表面织构减阻功能结构制造研究进展

第50卷第12期表面技术2021年12月SURFACE TECHNOLOGY·217·表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展黄云磊，钟林，王国荣，魏刚，彭事超（西南石油大学，成都 610500）摘要：表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构，这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能。

国内外研究也一致表明，表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段，可使材料表面实现自润滑效果，并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损。

从表面织构的形态特征及其作用机制出发，对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析。

讨论了表面织构形状（规则织构、不规则织构等）、织构分布形式（全织构分布、部分织构分布等）、织构几何参数（深度、面积比、深径比等）、工况参数（载荷、速度等）等因素，对织构化表面润滑减摩性能的影响，同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题。

提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制，考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究，从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用。

关键词：表面织构；摩擦；润滑；减摩；表面粗糙度；涂层中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2021)12-0217-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2021.12.022Research Status and Progress of Surface TextureLubrication and Friction ReductionHUANG Yun-lei, ZHONG Lin, WANG Guo-rong, WEI Gang, PENG Shi-chao(Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)ABSTRACT: Surface texture is a kind of micro-nano structure derived from the non-smooth surface of natural organisms.These microstructures enable organisms to exhibit excellent self-lubricating, anti-wear and friction reduction properties during the evolution process. The studies at home and abroad have also consistently shown that surface texture is an effective means to improve the tribological performance of the surface, which can realize the self-lubricating effect of the material surface and reduce the premature failure of mechanical equipment and the energy consumption caused by friction and wear. In this paper, from the perspective of the morphological characteristics of surface texture and its mechanism of action, the research status and收稿日期：2020-11-29；修订日期：2021-06-01Received：2020-11-29；Revised：2021-06-01基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0310201，2019YFC0312305）；国家自然科学基金面上项目（51775463）；国际合作项目（2019-GH02- 00055-HZ）；省级大学生创新创业训练项目（S202010615075）Fund：National Key R&D Program of China (2018YFC0310201, 2019YFC0312305); General Program of the National Natural Science Foundation of China (51775463); International Cooperation Projects (2019-GH02- 00055-HZ); College Students' Innovative Entrepreneurial Training Plan Program (S202010615075)通讯作者：钟林（1985—），男，博士，实验师，主要研究方向为油气装备的仿生摩擦学。

仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究共3篇仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究1仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究随着现代科技的不断进步，仿生学作为一种新兴的研究方向，受到了越来越多的关注。

