CN116738611B - 一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，所述方法如下：S1:摩擦副的动压槽底设计成超滑表面；S2:设计槽底的微细孔道；S3:设计外侧润滑剂补给与回收通道；S4:超滑表面与流体界面施加剪切应力；动压槽底的超滑改性可以加快槽内流体向槽根的聚集速度，提升流体动压力，同时降低摩擦能耗。针对滑块摩擦副，通过实验得出能够将液膜承载力提升252.66%，同时使粘性摩擦力降低19.98%。
Description
技术领域
本发明属于摩擦副设计技术领域，具体涉及一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法。
背景技术
提升摩擦副承载力、减小剪切摩擦损耗一直是摩擦学界不断努力的方向。人们在进行摩擦副性能研究时，常常假设微间隙内流-固界面无滑移，但是流体分子与固体表面之间会因表面较差的润湿性而产生边界滑移。通常疏水表面和亲水表面均会产生边界滑移现象，滑移量一般在微纳米尺度。对于摩擦副而言，边界滑移一旦发生变化，承载能力、摩擦特性以及流场流动特性均会随之改变。有资料显示，产生边界滑移并使之增大，是微纳尺度下增加流体流速、提高微纳流体系统效率的重要手段。因此，众多学者通过对摩擦副进行滑移表面设计来提升承载力或减小摩擦损耗，结果显示滑移+织构组合设计可以获得更优异的摩擦学性能。关于大滑移表面的制备，有学者认为可通过疏液设计获得：一是让表面极为光滑，可使水产生10nm-2μm的滑移长度；二是在表面设计微纳织构，如利用光刻和化学沉积技术制备微纳织构超疏水表面，获得了目前为止最大的滑移长度（400μm）。然而，这两种方法都很难实现宏观滑移。因此，哈佛大学提出将低表面能润滑剂注入经过粗糙处理的固体表面微纳尺度空隙内，取代气层，利用这种方法获得了滑移效果显著的超滑表面（Slipperyliquid-infused porous Surface，简称SLIPS）。该方法是目前制备液体超滑表面的主流手段，但是存在严重的疏液层润滑油损耗而导致超滑表面失效的问题。于是人们又构筑了固体超滑表面，但前者为液-液界面，后者为固-液界面，其滑移速度较前者慢。此外，也有研究显示，利用摩擦副液膜空化（在固-液间持续生成气层）可以增大边界滑移。相较于微纳结构内的驻留气层，这种空化气层在设备正常运行时可以长期存在，还可降低疏液表面制造成本，或许会是一个有前景的方向；不过就目前而言，如何延长SLIPS在各领域正常的使用寿命，仍是前沿热点问题。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，实现超滑移状态时，还可以防止液体润滑剂流失等目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：所述方法如下：
S1：摩擦副的动压槽底设计成超滑表面
摩擦副静面的动压槽底经过粗糙处理，粗糙处理后的固体表面有微纳尺度的空隙，将低表面能润滑剂注入空隙内，静面槽底通过上述超滑改性后，液膜与静面之间的液体介质分子可以沿静面自由移动，即滑移速度趋近动面运动速度，滑移长度趋近正无穷，达到超滑移状态；
S2：设计槽底的微细孔道
在摩擦副静止件液膜压力、温度、速度相同区域均匀开设若干个微细孔道，与动压槽底联通，外侧润滑剂通过该微细孔道，可对超滑表面润滑剂进行实时定量补给；
S3：设计外侧润滑剂补给与回收通道
补给通道将微细孔道与外部储油池连通，回收通道实现槽底与微细孔道连通，补给与回收通道均采用特斯拉阀结构；
S4：超滑表面与流体界面施加剪切应力
