑動(dòng)方向平行、垂直及成45°方向的微溝槽織構(gòu)，在邊界潤滑條件下，除平行分布的導(dǎo)軌外，其他分布形式的表面的摩擦系數(shù)均低于無織構(gòu)導(dǎo)軌表面。此外，也有一些研究在優(yōu)選織構(gòu)分布形式的基礎(chǔ)上，深入地探討了織構(gòu)分布的影響因素，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)織構(gòu)排布方案與織構(gòu)密度、織構(gòu)間距等參數(shù)有關(guān)。徐文靜[55]分析了在升壓區(qū)，圓形微凹坑織構(gòu)排布形式對(duì)動(dòng)壓滑動(dòng)軸承承載力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)密度的增加，不同的織構(gòu)分布均會(huì)引起軸承承載力下降。王勁孚等[56]基于N-S 方程，采用CFD方法分析不同排布形式表面織構(gòu)的潤滑特性，其中橫縱間距為250 μm×250 μm 的交錯(cuò)排布微凹坑織構(gòu)具有最高的油膜承載力。梁志強(qiáng)等[57]采用微磨削方法制備出橫向、縱向和交叉3 種微織構(gòu)刀具，發(fā)現(xiàn)溝槽間距為150 μm 的橫向織構(gòu)刀具的減摩、抗粘、降溫效果最好。

圖7 橢圓織構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)3 種排布模式[53]Fig.7 Geometry structure of elliptical textures in P1, P2 and P3 patterns[53]: a) arrange in the same direction, b) arrange in the opposite direction, c) arrange in the staggered direction

除了上述對(duì)織構(gòu)排布模式進(jìn)行對(duì)比的研究外，也有學(xué)者針對(duì)織構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從全織構(gòu)分布與部分織構(gòu)分布以及織構(gòu)分布位置等方面開展研究。Jamwal 等[58]在動(dòng)壓滑動(dòng)軸承內(nèi)表面制備了人字形微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)具有完全織構(gòu)化分布的軸承的穩(wěn)定性最優(yōu)。此結(jié)論與高元等人的研究結(jié)論出現(xiàn)分歧。高元等[39]在軸承內(nèi)表面沿圓周方向分布一列均勻的矩形凹槽，發(fā)現(xiàn)部分織構(gòu)的潤滑效果優(yōu)于完全分布織構(gòu)。究其原因，發(fā)現(xiàn)兩者的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及織構(gòu)幾何參數(shù)都不相同，因此織構(gòu)分布形式的合理選擇還需要根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)以及織構(gòu)幾何參數(shù)來確定。徐文靜等[55]對(duì)圓形微凹坑織構(gòu)在升壓區(qū)、降壓區(qū)、全織構(gòu)時(shí)的動(dòng)壓滑動(dòng)軸承油膜壓力進(jìn)行分析，得知當(dāng)織構(gòu)位于升壓區(qū)時(shí)，滑動(dòng)軸承取得較好的承載潤滑性能，而在降壓區(qū)和全織構(gòu)時(shí)，不利于軸承承載。此結(jié)果與毛亞洲等人的研究很好地吻合。毛亞洲等[59]基于Reynolds 方程，研究織構(gòu)分布在圓周方向?qū)?dòng)壓滑動(dòng)軸承油膜壓力的影響，發(fā)現(xiàn)在升壓區(qū)時(shí)，局部織構(gòu)分布的滑動(dòng)軸承具有較好的潤滑、承載性能，而在降壓區(qū)和全織構(gòu)分布時(shí)，軸承油膜壓力明顯低于無織構(gòu)軸承。此外，也有研究表明，部分織構(gòu)分布的軸承，其性能還與實(shí)際工況參數(shù)有關(guān)。Henry 等[60]發(fā)現(xiàn)局部織構(gòu)分布的止推軸承有助于減少摩擦，在低載下可減少30%，而在重載下，其性能與無織構(gòu)的平面軸承相當(dāng)，甚至更低。合理的工況參數(shù)對(duì)部分織構(gòu)分布軸承的潤滑性能起到積極作用，反之，不合理的工況參數(shù)下，反而破壞軸承的性能。