仿生学是通过对生物体的形态、功能、行为等特征进行研究，来设计新材料、新装置或新系统的一门学科。

仿生学不仅能够解决科学技术方面的问题，还能为环境保护、工业生产等多个领域提供技术支持。

其中，仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究是当前研究的热点之一。

超疏水材料具有抗粘附、自清洁和抗腐蚀等优异的性能，对于液体的微纳级传输和分离具有重要应用价值。

如何设计制备具有超疏水性能的表面材料，一直是材料科学领域的难题。

仿生学为这个难题的解决提供了思路。

仿生超疏水功能表面是通过生物表面的微观结构和化学组成，来制备超疏水材料的表面。

例如，以荷叶表面为模板，制备出仿生超疏水表面就是目前的研究热点。

制备仿生超疏水功能表面主要分为两步，即基础表面处理与微观结构化制备。

其中，基础表面处理主要是对基础表面材料进行改性，以便于制备出具有微观结构的超疏水表面。

微观结构化制备则是通过对表面的化学和物理过程进行控制，来制备出具有各种不同形貌和大小的微观结构，从而实现超疏水的性能。

制备出仿生超疏水功能表面后，需要对其性能进行表征和应用研究。

其中，表征方法主要包括接触角测试、接触角滞后测试、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等。

应用研究方面，仿生超疏水功能表面已经应用于防水、防腐、油水分离、普通自清洁等多个领域。

虽然仿生超疏水功能表面的研究有了重要进展，但在复杂环境中应用时仍面临着挑战和不足。

例如，在高湿度环境下，仿生超疏水表面易出现气体泡沫覆盖导致超疏水性能下降。

此外，仿生超疏水表面的制备成本较高，难以大规模应用。

因此，未来的研究需要解决这些问题，以便更好地推广和应用仿生超疏水功能表面。

综上所述，仿生超疏水表面是一种新型的材料表面，具有重要应用价值。

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。

分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。

关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。

通信作者：李田博士。

Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。

超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【摘要】减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制各方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其存石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2010(040)003【总页数】9页(P241-249)【关键词】超疏水;润湿性;表面滑移;减阻;纳米颗粒吸附法【作者】王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【作者单位】【正文语种】中文近年来,随着扫描电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM)的出现,人们观察到了荷叶的表面微结构,研究表明,正是由于这种微结构的存在,使得荷叶具有良好的超疏水和自清洁效应[1].Barthlott等[2]把荷叶的这种行为称之为“荷叶效应”.Cottin等[3]研究发现,具有类荷叶表面的这种微纳米结构的超疏水表面可以明显降低流动的阻力,越来越多的实验和模拟结果表明具有微结构的超疏水表面可以出现明显的滑移现象.Choi等[4]通过实验研究发现,当他们制备的“纳米草皮”表面表现为超疏水性时,滑移长度能够达到几十微米.Li等[5]利用分子动力学模拟表明,当表面的微结构高度达到微米量级时,滑移长度接近50µm.基于超疏水表面的疏水性和滑移效应,人工制备的超疏水表面在工业生产和人们的日常生活中的应用越来越广泛.例如,汽车挡风玻璃、建筑物的门窗、天线表面的防雪防雨[6]、水下航行器表面减阻[7]、石油储层微孔道的表面改性及注水阻力降低技术等[8∼10].本文主要对超疏水表面的物理基础、相关润湿性理论、仿生超疏水表面、表面滑移理论及与之相关的减阻技术的研究进展作一较详细的综述与分析,并对其在石油降压增注中的应用进行简单描述.通常所说的超疏水表面是指接触角大于150◦、滚动角小于10◦ 的表面.Young[11]给出了光滑表面的关系式式中,θY表示该光滑表面的本征接触角;γsv,γsl和γlv分别代表固/气、固/液和液/气之间的表面张力.从上式可以看出,只要知道三相之间的表面张力,就可以求出表面接触角.但是平面是一种非常特殊的接触面,绝大多数接触面都是非平面的情况.Wenzel[12]针对具有一定粗糙度的表面,引进了表面粗糙度因子r并提出如下修正后的关系式式中,θW表示 Wenzel模型下表面的表观接触角;粗糙度因子r定义为固体表面的真实接触面积与表观接触面积之比.由于粗糙度因子r总是大于1,因此对于疏水表面 (接触角大于90◦)来说,粗糙表面的接触角总是大于同样情况下光滑表面的接触角.对于由空气和固体材料组成的复合表面,Cassie和Baxter[13]提出这里,θc表示 C-B模型下表面的表观接触角;ϕs表示固/液界面的面积分数.从上式中可以看出,粗糙表面的表观接触角随着固/液接触面的减少而增加,图1为3种接触角模型.Onda等[14,15]研究了不规则的分形结构,并给出了如下的接触角计算公式式中,θf表示不规则分形结构下表面的表观接触角;(L/l)D−2表示表面粗糙因子;L和l分别表示具有分形结构表面的上限和下限尺度;D是分形维.通过变换粗糙因子r=(L/l)D−2,上式可以写成如下形式上式描述了具有分形结构粗糙表面的接触角和光滑表面的接触角之间的关系.图2是Barthlott[2]用SEM观测到的荷叶表面.从图中可以清晰的看到荷叶表面的双层结构,即微米级的乳突和纳米级的蜡晶,正是这种微纳米结构增强了表面粗糙度,从而构成了荷叶表面的超疏水和自清洁特性[1].