CN109163207B - 具备可控防爬能力的表面织构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，采用微细加工技术，在固体表面制备不同尺度的表面织构，通过设计表面织构的几何形状、特征尺寸（宽度和深度）、排布形式等参数的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位；在此基础上，将具备不同阻碍特性的微结构有机组合，最终构造出具备可控防爬能力的表面织构。本发明在蠕爬发生阶段，对其有效减缓、抑制；而在平稳铺展阶段，引导流失的润滑油回流聚集到目的区域，实现润滑油蠕爬的主/被动调控，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及润滑系统领域，具体是一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，可用于航空航天领域特殊工况中的润滑系统设计。
背景技术
液体润滑油浸润在温度不均匀的固体表面时，会由高温区域向低温区域缓慢流动。这种不受外力作用的定向扩展现象，即为热驱动蠕爬。随着航空航天技术的飞速发展，蠕爬导致的润滑损耗问题变得尤为突出。
在航天领域，NASA的研究报告(Fusaro RL.Preventing Spacecraft FailuresDue to Tribological Problems.NASA/TM-2001-210806.2001)明确指出：润滑油蠕爬损耗是空间机构丧失润滑能力的主要原因之一。在空间微重力环境下，表面张力是作用在液体上最主要的力，且航天器的环境温度一般在-150~150℃间变化(刘维民,翁立军,孙嘉奕.空间润滑材料与技术手册.北京:科学出版社;2009)。对于采用液体润滑的空间部件（如卫星动量轮、陀螺仪），轻微的温度扰动就会引发润滑油的蠕爬流失(Roberts EW,ToddMJ.Space and vacuum tribology.Wear.1990;136:157-167)。鉴于空间机构中润滑油总体含量少，补给困难，且缺乏回流机制，润滑油一旦蠕爬流失，将严重影响机械部件的在轨寿命。
在航空领域，现代武装直升机因润滑系统故障或油箱被击中等原因丧失正常的供油能力时，传动系统会进入贫油润滑甚至无油润滑的工况，即干运转工况。此时，传动系统核心接触区域温度会显著升高，残留的润滑油会向非接触区（低温区）极速蠕爬，其流失速度将直接决定直升机传动系统的干运转能力。
可见，润滑油防爬研究对上述特殊工况下润滑系统设计具有重要的理论意义和实用价值。Dai QW, Huang W,Wang XL.Insights into the influence of additives onthe thermal gradient induced migration of lubricant.Lubr Sci.2017;29:17-29中提出降低润滑油的表面张力可延缓蠕爬流失。Jones WR, Jansen MJ.Tribology forspace applications. Proc Inst Mech Eng Part J J Eng Tribol.2008;222:997-1004指出在润滑区域涂覆具有超低表面能的涂层，弱化基体与液体分子间的相互作用，能够促使润滑油聚集在润滑部位，达到防爬的目的。Klien S, Surberg CH, Stehr W.Temperature diven lubricant migration on tribological surface. In Proceedings- ECOTRIB 2007, Ljubljana, Slovenia. 2007:637-647中提出采用喷丸、或磨削技术对表面粗糙化处理后，可获得良好的防爬能力。Dai QW, Huang W, Wang XL. Micro-groovesdesign to modify the thermo-capillary migration of paraffin oil.Meccanica.2017;52:171-181中发现在摩擦副表面加工微结构后，润滑油在其表面的蠕爬速度有所下降。
总的来看，上述技术手段在一定程度上实现了防爬目的，并获得应用。究其本质是被动防护，对已发生的蠕爬起到减缓作用，并不能完全抑制。随着时间的推移或工况的突变，润滑油的蠕爬流失仍无可避免。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。
本发明采用微细加工技术，主要包括反离子刻蚀（RIE）、准LIGA技术、激光加工、微细电解加工、喷射粒子流等技术，在固体表面制备不同尺度的表面织构，通过设计表面织构的几何形状、特征尺寸（宽度和深度）、排布形式等参数的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位；在此基础上，将具备不同阻碍特性的微结构有机组合，最终构造出具备可控防爬能力的表面织构。
本发明有益效果在于：在蠕爬发生阶段，对其有效减缓、抑制；而在平稳铺展阶段，引导流失的润滑油回流聚集到目的区域，实现润滑油蠕爬的主/被动调控，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。
