CN113399231A - 一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,表面分布有多个仿生微凹结构,容易发生边界滑移的疏液滑移区(1)构筑在微凹结构中,微凹结构之外的表面为不易发生边界滑移的亲液非滑移区(2)。本发明通过在减摩耐磨仿生微结构基础上构建交错滑移表面,解决常规交错滑移表面疏液滑移区机械稳定性不足的问题,进而同时利用仿生微结构和交错滑移性对界面润滑状态进行调控,实现亲液金属表面减摩耐磨性能明显提升。
Description
技术领域
本发明属于机械设计制造领域,特别涉及一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面及其制备方法。
背景技术
统计发现,全世界1/3的一次性能源由摩擦损耗,80%以上的机械零部件失效由磨损引发,而我国2019年由摩擦磨损造成的经济损失高达4.95万亿元左右。开展摩擦学理论与技术前沿研究,进一步提升机械表面减摩耐磨性能,减少由摩擦磨损造成的能源与资源浪费,是解决世界能源紧缺和资源匮乏问题的重要手段。
边界滑移是指近固体表面液体流速与固体表面相对运动速度不为零的特殊现象。亲液表面通常由于固液界面粘附力较高,不易发生边界滑移,疏液表面因固液界面粘附力较低而容易发生边界滑移。研究发现,对亲液表面进行局部润湿改性,使之形成滑移区/非滑移区不连续分布的交错滑移表面,能够产生流体动压效应,增强润滑液膜承载力,有效改善润滑并减小摩擦。然而,经过润湿改性的疏液滑移区机械稳定性不足,容易发生机械摩擦破坏,进而影响整体润滑状态,不利于交错滑移表面高效减摩耐磨功能的实现。
师法自然,大自然是人类学习的最好老师,也是人类面临技术困境创新突破的灵感源泉。近年来,通过构建仿生微结构实现减摩耐磨是国内外摩擦学领域保持热点的研究方向,为实现交错滑移表面高效减摩耐磨打开了突破口。在减摩耐磨仿生微结构基础上构建交错滑移表面,利用仿生微结构保护疏液滑移区,延长其服役寿命,以同时发挥仿生微结构和交错滑移性的作用优势,是获得机械表面减摩耐磨性能显著提升的重要突破点。
中国专利文献有如下公开:“一种基于流体动压润滑的表面结构及其应用”(CN105650443B):通过表面改性的方式,使得表面局部区域分布有疏油纳米凸台结构,一定条件下能够产生流体动压,改善润滑效果。然而,这种纳米凸台结构与对摩副接触时,容易因局部接触应力过大而发生破坏,从而影响润滑状态,不利于实现减摩耐磨。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种通过在减摩耐磨仿生微结构基础上构建交错滑移表面,解决常规交错滑移表面疏液滑移区机械稳定性不足的问题,进而同时利用仿生微结构和交错滑移性对界面润滑状态进行调控,实现亲液金属表面减摩耐磨性能明显提升的仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,并提供该表面的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,表面分布有多个仿生微凹结构,容易发生边界滑移的疏液滑移区构筑在微凹结构中,微凹结构之外的表面为不易发生边界滑移的亲液非滑移区。
进一步地,所述表面采用亲液金属制成,亲液金属的液体接触角小于90°,亲液金属包括碳素钢、合金钢、铸铁或硬质合金。
进一步地,所述仿生微凹结构包括凹槽结构或凹坑结构,仿生微凹结构占整个表面面积的10%-60%,深度为5μm-2mm。
进一步地,所述疏液滑移区具有疏液特性,液体接触角大于90°。
本发明的另一个目的是提供一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面的制备方法,包括以下步骤:
1)仿生微凹结构制备:选择亲液金属作为基体材料,对基体材料进行抛光处理和超声清洗,获得纯净的光滑表面,利用微纳加工方法在基体材料表面加工仿生微凹结构,并再次对基体材料进行超声清洗;
2)表面疏液处理:利用疏液表面制备方法,赋予步骤1)中仿生微凹结构表面疏液性能,同时通过调控制备参数,控制微凹结构中疏液层的厚度,使其小于微凹结构的深度;
3)交错滑移表面制备:对步骤2)获得的疏液表面进行打磨和抛光处理,以使表面除微凹结构之外区域恢复经疏液处理之前的光滑特性和亲液性能,获得仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面。
本发明的有益效果是:本发明提出一种新型减摩耐磨功能表面及其制备方法,通过在减摩耐磨仿生微结构基础上构建交错滑移表面,解决常规交错滑移表面疏液滑移区机械稳定性不足的问题,进而同时利用仿生微结构和交错滑移性对界面润滑状态进行调控,实现亲液金属表面减摩耐磨性能明显提升。
附图说明
图1为本发明的仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面的结构示意图;
图2是普通平面和仿生结构化交错滑移表面的磨损形貌及轮廓图;
图3是具有仿生微凹坑特征的交错滑移表面示意图;
其中:1—疏液滑移区,2—亲液非滑移区。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示,本发明的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,表面分布有多个仿生微凹结构,容易发生边界滑移的疏液滑移区1构筑在微凹结构中,微凹结构之外的表面为不易发生边界滑移的亲液非滑移区2。