测试结果表明,新鲜荷叶表面接触角可达160◦,而滚动角只有2◦左右.Cheng等[16]通过实验分别对新鲜的荷叶、干燥的荷叶和经过焙烧的荷叶表面进行了观测,结果显示加热到150◦之后,荷叶表面的微纳米双层结构消失,同时此时的荷叶不再具有超疏水性能和自清洁效应,这就从实验的角度验证了,正是由于表面的微纳米双层结构,才使荷叶表现出超疏水和自清洁性能.Gao等[17]和Autumn等[18]分别发现了水黾腿部和壁虎脚上同样具有微纳米复合结构,并且具有超疏水特性.Marmur[19]分析了以抛物状假设的乳突以及相互之间的距离与产生超疏水表面的关系.结果表明,荷叶的这种双重微纳米结构使得液滴不容易侵入微结构,乳突之间的距离与形状非常有利于产生超疏水表面.李鼎[20]研究了以均匀球形颗粒修饰表面的润湿状况,并提出了形成复合表面的临界覆盖率计算公式式中,θs表示基底的接触角,θp表面纳米颗粒的接触角,∆P为液体和气体的压强差,γlv表示气液间表面张力,rp表示球形颗粒的半径.Patankar[21]认为表面从复合润湿状态向完全润湿状态转变时,表观接触角变化越小就说明该表面越稳定,适当调整微结构之间的距离可以得到理想的稳定的超疏水表面.Extrand[22,23]和 Gao等[24]研究发现决定表面润湿性的是三相接触线而非接触面.Extrand[22,23]提出只有满足接触线密度大于临界接触线密度,同时粗糙高度大于临界粗糙高度时,才可能产生超疏水表面.任露泉等[25]根据典型植物表面性能建立了理想疏水表面的数学模型,并对它们的性能进行了研究.Masashi等[26]通过对不同粗糙度表面润湿角的观测,讨论了超疏水表面上表面粗糙度对润湿角的影响,提出了液滴是否侵入微结构是影响接触角滞后的一个重要因素.Gao等[27]分别从动力学和热力学角度进行分析,通过对仅具有微米级结构和同时具有微、纳米结构的表面对比发现,微纳米双重结构可以明显的减少接触角滞后现象.滚动角大小可以导致不同的亲润性能.Neinhuis和 Barthlott[28]的调查结果显示有很多植物的表面虽然具有很大的接触角,但是由于它们的滚动角也很大,因此它们不具有疏水性能.Johnson和Dettre[29]研究了前进角和后退角与粗糙度的关系,发现增加接触面的粗糙度不仅可以使接触角变大,而且还可以减小接触角滞后现象,从而进一步增加接触面的疏水性能.Furmidge[30]从前进角和后退角方面提出了如下关系式式中,α为表面滚动角,m和w分别表示液滴的质量和半径,θR和θA分别表示液滴在表面上的后退角和前进角.从式中可以看出滚动角的大小不仅仅和后退角、前进角有关系,还与液滴的大小、半径和表面张力有关.Extrand等[31,32]通过对不同液体在不同表面的流动参数测量,对接触角滞后现象进行了研究,并提出表面化学性能对接触角的影响强于表面粗糙度的影响.人们一般通过在疏水材料 (接触角大于90◦)表面构建粗糙结构和在粗糙表面上修饰低表面能的物质来制备超疏水表面.研究发现,自然界所有物质中含氟材料的表面能最低,当聚合物中单体含氟量大于5%时,膜的表面已具备了良好的疏水性能,与水的静态接触角一般都能大于110◦[33].然而,通过实验研究表明:即使采用最低表面能的氟硅烷单分子自组装修饰的光滑表面的接触角也不会超过120◦.根据 Wenzel和Cassie模型,增加表面粗糙度可以使原来疏水的表面更加疏水,于是人们研究了多种方法来制备仿生超疏水表面,例如嵌段共聚物的微相分离法、溶胶-凝胶法、激光刻蚀法、溶剂挥发法、模板法、升华法、熔融烷基正乙烯酮二聚体 (AKD,一种石蜡)的固化,聚四氟乙烯(PTFE)存在时聚丙烯(PP)的等离子体聚合 (或刻蚀)、微波等离子体增强化学气相沉积法(MWPE-CVD)、阳极氧化法等[34].这里简单介绍几种制备仿生超疏水表面的方法.Nakajami等[35]研发了一种可以增强表面超疏水性能的透明薄膜.结果显示:这些薄膜的表面接触角从148.1◦±1.70◦(TiO2含量的质量百分比为 0%)到155.6◦±1.0◦(TiO2含量的质量百分比为71%)不等,表面接触角随着TiO2含量的增加而增加.Erbil等[36]通过实验,分别研究了聚合物浓度、形成薄片时的温度对表面均匀性、表面粗糙度以及与水接触角的影响,结果显示:经处理后粗糙的聚丙烯表面接触角可以达到149◦.实验还研究了甲乙酮、环己酮和异丙醇作为沉淀剂的情况,其中甲乙酮表现出很好的均匀性和很高的表面接触角(160◦).Li等[37]通过高温热解金属酞菁法得到碳纳米管层,真空干燥,并先后用强酸和十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰制备了具有“超双疏”性能的碳纳米管.测试结果显示,该表面同时具有疏水和疏油性质,与水和油的表面接触角都超过了160◦.Liu等[38]通过新鲜荷叶和聚二甲基硅氧烷烘烤制成刻板,用软光刻技术仿制出具有超疏水性能的表面,其接触角可以达到154.6◦.Feng等[39]把聚丙烯睛、二甲基酰胺和去离子水混合液倒入有聚四氟乙烯涂层的阳极氧化铝基板,固化成形并真空干燥,得到的表面的接触角可以达到173.8◦± 1.3◦.Feng等[40]首次通过用两性分子聚合物合成了超疏水表面.他们把聚乙烯醇溶解在脱氢去离子水中充分搅拌,用Na2SO4作为固化剂,在氧化铝薄膜基板上合成纳米结构表面.结果显示,该疏水表面的接触角达到171.2◦.通过把聚四氟乙烯、聚乙烯醇、多乙酸乙烯酯、十二烷基苯磺酸钠和蒸馏水组成的混合乳液均匀洒在孔径为30∼420mm的不锈钢网格上,350◦干燥成型,得到了与水接触角超过150◦、与柴油接触角接近0◦的表面,这种方法制得的表面可以方便地进行油水分离[40,41].把聚丙烯腈纳米纤维薄膜在220◦空气中通过环化反应,接着在900◦氮气中干馏成型,首次合成了在全pH范围内都表现为超疏水特性的表面[42].Zhao等[43]利用溶剂诱导结晶法,通过聚碳酸脂溶剂制备出类似荷叶结构的超疏水表面,结果表明,光滑的聚碳酸脂板的接触角为79◦,表面覆盖一层丙酮后,出现100∼200nm的乳突,接触角为130.0±5.9◦,利用“模板滚压法” 后得到28.3±2.1nm的乳突,接触角为145◦,在覆盖丙酮并加入凝结剂后得到接触角为159.7± 1.1◦、滚动角仅为6± 1◦的表面.Shibuichi等[44]用阳极氧化法得到表面粗糙的氧化铝基材,用氟化单烷基磷酸酯进行处理后,得到的表面与菜籽油的接触角达150◦,同时与水的接触角达170◦,具有超双疏性能.徐建海等[45]分别用溶液法和热压法在阳极氧化铝基板上制备出具有微纳米结构的聚苯乙烯超疏水表面,并对表面结构、制备方法和制备材料对表面润湿性能的影响进行了研究.Saison等[46]用高温纳米刻痕法在硅凝胶薄膜上成功复制出类似蝴蝶翅膀和荷叶表面的纳米结构,测量结果发现:该薄膜的接触角可达160◦,在200◦C∼ 500◦C 之间退火处理后,可以实现从超疏水到超亲水的转换.Bico等[47]根据超疏水的纳米结构表面特征,分别制备出凹坑状纳米表面、条纹纳米表面和锯齿状纳米表面.