從現(xiàn)有的研究來看，合理分布的表面微織構(gòu)能有效提高潤滑減摩性能。對(duì)于同一織構(gòu)，其分布形式和分布位置不同，摩擦學(xué)性能也有較大差異，研究結(jié)果甚至可能出現(xiàn)相互矛盾。這是因?yàn)椴煌芯酷槍?duì)的織構(gòu)化表面的材料、工況參數(shù)各不相同，采用的研究方法也有區(qū)別，不同分布形式出現(xiàn)的結(jié)果也存在差異，因此對(duì)于表面織構(gòu)分布形式的研究，在參考理論研究的同時(shí)，需要考慮織構(gòu)的潤滑狀態(tài)、分布位置等實(shí)際條件。

1.3 表面織構(gòu)幾何參數(shù)的影響

幾何參數(shù)是影響表面織構(gòu)潤滑減摩性能的關(guān)鍵因素之一，設(shè)計(jì)最合適的表面織構(gòu)幾何參數(shù)可使織構(gòu)化表面獲得最優(yōu)的摩擦學(xué)特性和潤滑性能。

表面織構(gòu)的深度、深徑比、面積比等都是影響摩擦磨損的重要幾何參數(shù)。齊燁等[61]發(fā)現(xiàn)在一定的工況條件下，存在最優(yōu)的凹槽深度，使得油膜的承載能力最強(qiáng)，動(dòng)壓潤滑效果最優(yōu)。厲淦等[62]在316L 不銹鋼表面制備出不同尺寸的溝槽型表面微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)溝槽寬度為100 μm 和溝槽間距為200 μm 時(shí)，織構(gòu)具有最佳的減摩抗磨特性。Janssen 等[63]對(duì)皮秒激光結(jié)構(gòu)化樣品進(jìn)行了銷-盤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，微凹坑的深徑比是影響摩擦副摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。Meng 等[64]對(duì)W-S-C 固體潤滑劑與激光表面織構(gòu)結(jié)合的研究表明，在一定的范圍內(nèi)，織構(gòu)密度越大，減摩效果越好。孫建芳等[65]在鈦合金表面構(gòu)造出4 種不同密度的織構(gòu)分布，發(fā)現(xiàn)干摩擦條件下存在最優(yōu)織構(gòu)密度（8.7%），使得鈦合金表面減摩抗磨性能最好。以上研究大多針對(duì)某一特定潤滑條件或干摩擦進(jìn)行分析，然而，實(shí)際工作中，摩擦副大多處于混合潤滑狀態(tài)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其潤滑狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)乏油的情況。李亞軍等[66]在45 鋼表面制備了不同密度的表面織構(gòu)，在干摩擦和乏油條件下，當(dāng)織構(gòu)密度為8.1%時(shí)，抗磨效果最好。蔡興興[67]研究了混合潤滑狀態(tài)下不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦潤滑性能的影響規(guī)律，輕載荷下，對(duì)于圓形織構(gòu)，最優(yōu)摩擦潤滑性能的幾何參數(shù)為：織構(gòu)面積率20%，半徑100 μm，深度17 μm。路繼松等[68]建立了帶有表面織構(gòu)的水潤滑軸承混合潤滑模型并數(shù)值求解，研究表明，表面織構(gòu)能否改善潤滑性能與其深徑比及面密度參數(shù)密切相關(guān)。