借助温度梯度、磁场、电场等来实现在流体上施加剪切应力，增大承载力和降低摩擦力，保持超滑。
进一步的，所述S1中超滑表面设计还可以通过制备多孔表面方法实现，即在摩擦副原始槽底镀上多孔涂层；增加表面粗糙度。
进一步的，低表面能润滑剂具体是将月桂酸和硅油按一定配比混合而成的溶液，当然低表面能润滑剂不仅仅局限上述方法。
进一步的，所述S2中当超滑表面润滑剂减少时，微细通道外侧的润滑剂在力的作用下，向槽底移动，到达槽底表面后迅速在表面铺展，实现快速补给；若因外部干扰导致超滑表面润滑剂补给过量，微细通道会快速回收多余润滑剂；若超滑表面润滑剂分布没有变化，则微细通道处于休眠状态。
进一步的，所述S3中补给通道是外部储油池经过特斯拉阀结构单向进入微细孔道，回收通道是微细孔道经过特斯拉阀结构单向进入槽底。
基于上述发明方法，可以得到以下有益效果：
动压槽底的超滑改性可以加快槽内流体向槽根的聚集速度，提升流体动压力，同时降低摩擦能耗。针对滑块摩擦副，通过实验得出能够将液膜承载力提升252.66%，同时使粘性摩擦力降低19.98%。
在复杂流场的持续“冲刷”下，槽底超滑层内的液体润滑剂会随之流失，导致超滑表面性能逐渐降低等问题，通过微细孔道独特的设计，对超滑表面润滑剂进行实时定量补给，即当超滑表面润滑剂减少时，微细通道外侧的润滑剂在某种设计力的作用下，向槽底移动，到达槽底表面后迅速在表面铺展，实现快速补给；若因外部干扰导致超滑表面润滑剂补给过量，微细通道会快速回收多余润滑剂；若超滑表面润滑剂分布没有变化，则微细通道处于休眠状态。
利用特斯拉阀节省空间、单向导通的巧妙特征，用于主动调节润滑剂从储存池向槽底补给或从槽底反流回储存池的过程。
在超滑槽底与液膜界面沿动面运动方向的反方向（-Y）施加切应力τ 液可以进一步增大承载力和降低摩擦力。
附图说明
图1是摩擦副界面不同滑移条件示意图。
图2是超滑表面的结构图。
图3是润滑剂补给（C）与回收（E）流程图。
图4是组合式特斯拉双向阀结构。
图5是槽区底面流体表面施加与动面运动方向相反的剪切应力图。
图6是三维模型结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1-6所示，一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：所述方法如下：
S1：摩擦副的动压槽底设计成超滑表面
摩擦副静面的动压槽底经过粗糙处理，粗糙处理后的固体表面有微纳尺度的空隙，将低表面能润滑剂注入空隙内，静面槽底通过上述超滑改性后，液膜与静面之间的液体介质分子可以沿静面自由移动，即滑移速度趋近动面运动速度，滑移长度趋近正无穷，达到超滑移状态；
上述超滑表面设计还可以多孔表面方法形成，即在摩擦副原始槽底镀上多孔涂层；增加表面粗糙度；
低表面能润滑剂具体是将月桂酸和硅油按一定配比混合而成的溶液。
S2：设计槽底的微细孔道
在摩擦副静止件液膜压力、温度、速度相同区域均匀开设若干个微细孔道，与动压槽底联通，外侧润滑剂通过该微细孔道，可对超滑表面润滑剂进行实时定量补给；
当超滑表面润滑剂减少时，微细通道外侧的润滑剂在力的作用下，向槽底移动，到达槽底表面后迅速在表面铺展，实现快速补给；若因外部干扰导致超滑表面润滑剂补给过量，微细通道会快速回收多余润滑剂；若超滑表面润滑剂分布没有变化，则微细通道处于休眠状态。
S3：设计外侧润滑剂补给与回收通道
补给通道将微细孔道与外部储油池连通，回收通道实现槽底与微细孔道连通，补给与回收通道均采用特斯拉阀结构；补给通道是外部储油池经过特斯拉阀结构单向进入微细孔道，回收通道是微细孔道经过特斯拉阀结构单向进入槽底。
S4：超滑表面与流体界面施加剪切应力