研究结果表明:锯齿状表面由于其固/液接触面最小,表现出最好的疏水性能,其表面接触角为167◦,具有超疏水性能.段辉等[48]在醇溶性氟树脂溶液中,以正硅酸乙酯和甲基三乙基硅烷为前驱体,并掺杂聚四氟乙烯,以两步催化溶胶-凝胶法,制备了有机 -无机复合涂层,测量得到的接触角可达155◦,具有较强的超疏水性能.尽管已有越来越多的文献报道出各种超疏水表面的合成方法,但是面临的实际问题还比较多.比如采用高粗糙度表面会降低材料的透明性,因此不能满足对透明度要求较高的场合.另外,合成表面的机械强度、低分散性、老化性能等的研究还远远不够[45,49].普通的固体表面由于其较强的残余化学键,表现出很高的表面能,对流体分子具有很强的吸附力,一般很难产生滑移[50].超疏水表面之所以表现出超强的疏水性能,一方面是由于固体表面的粗糙度造成的,而另一方面则是超低表面自由能所引起的[33].因此,对于超疏水表面,固体表面分子与液体分子间的吸引力很容易被流体流动所带来的剪切力平衡掉,从而更容易在固体表面形成速度滑移[50].Lauga等[51]对固体表面粗糙度、纳米气泡、润湿性、剪切率等因素进行了全面的分析与总结,他指出:根据尺度的大小,固体表面粗糙度和表面形态既可以增加滑移也可以减小滑移;改变固体表面的润湿性可以产生不同的滑移长度,并且随着疏水性的增加,滑移长度也在增加.大量研究表明:固/液界面间的纳米气层是产生较大滑移长度的主要原因;无论是固体表面粗糙度、润湿性还是剪切率对滑移的影响本质上都是固/液表面分子间作用的结果.Pit等[52]通过实验研究发现,随着液体分子与固体表面分子间相互作用力的减小,表现出的滑移效应越来越明显.超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现,这一点已被广泛认可[3∼5,52∼58],但是目前对产生滑移的原因还存在着各种解释.Zhao等[59]通过水槽和水洞实验,研究了超疏水表面在不同流动条件下的减阻特性.Tretheway等[60,61]利用粒子成像测速技术 (PIV)观测流体流经30µm×300µm的微管中的速度剖面,结果显示:当管壁为亲水表面时,速度符合无滑移边界,但是当在管壁上覆盖一层2.3nm厚的OTS涂层(十八烷基三氯硅烷)后,管壁变为疏水,这时产生明显的速度滑移,计算得到的滑移长度为0.92µm,并且提出了以纳米气泡或者表面低密度流体层引起疏水表面产生滑移的机理.Tyrell等[56]通过原子力显微镜观测到超疏水表面不规则地排列着半径为100nm,高度为20∼30nm的纳米气泡,而这些气泡的稳定性与气泡的形态、形成时间有关.Lum等[62]认为一定的气隙或者气层是疏水表面产生滑移的原因.Choi等[4]考察了流体流过疏水表面的滑移情况,在疏水表面上,测得滑移长度与剪切率成正比,在剪切率为105s−1时,滑移长度约为30nm.他们还通过实验的方法[58,63]观测到在经表面粗糙处理的3µm的微管中,可以产生100nm∼200nm的滑移长度.Zhu等[64]考察了表面粗糙度和液体表面分子相互作用力对边界条件的影响关系,在表面同为疏水的情况下,根据无滑移边界,表面临界剪切率随着粗糙度的增加成指数增长,在光滑情况下,分子间作用力起主要作用;在粗糙情况下,粗糙度起主要作用.纳米效应的滑移理论分为表观滑移理论和气液复合滑移理论.由于滑移速度的产生,在同样的压差下,有滑移的管道的流量必然大于无滑移速度的流量,Lauga[51]提出式中,R为管道半径,Qslip和Qnon-slip分别代表存在滑移速度的流量和没有滑移速度的流量,δ为滑移长度.实验研究表明,对于光滑表面,滑移长度一般在几百纳米左右.Barrat等[53,54]和Voronov等[65]分别用分子动力学模拟的方法得到了接触角与滑移长度的关系.Barrat等[54]发现在接触角为140◦的微管表面,计算出的滑移长度达到30个分子直径.顾春元[9]和李鼎[20]根据 Knudsen数 (系统中分子的平均自由程和系统尺寸的比值)的大小估算出当系统尺度在微米以上时,厚度为1µm的气层可以产生54µm的滑移长度,而当系统尺度小到纳米级别时,估算出的滑移长度约为7µm.李鼎[20]根据平均阻尼系数方法,给出了球形颗粒修饰表面的滑移长度表达式式中,dp为颗粒直径,R为颗粒覆盖率,δs和δv分别表示固/液界面和气/液界面的滑移长度.顾春元[9]以单层吸附为假设建立了纳米颗粒吸附微管道的滑移模型,推导出如下滑移长度表达式式中,r0为微管的内半径,q为单管流量,dp为纳米颗粒的粒径,▽p为微管两端压力梯度,µ为流体黏度.吸附了疏水纳米颗粒的微孔道上表现出明显的滑移特性,这就相当于增加了微孔道的有效半径,从而增加注水量,降低微孔道两端的注水压力,这就是疏水纳米颗粒吸附法降压减阻的基本思想.近年来,随着疏水表面滑移效应的发现,人们开始重视研究基于疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术.田军等[66]研究了以改性硅橡胶、聚氨脂树脂为主的低表面能涂层在平板上的减阻性能,结果表明,有涂层下平板的阻力比无涂层下降低18%∼30%.Watanabe等[67]研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能,实测的压强-速度剖面曲线表明,当雷诺数为500∼10000时,阻力下降达14%,对应的滑移长度达450µm.Bechert等[68]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发,从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能,结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低 7.3%.Koeltzsch等[69]研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能,以及不同肋条结构的影响效果,这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路.Ou等[70]用30µm 的立方柱构建了间距为30µm的图纹表面,实验结果表明,水流经这种图纹表面的压力降低达 40%,表观滑移长度大于20µm.