[发明专利]提高单向流体动压润滑效应的仿生织构表面及其制备方法

说明书

本发明公开了一种提高单向流体动压润滑效应的仿生织构表面及其制备方法。该方法分别仿照鲨鱼盾鳞和鲤鱼鳞片等特殊结构设计了V型和U型等织构类型，利用碳化硼粉末将试件在磨砂玻璃上研磨至光亮并进行抛光，将试件放在无水乙醇中浸泡，并用超声清洗器清洗，将抛光后的试样在表面粗糙度测量仪上测量粗糙度ra平均值达到0.05μm以内，处理完成后用飞秒激光器扫描出织构形貌。上述方法制备的仿生织构表面，随着润滑液单向流经织构时，液体在织构中所占空间逐渐减小，压力逐渐增大，织构收敛端会形成高压区，油膜压力升高，在摩擦副和油膜间形成单向动压润滑效果，从而实现耐磨和提高承载力的作用，可广泛应用于机械加工中。

技术领域

本发明涉及一种提高单向流体动压润滑效应的仿生织构表面及其制备方法，属于摩擦学表面处理的技术领域。

背景技术

随着经济的发展，生产加工中的高效和节能变得非常重要，在机械设备中普遍存在的摩擦磨损及润滑问题备受人们的关注，经研究引入仿生织构的概念。仿生织构是仿照生物结构在摩擦副表面加工出特定尺度的纹理结构，以达到预期的表面性能，其在降低摩擦、减小磨损、改善润滑和减小流体阻力等方面具有良好的效果，尤其形成流体动压润滑效应，能够大幅增强表面耐磨性，降低两接触表面摩擦系数。目前仿生织构已经成为优化运动摩擦副表面摩擦学特性的重要途径，织构形状的设计和其制备方法是能否实现流体动压润滑的关键环节，因此需设计具收敛性的织构形状以增强流体的压力来提高油膜的承载能力，且高效高可靠性的制备方法能够保证织构形貌的加工质量。

目前，较为常见的仿生织构类型有凹坑型(圆形凹坑、方形凹坑)、沟槽型(矩形沟槽)、凸包型(圆形凸包、六边形凸包)等，虽然这几种织构类型由于其特殊的形貌可以储存磨屑和二次润滑以实现工作表面的减摩抗磨，但凹坑的独立性较强，织构单元底部会形成些许高压，对油膜的承载力起不到作用，还是会增加磨损；沟槽的联通性较强，若织构形状无收敛趋势，则液体在流动过程中不会形成动压润滑效果，因此在设计织构形状时需将这些因素考虑进去。再者加工方法决定了织构形貌质量，对流体动压效果有一定的影响。

电火花加工通过工具和工件两者之间产生的火花放电，来去除工件表面多余材料，但这种加工方法只能加工导电性材料，且整体效率较低，并且放电过程中容易对工作表面造成烧蚀，影响表面加工质量；电子光刻主要通过电子束对涂覆抗蚀剂的半导体衬底的直接扫描来实现，虽加工精度和表面加工质量较好，但考虑实际应用，此方法加工效率低是不可忽视的问题。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种提高单向流体动压润滑效应的仿生织构表面及其制备方法。该方法分别仿照鲨鱼盾鳞和鲤鱼鳞片等特殊结构设计了V型和U型等织构类型，利用碳化硼粉末将试件在磨砂玻璃上研磨至光亮并进行抛光，将试件放在无水乙醇中浸泡，并用超声清洗器清洗，将抛光后的试样在表面粗糙度测量仪上测量粗糙度ra平均值达到0.05μm以内，处理完成后用飞秒激光器扫描出织构形貌。上述方法制备的仿生织构表面，随着润滑液单向流经织构时，液体在织构中所占空间逐渐减小，压力逐渐增大，织构收敛端会形成高压区，油膜压力升高，在摩擦副和油膜间形成单向动压润滑效果，从而实现耐磨和提高承载力的作用，可广泛应用于机械加工中。

本发明的技术方案是：一种提高单向流体动压润滑效应的仿生织构表面的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)仿照鲨鱼盾鳞的V型沟槽设计V型织构；或者仿照鲤鱼鳞片的U型沟槽设计U型织构；并将其三维模型进行仿真分析；

(2)利用碳化硼粉末磨料在磨砂玻璃上将试件研磨至光亮；

(3)将步骤(2)所得的试件在抛光机上使用金刚石研磨喷雾进行抛光处理，抛至表面呈镜面状；

(4)将步骤(3)所得试件放入无水乙醇中浸泡，并用超声清洗器清洗，以去除表面污垢，吹干；

(5)将步骤(4)中清洗好的试样在表面粗糙度测量仪测得试件表面粗糙度ra平均值为≤0.05μm；