隨著研究的深入，有研究表明，表面織構(gòu)的最佳幾何尺寸會(huì)受到工況條件、潤滑方式等因素的影響。何霞等[69]探究了不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆頭滑動(dòng)軸承承載力和摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在不同偏心率條件下，摩擦系數(shù)均隨著深度的增加而先降低后上升，且摩擦系數(shù)小于無織構(gòu)光滑軸承。李東志等[70]利用CFD方法考慮有無空化時(shí)織構(gòu)深度對(duì)油膜承載性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)深度的變化，總存在一個(gè)最優(yōu)織構(gòu)深度，使得油膜的承載力最大，且最優(yōu)深度值與空化有關(guān)。Arslan 等[71]發(fā)現(xiàn)在潤滑滑動(dòng)條件下，織構(gòu)深度對(duì)DLC 涂層磨損率的影響呈現(xiàn)先減少后增長的趨勢。蘇峰華等[72]研究發(fā)現(xiàn)，在PAO6 油潤滑條件下存在最優(yōu)深度（10 μm），使得不銹鋼表面的抗磨和減摩效果最優(yōu)，如圖8 所示。楊國來等[73]對(duì)軸向柱塞泵配流副進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，最佳深徑比與織構(gòu)形狀相關(guān)，矩形和圓弧織構(gòu)的最佳深徑比為1∶5，三角形和等腰梯形織構(gòu)的最佳深徑比為1∶4。蔣雯[74]發(fā)現(xiàn)，在不同工況條件下，溝槽織構(gòu)均存在最優(yōu)面密度，隨著載荷的增大，最優(yōu)面積密度值逐漸減小。從以上研究可以看出，偏心率、潤滑條件不同，最優(yōu)織構(gòu)深度存在差異，最優(yōu)面密度也與載荷條件有關(guān)，因此具體的幾何參數(shù)往往需要結(jié)合實(shí)際工作條件才能確定。

圖8 不同深度溝槽的表面磨損形貌SEM 照片[72]Fig.8 SEM micrographs of the worn textured surface with different groove depths[72]

近年來，針對(duì)典型的幾何參數(shù)，有學(xué)者考慮它們對(duì)潤滑減摩性能的影響是否存在主次順序。張東亞等[75]研究了表面織構(gòu)參數(shù)（直徑、面密度、深度）對(duì)滑靴副摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，各因素的主次順序?yàn)椋褐睆?面密度>深度。衛(wèi)培梁[48]探究了箏形織構(gòu)各參數(shù)（面積率、傾斜角度、深度、邊夾角、織構(gòu)大?。?duì)摩擦系數(shù)的影響，結(jié)果表明，各參數(shù)的主次順序?yàn)椋荷疃?織構(gòu)大小>傾斜角度>邊夾角>面積率。董保棟[76]研究發(fā)現(xiàn)，交叉溝槽織構(gòu)的寬度、深度和交叉角度對(duì)表面流體動(dòng)壓潤滑性能的影響比溝槽間距和重疊系數(shù)更顯著?？梢钥闯觯壳皩?duì)于幾何參數(shù)影響主次順序的研究缺少系統(tǒng)性，但為織構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

以上研究主要討論了織構(gòu)深度（hp）、面積比（sp）、深徑比（μ）等幾何參數(shù)的影響，其中織構(gòu)深度是影響表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素。在單一幾何參數(shù)（就織構(gòu)深度而言）的作用下，在不同的潤滑條件下，存在最優(yōu)織構(gòu)深度使得潤滑效果最佳。然而在與深徑比、面積比等幾何參數(shù)共同作用時(shí)，最優(yōu)織構(gòu)深度的范圍存在一定差異。值得深究的是，對(duì)于不同潤滑狀態(tài)、不同幾何參數(shù)組合，能否用一個(gè)歸一化的方程f(hp,sp,μ,...)去解釋。

1.4 工況參數(shù)的影響

除織構(gòu)分布形式、形狀和幾何參數(shù)外，工況參數(shù)也是影響表面織構(gòu)摩擦及潤滑性能的重要因素。工況條件不同，表面織構(gòu)體現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能也不相同[77]。