徐永生等[71]分别对光滑的、粗糙的、亲水的和疏水的平板在水槽中进行力和流场的测量,发现壁面的疏水性和几何结构的共同作用才可能产生明显的壁面滑移减阻效果.王家楣等[72]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验,为微气泡减阻技术的应用提供了依据.Truesdell等[73]测量了通过低雷诺数剪切流时,由硅橡胶PDMS修饰的微结构表面上的作用力以及速度大小,验证了超疏水表面的减阻性能.陈丽莉.[74]根据蚊子等昆虫的刺吸式口器的结构与典型动植物的非光滑结构,对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构组合设计,并对其影响因素进行了研究,结果表明,仿生注射器针头的减阻率可达44.5%.刘博等[75]从盾鳞的结构、形态和功能方面研究了沟槽形鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻性能并介绍了其仿生材料模型的设计与测试方法.蒋雄等[76]提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面.Daniello等[77]在具有规则微结构的表面通过测量表面速度、剪切力以及压强发现,减阻效果可达50%.徐中等[78]采用标准κ-ε湍流模型对凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了模拟,得到的最大减阻率达到7.2%.柯贵喜等[79]对水下减阻技术研究进行了综述,重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和超疏水表面减阻的研究现状.Zhao等[59]从边界层理论,探讨并分析了超疏水表面的微观模型及滑移长度与粘性阻力的关系.由以上研究发现,疏水表面的减阻效果不仅与表面微结构、表面能大小有关,还与微结构的排布状态、流体的状态等因素有关.受到荷叶表面微结构的超疏水特性和Choi等发现的超疏水表面的滑移性质的启发,上海大学狄勤丰课题组从2002年开始了石油储层微孔道纳米颗粒吸附法降压减阻的研究.针对亲油性低渗透油田存在的高压欠注问题,狄勤丰等[80]采用疏水纳米颗粒在岩心表面吸附构建出具有类似荷叶的微纳米结构的表面,接触角测试结果表明此时岩心表面的接触角均大于120◦,最大接近150◦,滚动角约为7◦. 图 3为吸附纳米颗粒后岩心表面的接触角和扫描电镜图像,可以看出在吸附了纳米颗粒后,岩心表面及其孔喉内覆盖了一层纳米颗粒,具有类似荷叶表面的微纳米结构从而表现出强疏水性.室内岩心流动实验[81]表明,经纳米分散液处理后的岩心,渗透率有了较为明显的提高,提高幅度达19%∼87%.LBM 模拟结果表明,此时的表面滑移长度约为36nm[82],而利用疏水微管道进行的减阻实验所得的滑移长度可达83.5nm[83]. 据此,狄勤丰等[8]提出了以疏水性纳米颗粒吸附层使岩石表面特性体现为强或超疏水性,进而产生水流速度滑移效应的纳米颗粒吸附法减阻机理. 课题组分别通过岩心薄片吸附试验[9]、疏水纳米颗粒吸附微管道减阻实验、岩心流动实验[84]以及LBM模拟的方法[83]对该机理进行了深入的研究.评价实验表明,纳米降压减阻技术可使岩心的渗透率平均提高 47%,通过江苏油田的矿场实验表明,油井降压幅度最高达12.5MPa,有效期超过8个月[9].超疏水表面的滑移减阻效应具有非常广泛的应用前景.近年来随着人们对超疏水表面更加深刻的认识,人们已经在理论模型、影响因素分析、人工合成等多个方面展开研究并取得了一定的成果.但是超疏水表面产生的滑移效应的实际应用还很少.首先,这主要局限于现有超疏水表面的制备方法还仅限于研究阶段,制备条件苛刻、低表面能涂层价格昂贵、使用周期短等特点,使得大规模生产超疏水表面还难以实现.其次,由于模拟中得到的滑移长度比实验中测得的滑移长度要小,因此超疏水表面和滑移长度的理论联系应进一步分析,产生此效应的机理还有待进一步研究.再次,对于超疏水的微管道壁面,微纳米结构的排布还难以控制.最后,鉴于超疏水表面表现出的滑移减阻效应,可以断定,基于超疏水表面滑移效应的减阻技术将在机翼设计[68]、注水器针头[74]、水下航行器表面[7]、输运管道[69]等方面具有非常广泛的工业应用前景.Keywords super-hydrophobic,wettability,surface slip,dragreduction,nanoparticles adsorbing method【相关文献】1 Feng L,Li S,Li Y,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artif i cial. Adv Mater,2002,14(24):1857∼18602 Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta,1997,202(1):1∼83 Cottin BC,Barrat JL,Bocquet L,et al.Low-friction f l ows of liquid at nanopatterned interfaces.Nat Mater,2003,2(4):237∼2404 Choi C,Westin K,Breuer K.Apparent slip f l ows in hydrophilic and hydrophobic microchannels.Physics of Fluids,2003,15:2897∼29025 Li D,Di QF,Li JY,et rge slip length over a nanopatternedsurface.Chin.Phys.Lett,2007,24(4):1021∼10246 Lai SCS.Mimicking nature:Physical basis and artif i cial synthesis of the lotus-ef fect:[dissertation].Friesland:University of Leiden,20037侯智敏.水下航行器低表面能涂层减阻研究:[硕士论文].陕西:西北工业大学,20078狄勤丰,顾春元,施利毅等.疏水性纳米SiO2增注剂的降压作用机理.钻采工艺,2007,30(4):91∼94 9顾春元.石油储层微孔道纳米减阻机理研究:[博士论文].上海:上海大学,200810狄勤丰,沈琛,王掌洪等.纳米吸附法降低岩石微孔道水流阻力的实验研究.石油学。