借助温度梯度、磁场、电场等来实现在流体上施加剪切应力，增大承载力和降低摩擦力，保持超滑。
下面发明人根据上述方法逐一对每个步骤应用的关联性和作用进一步解释：
本发明中的超滑表面位于摩擦副（微机电系统、动压轴承、液膜密封等）动压槽底（动压槽开设在静面上，槽可为开口槽也可为封闭槽，且槽型不受限），可以很好地锁住低表面能疏液层，还可以完全避免该功能表面的磨损，从而减小制造成本，延长使用寿命。
图2所示，超滑表面的制备方法（但不限于）为：将低表面能润滑剂（例如，将月桂酸和硅油按一定配比混合而成的溶液）注入经过粗糙处理的固体表面微纳尺度空隙内；
多孔表面的制备方法包括（但不限于）：①在摩擦副原始槽底镀上多孔涂层（如SiO2等）；②通过先进制造技术增加表面粗糙度（如物化沉积、激光加工等）。
上述两种超滑表面均要对润滑剂具有强的吸附性，即补充的润滑剂可以极快速地在多孔材料层中扩展，并牢牢吸附于超滑表面的微纳尺度空隙内。
图1给出了无滑移图1（a）、一般滑移图1（b）和超滑移图1（c）三种边界的示意图，其中V为动面运动速度，h 0为非槽区膜厚，h g为槽深，L s为滑移长度，v s为滑移速度。对于本发明而言，具体做法为保持摩擦副动面与液膜紧密粘附，流-固界面无滑移，即v s=0，L s=0，对静面槽底进行超滑改性，液膜与静面之间的液体介质分子可以沿静面自由移动，即v s→V，L s→＋∞，暂且称为超滑移，在此设计下，液膜可保持其完整性图1（c）。
基于上述设计改进，通过数值计算已经证明，动压槽底的超滑改性可以加快槽内流体向槽根的聚集速度，提升流体动压力，同时降低摩擦能耗。针对滑块摩擦副，发现在所研究范围内能够将液膜承载力提升252.66%，同时使粘性摩擦力降低19.98%（参考实用新型专利202121515071 .7，发明专利202210664850.6）。
由于动压槽的存在以及系统的振动，会造成微间隙流场速度、压力分布不均，而摩擦副的碰磨及介质的高粘度又会导致流场温度上升，在复杂流场的持续“冲刷”下，槽底超滑层内的液体润滑剂会随之流失，导致超滑表面性能逐渐降低，甚至失效。鉴于此，考虑不同区域的润滑剂损失量不同，本发明在摩擦副静止件上开设若干相互间有一定距离，且位于压力、温度、速度相同区域的微细孔道，与动压槽底连通，外侧润滑剂通过该微细孔道，可对超滑表面润滑剂进行实时定量补给，即当超滑表面润滑剂减少时，微细通道外侧的润滑剂在某种设计力的作用下，向槽底移动，到达槽底表面后迅速在表面铺展（槽底表面被设计为对润滑剂超浸润，接触角越趋近于零越好），实现快速补给；若因外部干扰导致超滑表面润滑剂补给过量，微细通道会快速回收多余润滑剂；若超滑表面润滑剂分布没有变化，则微细通道处于休眠状态。可以利用压力、温度、电力、磁力等促进微细通道对润滑剂的补给或回收，在实际应用时根据所选用的工作机理进行对应的精确计算，即可获得各结构设计参数值。以粗糙体+润滑剂的超滑表面为例，润滑剂补给和回收流程如下（图3所示）：
①正常工作的超滑表面（图3中A）→润滑剂流失后的超滑表面（图3中B）→微细通道快速补给润滑剂（图3C，其中I、G为组合式特斯拉双向阀与润滑剂存储池连接处，结构如图4所示）。
②正常工作的超滑表面（图3中A）→外界干扰，润滑剂补给过量（图3中D）→微细通道快速回收多余润滑剂（图3中E，其中I、G为组合式特斯拉双向阀与润滑剂存储池连接处，结构如图4所示）。
利用特斯拉阀节省空间、单向导通的巧妙特征，本发明提出一种组合式特斯拉双向阀结构（图4），用于主动调节润滑剂从储存池向槽底补给或从槽底反流回储存池的过程，其具体工作原理如下：
①润滑剂补给过程：当超滑表面润滑剂流失量较大时，存储池中润滑剂沿J→I通道顺畅补给，而H→G通道受阻。
