[发明专利]一种基于流体动压润滑的表面结构及其应用

说明书

本发明公开了一种基于流体动压润滑的表面结构，其通过表面改性方式，使表层构造有纳米结构凸台，凸台表层覆有低表面能的含氟聚合物，使该区域具有疏油性，在摩擦副发生相对运动期间，当达到一定的相对运动速度时，表层没有纳米凸台区域近壁面的油液运动速度与壁面速度相同，表层具有纳米凸台区域近壁面的油液与壁面生成由液体‑气体、液体‑固体组成的复合型界面，由于同一切向面的液体之间具有一定的流速差，即使是处于平行相对运动的摩擦副表面之间的油液由于速度差的存在也能使其局部产生压力，有利于摩擦副两表面分离，形成流体润滑，特别是在乏油工况下该结构也能将离散分布于摩擦副表面的油液聚集并产生局部压力，利于流体润滑。

技术领域

本发明属于流体力学、摩擦学和表面工程技术领域，具体涉及一种基于流体动压润滑的表面结构及其应用。

背景技术

由于受到测试技术的限制和在宏观尺度下界面因素影响不显著等原因，对于传统的粘性流体力学，其中的一个基本假设是边界无滑移，即认为处于固体表层的流体与固体的运动速度是相等的。早在1823年，法国学者Navier就设想了近壁面处液体的滑移现象，并提出近壁面处液体的滑移速度u(0)正比于液体的流速梯度即剪切率，其表式如下：

式中b为滑移长度，它是有滑移表面外推到流体速度为零的点至滑移表面的距离；为流速梯度即剪切率。

近年来，不少学者运用高精度检测仪器对滑移理论做了进一步的研究，界面滑移的存在已被实验所证实，中国专利CN103438804A、CN101819126A、CN101738166A中公开了各种方法实现了对界面滑移长度的测量。

诸多国内外文献已提出界面疏油(疏水)性质与滑移长度之间有着较大的联系，综合不少学者的试验研究结论，滑移长度b一般处于10至30μm，基于尺度效应，对于摩擦副之间间隙而言，边界滑移的作用对其表面间油液的流体动力学特性的影响是极为可观的。并且，随着微型机械、MEMS技术的不断发展，大量的微型机械设备在我国社会生产中发挥着作用，边界滑移因素在此类机械设备上有着更为显著的影响。因此，一种基于流体动压润滑的表面结构，通过合理的运用滑移理论来改善摩擦副表层的界面性质以达到更好的润滑效果，该结构在节能环保、循环使用型设备的研发中将有着一定的应用价值。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，根据行业技术研发趋势，提供了一种基于流体润滑的表面结构，该结构加工方便、结构简单、适用面广，能够有效地降低摩擦系数、减小摩擦磨损等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流体动压润滑的表面结构，其特征在于，该结构运用表面改性的方式在摩擦副表面形成条纹分布的疏油区域(1)，具有该结构的摩擦副在工作时，未改性区的油液与固体表面主要形成液-固界面，其界面滑移长度无限接近于零；处于疏油区域(1)的油液由于范德华力的作用使其形成具有液-气(3)和液-固(4)的复合型界面，使滑移长度增加，具有该表面结构的摩擦副由于界面局部滑移长度的差异性，使其在工作条件下近壁面处油液存在速度差产生局部压力，以便有利于两摩擦副表面分离，有利于形成流体润滑。

进一步，作为优选，所述疏油区域的表面具有纳米尺度的凸台(2)，所述凸台(2)表层覆有低表面能的含氟聚合物，所述凸台(2)为圆柱体或长方体，所对应的圆柱体的直径或长方体的边长d＝10-300nm，间距g＝10-300nm。

进一步，作为优选，该结构依靠具有不同边界滑移长度区域相邻的边界，使近壁面处液体产生速度差，疏油区域形状可根据摩擦副表面形状进行调整，疏油区(1)之间的间隔范围n为0.001-20mm，宽度范围m为0.001-20mm。

进一步，作为优选，运用该结构形成的流体润滑不局限于需要收敛型楔形间隙，运用该结构能够构造一系列平行间隙流体动压润滑摩擦副。

进一步，作为优选，该结构适用于所有基于流体动压润滑摩擦副表面。