表面技术第53卷第8期TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展周琼，王涛，黄彪*，张而耕，陈强，梁丹丹 （上海应用技术大学 上海物理气相沉积（PVD）超硬涂层及装备工程技术研究中心，上海 201418）摘要：TiAlSiN涂层具有耐温性好、化学惰性高等优异性能，其作为防护层被广泛应用于摩擦零部件、机械加工工具上。

但TiAlSiN涂层内应力过大导致的力学性能不足，限制了其在严苛工况下的进一步应用。

总结了目前改善TiAlSiN涂层力学性能的主要措施：涂层微观结构优化、膜层结构设计以及热处理工艺。

对改善涂层力学性能所涉及的细晶强化、共格效应、固溶强化以及模量差理论等机理进行了全面的描述，并详细地对比分析了上述理论之间的内在联系与差异。

系统地讨论了纳米多层和梯度复合膜层结构对涂层力学性能的影响规律，主要从调制结构以及成分调整2个角度对膜层结构变化进行了分析，有利于指导具有良好力学性能的膜层结构的设计。

此外，分别阐述了退火温度、时间以及气氛环境对TiAlSiN涂层力学性能的影响规律，分析了退火条件对涂层微观结构的影响以及微观结构与力学性能之间的关系。

在此基础上，提出了未来可以从基础理论和改善措施之间的协同作用角度，对TiAlSiN涂层力学性能的改善展开进一步研究。

关键词：TiAlSiN；性能改善；力学性能；微观结构；膜层结构；热处理中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0040-12DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.004Research Status and Progress of Improving MechanicalProperties of TiAlSiN CoatingsZHOU Qiong, WANG Tao, HUANG Biao*, ZHANG Ergeng, CHEN Qiang, LIANG Dandan(Shanghai Engineering Research Center of Physical Vapor Deposition (PVD) Superhard Coating and Equipment,Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)ABSTRACT: TiAlSiN coatings have excellent high temperature resistance and chemical inertness, and they have been widely used on friction work pieces and cutting tools. However, their high internal stress limits their further application in industries under harshworking conditions. This paper focuses on the main techniques employed to improve the mechanical properties of TiAlSiN coatings, including microstructure optimization, micro-structure design and treatment. The coating hardness is predominantly influenced by microstructure, which can be tailored through various processing methods such as deposition method optimization, and modulation of the deposition process parameters including nitrogen flow rate, substrate bias, target quantity, and power duration. In addition, doping new elements and changing the original element content of TiAlSiN coatings also affect the hardness of the coatings. In this work, the mechanisms involved in improving the mechanical properties of the收稿日期：2023-05-08；修订日期：2023-07-29Received：2023-05-08；Revised：2023-07-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51971148）；上海市自然科学基金资助项目（20ZR1455700）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51971148); Shanghai Natural Science Foundation (20ZR1455700)引文格式：周琼, 王涛, 黄彪, 等. TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 40-51.ZHOU Qiong, WANG Tao, HUANG Biao, et al. Research Status and Progress of Improving Mechanical Properties of TiAlSiN Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 40-51.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期周琼，等：TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展·41·coatings, such as fine grain strengthening, solid solution strengthening and modulus difference theory, were compared and analyzed. The refinement of grain size resulting from fine-crystal strengthening reduced the crack propagation, while solid-solution strengthening was achieved by introducing foreign atoms into a compound to form a solid solution, thereby increasing the hardness of the TiAlSiN coatings. The coherent effect and modulus difference theory promoted the enhancement of TiAlSiN coating hardness through interface structure optimization. Both mechanisms induced interfacial stresses that prevented dislocation generation. The internal relations and differences between the above theories were compared and analyzed in detail. The effect of nano-multilayer and gradient composite layers on the mechanical properties of the coatings was systematically discussed. Modulation structure and composition adjustment were the two main factors that affected the variation of micro-structure. Currently, research on the strengthening mechanisms of nano-layered coatings and gradient-structured coatings is not comprehensive. Even small structural alterations to these coatings can cause various influence mechanisms that alter their mechanical properties. For instance, changing the modulation period significantly impacts the mechanical behavior of TiAlSiN coatings by means of coherent strain and the modulus difference theory. It is helpful to guide the design of membrane structure with good mechanical properties. In addition, heat treatment has the most significant effect on the properties of TiAlSiN coatings. So the influence of annealing temperature, annealing time, and atmosphere on the mechanical properties of TiAlSiN coatings was summarized. The effect of annealing conditions on the microstructure of the coatings and the relationship between the microstructure and mechanical properties were analyzed. In addition to experimental research, basic theoretical research was also be conducted by starting from first principles to identify the specific relationships and influence mechanisms between microstructure and mechanical properties of coatings. Annealing had three main effects on the mechanical properties of TiAlSiN coatings: grain coarsening, phase transformation, and surface oxide formation. Annealing resulted in grain coarsening, which improved the toughness of the coatings. The mechanical properties of TiAlSiN coatings were affected by the phase structure when phase transitions occurred during annealing. Additionally, the significance of the synergistic effect of improving measures on the mechanical properties of TiAlSiN coatings was emphasized. Finally, it was suggested to conduct deep research in future on improving mechanical properties of TiAlSiN coatings from basic theory and cooperation effect of various improvement actions.KEY WORDS: TiAlSiN; property improvement; mechanical property; microstructure; film structure; heat treatment现代刀具材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷等，随着切削加工技术的不断提高，其力学性能已经逐渐不能满足工业上的要求，而提升涂层的力学性能可以弥补刀具材质上的不足[1-5]。

制备高精度微结构表面的技术研究及其应用一、引言自工业化以来，精密加工技术一直是制造业的重要基石。

然而，传统机械加工技术已经达到了极限，无法满足一些高精度加工要求。

而微纳米技术的发展为制备高精度微结构表面提供了新途径。

本文将介绍制备高精度微结构表面的技术研究及其应用。

二、相关技术1.微米级激光成形技术激光成形技术是一种制备微结构表面的重要方法。

通过使用激光束照射材料表面，使其局部熔化或挥发，同时使用计算机控制激光束的移动轨迹，从而制备出不同形状的微结构表面。

此外，通过调整激光功率、扫描速度、扫描间距等参数，可以控制微结构表面的精度和表面质量。

2.光刻技术光刻技术是一种制备微结构表面的主流方法之一。

该技术基于光敏材料的选择性曝光，通过控制曝光光源的光强、光斑大小和曝光时间等参数，制备出微米级的图案结构。

然后通过腐蚀、电解、喷雾等多种方法，将图案转移到目标基板上，形成复杂的微结构表面。

3.微米级电解加工技术微米级电解加工技术是通过在电解液中通过电极加工材料表面，制备出微米级的微结构表面。

该技术通过控制电极材料、电解液成分、电压、电流、加工时间等参数，可以制备出各种形状和大小的微结构表面。

此外，该技术还可以制备出复杂的三维微结构表面，如微流体通道、微型反应器等。

三、应用研究1.微电子学高精度微结构表面在微电子学领域具有广泛的应用。

例如，制备高精度光栅结构表面可用于光学检测系统中的位移测量、加速度测量等；制备高精度镜面结构表面可用于制备高精度的微光阑、光学平板等；制备高精度绝缘表面可用于制备高品质的场效应晶体管等。

2.生医学高精度微结构表面在生医学领域也有广泛的应用。

例如，制备微米级的生物传感器结构表面，可用于血糖检测、心肌梗死诊断等；制备微米级的微通道结构表面，可用于制备微型流控芯片、微型反应器等；制备微米级的表面纳米结构表面，可用于制备高品质的材料表面、生物医用材料等。