苗嘉智等[78]在缸套切片表面制備了一種微凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)合適的工況條件，使其能最有效地改善摩擦學(xué)性能。張東亞等[79]在錫基巴氏合金基體上制備凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)速度和載荷均影響矩形陣列織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。Mohmad 等[80]在活性炭復(fù)合材料表面制備激光織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而降低，隨著載荷的增加而增加，此結(jié)果與姜莉莉[81]的研究結(jié)果一致。李直等[82]發(fā)現(xiàn)在線接觸彈流狀態(tài)下，隨著載荷和轉(zhuǎn)速的變化，不同程度的彈性變形導(dǎo)致接觸表面間潤滑性能不同。以上研究表明，在不同的工況下，表面織構(gòu)的潤滑減摩作用效果不一，因此分析速度和載荷等工況參數(shù)在工作過程中所占權(quán)重，對(duì)優(yōu)選合適的工況參數(shù)尤為重要。宋克峰[83]研究發(fā)現(xiàn)，PTFE 表面織構(gòu)的摩擦系數(shù)和磨損深度隨著載荷和滑動(dòng)速度的變化規(guī)律相同，最佳的工況條件為：載荷5 N，滑動(dòng)速度5 cm/s。高元[84]發(fā)現(xiàn)，不同工況條件下，織構(gòu)改善潤滑性能的效果不同，低載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)效果較為明顯。姜莉莉[81]研究發(fā)現(xiàn)，在高速輕載條件下，微凹坑織構(gòu)表面具有較好的減摩抗磨性能。可以看出，目前關(guān)于最優(yōu)工況參數(shù)組合的研究結(jié)果并不完全一致，但總的來看，高速輕載工況下，表面織構(gòu)具有較優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

除了典型的工況（速度、載荷），也有不少學(xué)者根據(jù)摩擦副所處的工作環(huán)境，對(duì)潤滑油黏度、頻率、壓力等工況參數(shù)進(jìn)行研究。何霞等[85]選用低黏度L-CKD150 潤滑油和高黏度復(fù)合鋰基潤滑脂為潤滑介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)相同工況下，高黏度的潤滑脂潤滑時(shí)，最優(yōu)織構(gòu)直徑更大。馬明明等[86]測試了圓臺(tái)形凹坑織構(gòu)表面在水、海水和油介質(zhì)中的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)表面在油介質(zhì)中的摩擦系數(shù)和磨損量最小。解玄等[87]在脂潤滑條件下分別研究載荷和往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)軸承鋼GCr15 材料表面摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨載荷和往復(fù)頻率的增加呈平緩下降趨勢。何霞等[85]在圓形微凹坑織構(gòu)的鈹青銅盤試樣表面開展銷-盤摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摩擦學(xué)性能差異主要與接觸壓力及試樣間的相對(duì)速度有關(guān)。路慧彪等[88]通過CFD 方法分析發(fā)現(xiàn)，流體潤滑時(shí)，隨著入口壓力的增加，織構(gòu)的承載力也會(huì)線性成比例的增加。張生光等[89]發(fā)現(xiàn)，在乏油工況下，隨著速度和供油量的增加，織構(gòu)表面的潤滑油膜厚度和摩擦系數(shù)存在最優(yōu)值。實(shí)際上，目前針對(duì)不同工況下表面織構(gòu)潤滑減摩性能的理論與試驗(yàn)研究相對(duì)都比較欠缺，特別是針對(duì)極端工況條件，可以說是研究領(lǐng)域的一塊空白所在，非常具有進(jìn)一步深入研究的必要性。

通過對(duì)比分析可知，載荷和速度是目前影響表面織構(gòu)摩擦及潤滑性能最重要的因素之一，并存在一個(gè)最優(yōu)的數(shù)值，使得織構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。但表面織構(gòu)的潤滑減摩作用不僅受到載荷和速度的影響，同時(shí)與溫度、相對(duì)濕度、表面粗糙度等有密切關(guān)系。一方面，目前工況參數(shù)的研究多集中于載荷、速度等單一參數(shù)，對(duì)于高速重載、低速重載等組合工況參數(shù)對(duì)表面織構(gòu)摩擦及潤滑性能影響的研究較少；另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)機(jī)械設(shè)備的壽命和可靠性等提出了更高的要求，表面織構(gòu)摩擦副工況參數(shù)的研究也需要向著高溫高壓、強(qiáng)腐蝕等方向發(fā)展。