②润滑剂回收过程：当润滑剂过量时，槽底润滑剂沿G→H通道顺畅回流，而I→J通道受阻。
在超滑表面与流体界面施加剪切应力，即在流体上施加剪切应力，界面仍然保持超滑，可借助温度梯度、磁场、电场等手段实现。前期的数值计算表明，在超滑槽底与液膜界面沿动面运动方向的反方向（-Y）施加切应力τ 液（图5）可以进一步增大承载力和降低摩擦力。
最后，基于上述方法，得到自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副模型（图6所示），中间圆柱体为转轴，转轴外部套有呈环状的静环，静环的密封端面动压槽经过粗糙处理，粗糙处理后的固体表面有微纳尺度的空隙，将低表面能润滑剂注入空隙内，在静环端面动压槽底液膜压力、温度、速度相同区域均匀开设若干个微细孔道，通过特斯拉双向阀结构将外侧储油池与微细孔道连通，同时将储液环槽1与储液环槽2连通，用于主动调节润滑剂从储油池向槽底补给或从槽底反流回储油池的过程。
以上所述均为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的原理前提下，对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1. 一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：所述方法如下：
S1:摩擦副的动压槽底设计成超滑表面
摩擦副静面的动压槽底经过粗糙处理，粗糙处理后的固体表面有微纳尺度的空隙，将低表面能润滑剂注入空隙内，静面槽底通过超滑改性后，液膜与静面之间的液体介质分子沿静面自由移动，滑移速度趋近动面运动速度，滑移长度趋近正无穷，达到超滑移状态；
S2: 设计槽底的微细孔道
在摩擦副静止件液膜压力、温度、速度相同区域均匀开设若干个微细孔道，与动压槽底联通，外侧润滑剂通过该微细孔道，对超滑表面润滑剂进行实时定量补给；
S3:设计外侧润滑剂补给通道与回收通道
补给通道将微细孔道与外部储油池连通，回收通道实现槽底与微细孔道连通，补给通道与回收通道均采用特斯拉阀结构；
S4: 超滑表面与流体界面施加剪切应力
借助温度梯度、磁场、电场来实现在流体上施加剪切应力，在超滑槽底与液膜界面沿动面运动方向的反方向-Y施加切应力τ液，增大承载力和降低摩擦力，保持超滑。
2.根据权利要求1所述的一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：超滑表面设计通过制备多孔表面方法实现，在摩擦副原始槽底镀上多孔涂层；增加表面粗糙度。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：低表面能润滑剂具体是将月桂酸和硅油按一定配比混合而成的溶液。
4.根据权利要求1所述的一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：所述S2中当超滑表面润滑剂减少时，微细通道外侧的润滑剂在力的作用下，向槽底移动，到达槽底表面后迅速在表面铺展，实现快速补给；若因外部干扰导致超滑表面润滑剂补给过量，微细通道会快速回收多余润滑剂；若超滑表面润滑剂分布没有变化，则微细通道处于休眠状态。
5.根据权利要求1所述的一种具有自修复式超滑表面的高载低摩摩擦副设计方法，其特征在于：所述S3中补给通道是外部储油池经过特斯拉阀结构单向进入微细孔道，回收通道是微细孔道经过特斯拉阀结构单向进入槽底。
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