所述表面采用亲液金属制成,所述亲液金属的液体接触角小于90°,亲液金属包括碳素钢、合金钢、铸铁或硬质合金。
所述仿生微凹结构包括凹槽结构或凹坑结构,仿生微凹结构占整个表面面积的10%-60%,深度为5μm-2mm。
所述疏液滑移区具有疏液特性,液体接触角大于90°。
实施例1
一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面的制备方法,包括以下步骤:
1)仿生微凹结构制备:准备长、宽、高分别为15mm、15mm、5mm的H13钢块作为基体材料,对基体材料进行抛光处理使其表面粗糙度Ra达到0.1μm,然后利用丙酮和无水乙醇分别对H13钢超声清洗5min,获得纯净的光滑表面,随后利用激光技术在基体材料表面加工仿生微凹结构,其中凹槽宽度50μm,凹槽间距50μm,凹槽深度10μm,加工结束后以无水乙醇为清洗剂,再次超声清洗H13钢5min;
2)表面疏液处理:将2g二氧化硅纳米粒子、0.75mL十二烷基三甲氧基硅烷、30mL无水乙醇、E51环氧树脂1.0g、聚酰胺650固化剂0.6g混合搅拌1h,配制成疏水涂料,利用刮涂法将涂料涂覆在步骤1)中的H13钢表面,期间控制微凹槽结构中疏液层的的厚度小于微凹槽结构的深度;
3)交错滑移表面制备:对步骤2)获得的疏液表面进行打磨和抛光处理,以使表面除微凹结构之外区域恢复经疏液处理之前的光滑特性和亲液性能,获得仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,如图1所示。摩擦学测试结果表明,高承载条件下(1GPa),该表面摩擦学性能较普通H13钢平面得到明显提升,摩擦系数降低20%,单位面积磨损量减少50%,其性能如图2所示,图中,(a)为普通平面,(b)为仿生结构化交错滑移表面。
实施例2
一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面的制备方法,包括以下步骤:
1)仿生微凹结构制备:准备长、宽、高分别为15mm、15mm、5mm的GCr15轴承钢钢块作为基体材料,对基体材料进行抛光处理使其表面粗糙度Ra达到0.1μm,然后利用丙酮和无水乙醇分别对H13钢超声清洗5min,获得纯净的光滑表面,随后利用激光技术在基体材料表面加工仿生微凹结构,其中凹坑直径D=40μm,凹坑间距S=120μm,凹坑深度H=10μm,加工结束后以无水乙醇为清洗剂,再次超声清洗GCr15钢5min;
2)表面疏液处理:将2g二氧化硅纳米粒子、0.75mL十二烷基三甲氧基硅烷、30mL无水乙醇、E51环氧树脂1.0g、聚酰胺650固化剂0.6g混合搅拌1h,配制成疏水涂料,利用喷涂法将涂料涂覆在步骤1)中的GCr15钢表面,期间控制微凹坑结构中涂层的厚度小于微凹槽结构的深度;
3)交错滑移表面制备:对步骤2)获得的疏液表面进行打磨和抛光处理,以使表面除微凹结构之外区域恢复经疏液处理之前的光滑特性和亲液性能,获得仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,如图3所示。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,表面分布有多个仿生微凹结构,容易发生边界滑移的疏液滑移区(1)构筑在微凹结构中,微凹结构之外的表面为不易发生边界滑移的亲液非滑移区(2)。
2.根据权利要求1所述的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,所述表面采用亲液金属制成。
3.根据权利要求2所述的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,所述亲液金属的液体接触角小于90°。
4.根据权利要求2所述的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,所述亲液金属包括碳素钢、合金钢、铸铁或硬质合金。
5.根据权利要求1所述的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,所述仿生微凹结构包括凹槽结构或凹坑结构,仿生微凹结构占整个表面面积的10%-60%,深度为5μm-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面,其特征在于,所述疏液滑移区具有疏液特性,液体接触角大于90°。
7.一种仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)仿生微凹结构制备:选择亲液金属作为基体材料,对基体材料进行抛光处理和超声清洗,获得纯净的光滑表面,利用微纳加工方法在基体材料表面加工仿生微凹结构,并再次对基体材料进行超声清洗;
2)表面疏液处理:利用疏液表面制备方法,赋予步骤1)中仿生微凹结构表面疏液性能,同时通过调控制备参数,控制微凹结构中疏液层的厚度,使其小于微凹结构的深度;
3)交错滑移表面制备:对步骤2)获得的疏液表面进行打磨和抛光处理,以使表面除微凹结构之外区域恢复经疏液处理之前的光滑特性和亲液性能,获得仿生结构化交错滑移减摩耐磨表面。
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