2 表面織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)制

表面織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)制與潤滑狀態(tài)有關(guān)，在不同的潤滑狀態(tài)下，表面織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)制不同。目前，潤滑狀態(tài)主要有流體潤滑、邊界潤滑和干摩擦[90]。

Stribeck 曲線能夠顯示不同潤滑狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換（如圖9 所示[91]），被認(rèn)為是一種判斷潤滑狀態(tài)簡單且有效的方法。萬軼等[92]根據(jù)膜厚比λ=hmin/R，在Stribeck 曲線上將潤滑機(jī)制分為3 種：邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑。在流體潤滑狀態(tài)下主要表現(xiàn)為微流體動(dòng)壓作用，摩擦副表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將黏性流體帶入微凹坑區(qū)域，形成厚度為1～100 μm 量級(jí)的黏性流體膜，并在每個(gè)微凹坑區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不對(duì)稱的壓力分布，使?jié)櫥ぞ哂幸欢ǖ某休d力以承受載荷，如圖10a 所示[28,93]。不少研究表明，表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤滑性能會(huì)受面積率和深徑比[94]、形狀[95]、相對(duì)位置變化[96]、摩擦副接觸方式變化（線接觸-面接觸）[97]等的影響。項(xiàng)欣等[98]研究表面織構(gòu)分布區(qū)域?qū)δΣ粮蹦Σ翆W(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)中間織構(gòu)通過形成局部流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，提高了摩擦副的承載能力，降低了接觸表面的摩擦系數(shù)。在邊界潤滑狀態(tài)下，主要表現(xiàn)為“二次潤滑”效應(yīng)，摩擦副表面潤滑劑中的極性分子與摩擦表面吸附形成一層厚度為0.005～0.010 μm 且與潤滑介質(zhì)性質(zhì)不同的邊界潤滑膜[34,76]，此時(shí)摩擦面的間隙逐漸減小，表面微凸體相互作用加強(qiáng)，邊界膜膜厚遠(yuǎn)小于粗糙峰高度，如圖10b 所示，微凸體與潤滑劑表面之間的邊界潤滑膜承受大部分載荷[99-102]。周劉勇等[103]對(duì)邊界潤滑下仿鯊魚皮織構(gòu)的減摩性能機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)的不斷磨損，溝槽中存儲(chǔ)的潤滑油不斷溢出，形成“二次潤滑”。紀(jì)敬虎等[104]發(fā)現(xiàn)，低載時(shí)，表面處于流體動(dòng)壓潤滑狀態(tài)，載荷由潤滑油膜所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力承擔(dān)，而高載時(shí)，表面處于邊界潤滑狀態(tài)，溝槽織構(gòu)起到儲(chǔ)存潤滑介質(zhì)、為摩擦表面提供和補(bǔ)給潤滑劑的作用。在干摩擦狀態(tài)下主要表現(xiàn)為磨屑“儲(chǔ)存”作用，零件表面由于摩擦?xí)纬赡バ?，隨著摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨屑會(huì)在接觸面上形成犁溝，破壞表面形貌[105]，表面織構(gòu)的工作機(jī)制主要包括儲(chǔ)存和容納磨粒、磨屑，減少由于其犁溝作用產(chǎn)生的高摩擦磨損對(duì)基體產(chǎn)生二次磨損[106]，如圖10c 所示。高貴等[107]對(duì)聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)，在接觸應(yīng)力作用下，磨屑中的納米粒子與織構(gòu)底部及側(cè)面的粗糙峰形成機(jī)械互鎖，提高了磨屑的附著力。段仁慧等[108]發(fā)現(xiàn)316 不銹鋼試樣在干摩擦條件下的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損和氧化磨損，表面的凹槽織構(gòu)起到捕捉、存儲(chǔ)磨屑的作用。Xuemu Li 等[109]在Al2O3/TiC 陶瓷表面上生產(chǎn)仿生鯊魚皮，干摩擦下，其作用主要是捕獲磨屑，減少剪切應(yīng)力。