3.机械工程高精度微结构表面在机械工程领域也有广泛的应用。

第26卷第6期摩擦学学报V o l26,N o6 2006年11月TRI BOLOGY N ov,2006激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展万轶,熊党生(南京理工大学材料科学与工程系,江苏南京210094)摘要:介绍了激光表面织构化的过程及其摩擦学研究现状,讨论了激光表面织构的形状、直径、深度、取向和密度等结构参数对润滑状态及其磨损机理的影响,指出今后可将先进涂层技术和激光表面织构化结合起来,在混合/边界润滑状态下获得较低的摩擦系数,并应加强以润滑理论为基础的研究,预先模拟、计算出表面微结构的最佳参数以达到实际摩擦工况的润滑要求.关键词:激光;表面织构化;润滑;摩擦学中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2006)06-0603-05机械系统的摩擦性能对提高承载能力和服役寿命很重要,减磨已成为保护环境、提高效率的迫切要求[1~3].通过改变润滑油的化学成分以及降低润滑油粘度可以减少润滑油中硫、磷含量[4,5],降低环境污染;另一种合理的方法是表面精加工,如对表面进行抛光、研磨等,但受材料性质和加工精度的影响,粗糙度始终受到限制[6,7].近年来关于各种摩擦表面如汽缸/活塞系统、密封面及导轨等的激光织构化取得了突破[8~10].现在,磁性存储器的表面通常需要织构化且作为微电子机械系统中防止粘附静摩擦的手段[11].研究表明[12,13],将含少量硫、磷的低粘度润滑油与表面工程技术结合起来,如微米/纳米表面织构及图案化技术,即使在少油或者高速运行条件下也可以获得更高的燃油效率和更长的使用寿命.1表面织构化技术1.1各种表面织构技术特点固体表面形貌对其摩擦行为及抗磨性影响很大,因此摩擦系统的功效可以通过选择适当的表面处理而不是单纯将其光滑化来改进[14].各种表面工程技术的发展引起了人们的关注,应离子刻蚀[15]、表面喷丸处理[16]、电子束刻蚀、机械微刻[17]及激光表面织构等为接触微结构化提供了有利工具.与其他表面处理技术相比,如反应离子刻蚀需辅助装置或特殊气氛,喷丸处理对环境污染较大,电子束和光刻技术的成本较高等,而激光表面织构可以在大气环境中进行且对环境无污染,制作简单无需掩膜且耗时短,设备成本较低,加工对象范围宽,可控制适当的尺寸和形貌.1.2不同波长激光与材料表面的相互作用脉冲激光微加工技术是利用激光脉冲对固体直接加工,熔化的金属通常沿着凹坑内壁流动,到达相当数量时就会向外抛出发生凝固,略微凸出在金属表面,在环绕工作点附近的区域形成/热影响区0,从而在周围材料中形成微观或宏观裂纹.而紫外波段输出的准分子激光可以直接切断材料表面的分子或原子结合键,实现对聚合物和瓷器等非金属材料进行钻孔、光刻及表面处理等多种微细加工,热扩散影响较小.随着激光脉冲时域宽度从纳秒(10-9s)量级直至飞秒(10-15s)量级,其具有阀值小、加精度可以达到微米甚至更小量级的特点,且热影响区小.2激光织构化的摩擦学研究2.1表面织构化的应用概况在机械制造行业,减少机械零部件滑动接触的摩擦和磨损日趋重要,并要求具有高效、长寿命及高可靠性,同时我们期望能够提高机械承载能力及燃油效率.近年来对机械行业摩擦表面的激光织构化已取得了突破[18~21],如将其用于汽车内燃机中的汽缸/活塞、滑动轴承套、发动机导轨、密封环以及频繁启动/停车的部件等,可以避免由于干摩擦引起的突然温度升高.基金项目:国防基础研究项目(K1703060819).收稿日期:2006-06-22;修回日期:2006-10-18/联系人熊党生,e-m ai:l xiongd s@作者简介:熊党生,男,1960年生,教授,博士生导师,目前主要从事复合材料及生物摩擦学等研究.在计算机硬盘和ME M S系统中,摩擦副的间隙尺度一般处于纳米级甚至为零间隙,因受尺寸效应的影响在表面产生较大的粘着力和摩擦力.磁性存储器的表面通常都进行织构化且作为M E MS系统中防止粘附和静摩擦的手段[22,23],大柔性微结构的形成减小了系统对静摩擦的敏感性.Suh等[24]利用激光技术在磁头或磁盘表面制造微小隆起或凹陷(如图1所示)以增加接触表面的粗糙度,减小表面接触F i g1L aser tex t ured s li der and d isc图1激光织构化的磁头/磁盘面积及摩擦和粘着.2.2表面织构化参数对摩擦性能的影响2.2.1表面织构的形貌和密度Schreck等[25]模拟汽缸/活塞的运动,利用Nd: YAG脉冲激光对100Cr6表面进行织构化处理,形成坑型和交叉型2种表面微结构(见图2),研究了2种织构密度对材料摩擦性能的影响(见图3).结果表明,摩擦系数随着织构密度的增加而降低,而2种微结构形状的减磨效果区别不大.宋起飞等[26]在汽车制动盘(毂)材料铸铁表面刻出具有规则分布的凹坑、条纹和网格等形态,研究其摩擦磨损性能.结果表明:随着单元体间距增加,其耐磨性下降,凹坑状试样磨损量增加幅度最大,网格状试样最小,条纹状试样居中;摩擦系数随单元体间距增加而减小,其中网格状试样变化较小,凹坑状试样变化较大.我们曾模拟端面密封环的摩擦形式,在GCr15密封环上形成环形排列的3种不同密度微孔(直径约200L m),测试其在乏油条件下摩擦系数随载荷和滑动距离的关系(见图4).可以看出:高密度微孔使接触表面的粗糙度增大,因此在滑动初期摩擦系数较高,属于摩擦副的跑合阶段;随着滑动距离和载荷增加,3种密度密封环的摩擦系数均呈阶梯型逐渐下降趋势,并保持在较低水平,其中高密度密封环的摩擦系数最低,而低密度摩擦环在摩擦过程中摩擦F i g2M orpho logy of different structures图2不同织构化处理表面微结构形貌系数变化不大,基本和光滑试样保持一致.F ig3F ricti on coeffic i ent vs.sli dingdistance o f t w o structures图3两种微结构的摩擦系数与滑动距离的关系2.2.2表面织构的深径比在对内燃机密封摩擦系统研究中发现,约50%的摩擦损伤来自于密封环.E tsion[27]在密封环表面制造备出一系列微坑,研究了不同微孔直径、深度和面积对其摩擦性能的影响.发现激光织构化技术中最重要的参数为坑的深径比,适当的深径比可以最大程度地增加油膜的刚度及其pv值.同时以雷诺方程为基础,计算了不同坑密度下密封环的平均流体压力分布及对摩擦力矩的影响(见图5).在密封环表面织构化的对比试验中,织构化WC604摩擦学学报第26卷F i g 4 F ricti on coeffic i ent of textured samp l es asa functi on of load and sli d i ng d istance图4不同织构密度下载荷和滑动距离对摩擦系数的影响F i g 5 F r icti on torque vs .sea l ed pressure fo r non -tex t uredand pa rtia l tex tured sea ls图5 无织构与部分织构的密封压力与摩擦力矩的关系曲线密封环的1个运行周期达38个月超过10000h ,磨损低于1L m ,使用寿命比无织构密封环提高3倍,而无织构密封环在相同周期中需要更换4次.激光织构改善了机械密封的流体动力学和静力学润滑,可以显著提高承载能力和抗磨损能力,减少摩擦系数.Ryk 等[28]采用模型预测了表面织构化在平行配合面上产生的明显静力学效应,得出产生最小摩擦应力的微坑深度与直径比的最佳值,从而推断至少可以减少30%的织构化密封环磨损.2.2.3 表面织构对润滑膜厚的影响接触表面之间的润滑包括材料表面形貌以及润滑剂的物理和化学性质,润滑剂的粘度和其他流变性能决定润滑膜厚度,同样,接触部件的表面粗糙度对其摩擦磨损性能影响很大.通常我们将流体膜的厚度与接触表面的表面粗糙度(K 值)作为评估,K 值越大,越容易达到流体润滑.常规的微弹流数值解表明[29],在滑动或滚动条件下,流体粘度和材料弹性形变随润滑膜压力增加而显著增大,粗糙峰处的压力使材料产生形变而避免粗糙峰互相接触,因此不会产生材料磨损.一般地,机械部件在稳定运行阶段处于全膜润滑,而在低速或运行/停车阶段时效率降低,处于混合-边界润滑状态.在跑合阶段时润滑油被挤出接触区,油膜太薄以至不能形成足够的边界膜,因此摩擦系数较高.因此,Pettersson 等[30]提出将表面织构化作为润滑油存储器,在跑合或低速时可以将微结构中的润滑剂引入高接触载荷区域,作为低速下低压路径进口,从而增加润滑膜厚度,降低混合润滑条件下的磨损.Kovalchenkor 等[31]研究了不同密度的表面织构化钢盘在不同滑动速度下的润滑膜厚.结果表明:在较低滑动速度条件下,随着速度增加,试样的摩擦系数逐渐降低,光滑盘和低密度织构盘的表面粗糙度相近,K 值主要受润滑油膜的影响,表面织构增加了油膜厚度,因此其摩擦系数比光滑盘低,但高密度织构使其表面粗糙度增大而产生严重磨损;在较高滑动速度下,随着速度增加,接触表面进入完全流体润滑,油膜厚度不再增加,激光织构化盘和光滑盘表面的摩擦行为相似.3 结束语激光织构化技术是在机械零件表面形成有规律的人造表面形貌,可以起到捕捉磨粒而减少犁沟形成、作为储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合、产生流体动压效应以增加承载能力3方面的作用,并且激光与零件表面相互作用时会产生表面硬化,对所形成的表面形貌起到保护作用.目前国内外对激光织构化试验研究已经有了一定的基础,但缺乏相应的理论依据,我们认为今后应着重以下几个方面的研究:(1)根据实际摩擦工况和润滑要求,以润滑理论研究为基础,预先模拟、计算出表面微结构的几何形状、深度及分布等参数的最佳值,以获得稳定的润滑状态;(2)在激光织构化的形貌选择中,对点状形貌的研究最多,其它形貌的研究相对较少,有待进一步开展对不同材料体系和激光工艺参数之间的影响关系,以及激光加工过程对材料组织和性能影响等方面的研究;(3)应将激光织构化处理与表面改性技术结合605第6期万 轶等: 激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展形成表面三维结构,弥补甚至消除各自的局限性,发展表面精细图案,在混合-边界润滑条件下获得优异的摩擦磨损性能.参考文献:[1]Nakada M.Trends i n 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齿轮表面微织构技术应用研究进展作者：朱佳柏杨晓红杨澈叶霞来源：《江苏理工学院学报》2022年第02期摘要：將一些特定的微结构应用于齿轮表面可以有效延长齿轮的使用寿命。