附图说明
图1为两类典型的温度分布形式示意图。
图2为流向引导型表面织构流向引导机理示意图。
图3为微沟槽阵列示意图。
图4为一种具备可控防爬能力的表面织构想象示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明一种具体实施步骤如下：
1、采用红外热像仪，精准识别摩擦副表面的温度分布规律。以两种典型的温度梯度形式为例：①单方向温度梯度，即摩擦副一端是高温区，另一端是低温区，高低温区域间形成的单一方向的温度梯度；②全方向温度梯度，即摩擦副中间是高温区，四周是低温区，中心和四周形成了全方向的温度梯度。图1所示为热像仪采集的上述两种类型的温度分布图。分析润滑油在此种类型温度梯度作用下的蠕爬特性，阐明蠕爬较严重区域（高温区）和润滑油最终的流失区域（低温区）。
2、设计具备不同防爬能力的表面织构：
2.1、对于被动阻碍型表面织构，合理设计其基本尺寸参数。被动阻碍型表面织构是指在表面设计并制备具有固定形状、尺寸和排列规则的微结构阵列，其形状主要包括微沟槽、正方形、圆形凹坑或凸起等微结构中的一种或多种，微结构几何尺寸相同，相邻微结构间距离相同。一般而言，微结构深度越深，面积率越大，被动阻碍效果越明显。
在本发明专利中，可以设计以下几种典型的被动阻碍型表面织构：①微沟槽阵列，深度为10 μm，宽度为100 μm，面积率为20%；②微凹坑阵列，深度25 μm，直径（宽度）为200 μm，面积率为30%；③六边形微凸起阵列，深度40 μm，直径（宽度）为300 μm，面积率为40%。
2.2、流向引导型表面织构是一种梯度表面织构，其特殊之处在于微结构形状和位置特征的变化性，通过在不同维度上构建渐进或周期变化的尺寸和排布特征，从而赋予其流向引导的特殊功能。图2简要概述了其流向引导机理。本质上，梯度织构化表面各处浸润特性不同，液体三相界面处会发生不同程度的弯曲，在液体左右两端形成压力差(P1>P2)，从而驱使其由左向右自发流动。构建可控流向引导能力的梯度表面织构的关键是合理设计其梯度特征。
在本发明专利中，例如可设计一种流向引导型梯度微沟槽阵列：①沟槽基本宽度为10 μm，深度为20 μm，相邻沟槽间距为8 μm；间距梯度△d为5 μm，即相邻沟槽的间距逐渐变大（8 μm、13 μm、18 μm、23 μm…），如图3所示。可进一步引入深度梯度特征：②沟槽基本宽度为10 μm，深度为20 μm，相邻沟槽间距为8 μm；间距梯度△d为5 μm，深度梯度△h为2 μm，即相邻沟槽的间距逐渐变大（8 μm、13 μm、18 μm、23 μm…），深度也逐渐加深（20 μm、22μm、24 μm、26 μm…）。除此只外，还可引入基本形状的梯度特征（宽度、直径）和排布角度的梯度特征（0°~ 90°）。根据实际需求，将上述梯度参数的一种或一种以上进行组合设计，即可获得流向引导型功能表面织构。
结合步骤1和2，根据真实工况下润滑油的蠕爬流失行为，将具备被动阻碍特性和主动调控特性的表面织构有机组合，即：在蠕爬严重区域（高温区）构建具备较强被动防爬能力的表面织构，而在润滑油最终的流失区域（低温区），构建具备能引导润滑油回流的梯度表面织构。采用前文提及加工方法加工出满足需求的防爬表面织构，最终实现润滑油的精准回流与定位。图4为一种具备可控防爬能力的表面织构想象示意图。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1) 识别摩擦副表面的温度分布规律, 区分蠕爬严重区域和润滑油最终的流失区域；
2）设计具备不同防爬能力的表面织构，包括被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构；所述的流向引导型表面织构为微沟槽阵列，其核心是构筑主要参数梯度特征的组合，梯度特征范围如下：宽度梯度为5 μm ~ 200 μm，深度梯度为1 μm ~ 40 μm，间距梯度为1 μm~ 50 μm，方向梯度为0°~ 90°；
3）结合步骤1）和步骤2），根据真实工况下润滑油的蠕爬流失行为，将被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构进行组合，在蠕爬严重区域构建被动阻碍型表面织构，而在润滑油最终的流失区域，构建流向引导型表面织构，通过设计表面织构的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位。
2.根据权利要求1所述的具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于：步骤2）所述的被动阻碍型表面织构为微孔结构，深度为1 μm ~ 50 μm，宽度为10 μm ~ 500 μm，面积率为10% ~ 60%。
3.根据权利要求1所述的具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于：所述的被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构通过微细加工技术进行构建，微细加工技术为反离子刻蚀、准LIGA技术、激光加工、微细电解加工或喷射粒子流。
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