圖9 織構(gòu)表面潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變效果圖[91]Fig.9 Effect picture of lubrication state transition on textured surface[91]

圖10 （a）表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤滑形成機(jī)理[28]；（b）活塞環(huán)-缸套之間的局部油膜示意圖[102]；（c）干摩擦情況下作用機(jī)制[106]Fig.10 (a) Formation mechanism of fluid hydrodynamic lubrication of surface texture[28]; (b) Schematic diagram of the local oil film between a ring and textured liner[102]; (c)The mechanism of surface texture under dry condition[106]

一些學(xué)者[1,110-112]在考慮試件表面粗糙度的情況下，對(duì)其流體動(dòng)壓潤滑性能進(jìn)行研究。粗糙的織構(gòu)系統(tǒng)存在宏觀尺度和局部尺度，局部尺度包括織構(gòu)尺度和粗糙度尺度，涉及到表面織構(gòu)或表面粗糙度，對(duì)潤滑接觸有較大的影響，如圖11 所示。但研究者往往忽略了摩擦副表面的動(dòng)態(tài)磨損，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，表面織構(gòu)本身也存在摩擦磨損，織構(gòu)的粗糙度、形狀、幾何參數(shù)等也隨之發(fā)生變化，對(duì)織構(gòu)的潤滑減摩性能也存在一定影響。

圖11 織構(gòu)表面存在的不同尺度[110]Fig.11 Different scales of the rough textured surfaces[110]

此外，表面織構(gòu)對(duì)材料表面潤濕性具有直接影響，而潤濕性與摩擦學(xué)性能相互關(guān)聯(lián)[113-114]。有一些研究對(duì)織構(gòu)表面的潤濕性及摩擦學(xué)性能進(jìn)行了討論。王新宇等[115]發(fā)現(xiàn)，與未織構(gòu)的DLC 涂層相比，PAO潤滑油在織構(gòu)化處理的DLC 涂層樣品表面具有更好的潤濕性和摩擦學(xué)性能。N. Coniglio 等[116]研究發(fā)現(xiàn)，潤濕性與表面紋理的尺度及表面粗糙度有關(guān)。馬明明等[113]探討凹坑形織構(gòu)對(duì)表面潤濕性和摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在其研究條件下，凹坑形貌對(duì)摩擦學(xué)性能的影響大于對(duì)潤濕性的影響。王權(quán)岱等[117]發(fā)現(xiàn)，材料表面潤濕性在不同潤滑狀態(tài)下對(duì)摩擦學(xué)特性有顯著的影響?？梢?，表面織構(gòu)既影響表面潤濕性，也影響表面的摩擦學(xué)性能[118]，潤滑狀態(tài)、潤滑介質(zhì)、織構(gòu)參數(shù)、涂層織構(gòu)化順序等都對(duì)表面潤濕性具有影響，針對(duì)潤濕性亟需更加深入、系統(tǒng)性的研究。

關(guān)于表面織構(gòu)對(duì)改善潤滑及減摩性能的機(jī)理，目前被普遍認(rèn)可的有：微流體動(dòng)壓作用[119]、“二次潤滑”效應(yīng)[120]、磨屑“儲(chǔ)存”作用[121]、接觸面積減少效應(yīng)[122]等。掌握表面織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)織構(gòu)化表面具有指導(dǎo)性的意義。早期的織構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過不斷試錯(cuò)，選擇適合配副結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行工況的織構(gòu)設(shè)計(jì)，這種“試錯(cuò)法”低效且不經(jīng)濟(jì)[123]?，F(xiàn)有研究對(duì)于表面織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)制已經(jīng)逐漸完善，但是對(duì)于高速和重載等極端工況、多類型復(fù)合織構(gòu)以及動(dòng)態(tài)磨損下的作用機(jī)制，國內(nèi)外尚未涉及，還缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，例如高速重載下，齒輪織構(gòu)減摩特性及其復(fù)合潤滑介質(zhì)的作用機(jī)制等。