本文介绍了齿面织构化技术，从常规工艺、激光刻蚀、电化学法三个方向例举了齿面微结构的制备方法;分别综述了齿面微结构对齿轮润滑性能、摩擦学性能、动力学性能的影响;分析了齿面微结构对改善齿轮润滑情况、减轻齿面磨粒磨损、优化齿轮工作性能的机理。

最后，对齿面微织构的研究进展进行了总结，并从形貌选择、性能检测、加工方法三个方面展望了后续研究方向。

关键词：齿轮传动;微织构制备;机械性能;微观机理中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：2095-7394（2022）02-0025-10齿轮一般在机器中起到传递运动、力和扭矩的作用。

某些大型器械上的齿轮不仅精度要求高、造价昂贵，而且往往是该器械的核心部件，这一类齿轮一旦损坏，不仅会造成巨大的经济损失，还会给操作人员带来巨大的安全隐患。

随着我国工业的不断发展，对齿轮的性能要求越来越高，尤其是在高质量的高速重载齿轮方面。

目前，更高精度的齿轮传动技术已成为制约我国顶尖机械国产化的瓶颈之一[1]。

在齿轮传动过程中，齿轮摩擦界面的环境十分复杂，强大的应力、较高的温度以及乏油润滑等情况都易引发齿轮的失效。

如果这些情况不被及时控制，齿轮的摩擦磨损会进一步加剧，产生更大的振动与噪音，进而危害机械的正常运转[2-5]。

如何改善齿轮工作界面的性能已成为近年来的研究热点，目前的方法有：（1）齿轮表面改性技术。

如表面淬火[6]、喷丸强化[7]、渗碳渗氮[8]等。

（2）表面涂覆技术。

例如，通过激光熔覆法在齿轮表面涂覆一层纳米TiC梯度功能涂层，可以提高齿轮的耐磨性等[9]。

（3）使用更好的润滑剂[10]。

例如，在润滑剂中添加纳米TiO2和SiO2粒子能够在齿面形成一定厚度的表面吸附膜，提高了齿轮的耐磨性。

（4）优化齿轮的加工工艺。