3 總結(jié)與展望

本文分析了表面織構(gòu)的類型及潤滑減摩機(jī)制，并對(duì)表面織構(gòu)形狀、織構(gòu)分布形式、織構(gòu)幾何參數(shù)、工況參數(shù)等影響織構(gòu)化表面潤滑減摩性能的因素進(jìn)行總結(jié)。對(duì)織構(gòu)化表面潤滑減摩性能的研究主要分理論研究和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)方面。理論方面，一般采用N-S方程、Reynolds 方程等方法，通過建立理論模型或數(shù)值仿真分析微織構(gòu)類型、幾何參數(shù)等因素的變化對(duì)其潤滑減摩的影響。實(shí)驗(yàn)方面，一般采用單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)等方法，從摩擦系數(shù)、磨損量、油膜壓力等方面分析摩擦副表面潤滑減摩機(jī)理?，F(xiàn)有研究基本表明表面織構(gòu)的積極作用會(huì)受織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、織構(gòu)幾何參數(shù)和工況參數(shù)等摩擦試驗(yàn)參數(shù)影響，而最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)組合往往需要綜合考慮接觸類型、工作環(huán)境等復(fù)雜因素。因此，針對(duì)實(shí)際工況下的織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常有必要的。

表面織構(gòu)在摩擦學(xué)領(lǐng)域中雖已取得許多優(yōu)秀的研究成果，但整體研究仍缺乏系統(tǒng)性和綜合性，結(jié)合表面織構(gòu)的應(yīng)用需求和研究現(xiàn)狀，建議未來應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面的研究：

1）在典型凹坑、溝槽型織構(gòu)和單一織構(gòu)參數(shù)調(diào)控潤滑減摩規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，多參數(shù)耦合、復(fù)雜形狀和復(fù)合類型協(xié)同作用下，表面織構(gòu)影響潤滑減摩性能的規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究。

2）表面織構(gòu)與涂層/薄膜體系耦合作用下協(xié)同調(diào)控潤滑減摩的機(jī)制尚不清楚，需深入地探究其機(jī)理。

3）考慮利用一個(gè)統(tǒng)一方程或歸一化參數(shù)統(tǒng)一判斷評(píng)價(jià)織構(gòu)潤滑減摩性能，優(yōu)化織構(gòu)的參數(shù)組合，探索織構(gòu)潤滑減摩機(jī)理，結(jié)合人工智能的方法，探索多參數(shù)耦合作用下表面織構(gòu)潤滑減摩的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及評(píng)估方法。

4）針對(duì)表面織構(gòu)在時(shí)空尺度上動(dòng)態(tài)磨損的問題，建議采用多尺度耦合的方法搭建微觀到宏觀尺度溝通的橋梁，開展表面粗糙度、織構(gòu)形狀、幾何參數(shù)等表界面參數(shù)和潤滑介質(zhì)性能動(dòng)態(tài)變化對(duì)滑動(dòng)界面磨損性能的影響機(jī)制研究。

5）開展表面粗糙度與表界面微納米織構(gòu)耦合作用下潤滑減摩性能的研究，可能是未來仿生織構(gòu)摩擦學(xué)研究的熱點(diǎn)。

6）表面織構(gòu)的工業(yè)化制造技術(shù)及裝備是制約表面織構(gòu)工程化應(yīng)用的主要痛點(diǎn)，亟需攻關(guān)突破高效率、高質(zhì)量、低成本的復(fù)雜曲面微納米織構(gòu)的加工、表征及評(píng)價(jià)技術(shù)。

表面織構(gòu)技術(shù)已被證明在改善潤滑效果、提高抗磨損性能方面具有積極作用，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，未來必將成為機(jī)械裝備降耗增壽的變革性技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備的可靠使用、延壽和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，未來應(yīng)大力推進(jìn)表面織構(gòu)的工程化應(yīng)用。