微織構化表面潤滑設計與發展分析

張培耘，張彥虎，華希俊，符永宏，尹必峰，符昊，紀敬虎

（江蘇大學 a.機械工程學院 b.先進制造與現代裝備技術工程研究院c.汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

摩擦學主要是研究運動副在工作過程中，其接觸表面摩擦和磨損發生與發展規律的科學。一般認為，在關鍵運動副工作過程中，接觸表面伴隨摩擦作用，進而引起接觸區域產生振動、噪聲、熱耗散、材料遷移和磨損。這些變化會改變運動副的工作條件和服役性能。為了控制關鍵運動構件的磨損，人們主動為接觸表面引入了潤滑措施，從而形成了摩擦學的三大支柱——摩擦、磨損和潤滑。在摩擦學發展過程中，人們較早地認識到降低摩擦副表面粗糙度并不總是能降低摩擦因數和材料磨損。后來，研究發現，一對平行粗糙表面滑動副能夠形成流體動壓潤滑油膜。盡管摩擦副表面微觀形貌并不規則，但為工程潤滑問題提供了新的思路。直到內燃機缸體內表面網紋珩磨技術的誕生，更加明確了摩擦表面微細結構規則化的顯著優勢。

數十年來，國內外針對織構表面技術在摩擦潤滑理論和工程實踐兩方面的研究相當豐富[1-8]，應用領域從傳統制造業領域（內燃機缸套-活塞環-活塞[9-11]、凸輪/滾輪[12]、主軸[13-14]、機械密封[15-17]、軸承[18-20]、刀具[21-24]、機床導軌[25-29]、齒輪[30-32]等）向農業機械[33]、軌道交通[34]、空間潤滑[35]、壓電驅動[36-38]、生物醫學[39-46]諸多新領域拓展[47]，成為摩擦學設計[48-49]、仿生工程[50-54]和表面技術[55]等領域的研究熱點問題。微織構在摩擦表面的應用引起了摩擦學界的廣泛關注[56]。許多研究涉及到有益微觀織構的推斷和測試，但一些重要摩擦學設計問題仍需加大研究力度[56]，這對滿足我國現階段高端基礎零部件亟需跨越式發展的現實需求尤為重要。在摩擦接觸表面設計和開發最優的微尺度織構，可以最大限度地減小滑動摩擦，最終提高零部件的性能和壽命[57]。本文針對表面織構在不同工況下的潤滑減摩作用機制和表面織構幾何結構，分析兩方面近十年的發展概況并進行簡要評述，希冀為表面織構在潤滑力學方面的發展和應用提供些許有益參考。

1 表面織構的潤滑減摩理論發展

1.1 流體動壓潤滑

自摩擦二項式定律誕生以來，業界就接觸表面形態對摩擦潤滑的作用逐步形成一些共識，后來表面微觀尺度的形貌特征引起了人們的重視[58]。織構形貌有凸體和凹體之分，最先引起注意的是凸體織構在磁盤表面減摩方面的應用[59]。近十多年來，由于加工手段的不斷豐富，通過去材方式獲得凹體織構（如凹坑、微槽等）較為便利，隨之微織構在摩擦表面的應用受到摩擦學界的廣泛關注[56]。豐富的研究結果表明，對于流體動力潤滑方式，通過摩擦副表面織構化可以減少摩擦。

表面織構對動壓潤滑的影響機制主要涉及三個方面[60]：一是帶有凹痕或凹槽對流體動壓潤滑的增強；二是在某些情況下的氣穴壓力提升機制；三是酒窩或凹槽引起的逆流。在完全潤滑，甚至混合潤滑的情況下，每個微凹坑都可用作微流體動壓軸承，進而提高動壓潤滑效應[61]。另外，微凹坑可用作潤滑液的儲存器，在滑動接觸過程中，均布或鋪展潤滑液，提供微量潤滑或局部實現“二次”潤滑[62]，擴大潤滑區域，進而改善動壓潤滑性能。在潤滑狀況不佳或干摩擦情況下，微凹坑可用作微型捕集器來收集和清除摩擦界面產生的磨屑[63]，避免接觸配副表面粗糙峰與磨粒構成對摩擦過程極為不利的三體磨損。因此，實施表面織構希冀有效減輕粘著磨損和磨粒磨損[46]。此外，在滑動面間能夠產生空化，而空化區的氣液邊界處將產生界面滑移，空化區越大，則滑移長度越長，滑移效應增強，則減摩性越好[64]。

表面織構摩擦學效應和潤滑作用不僅取決于表面織構自身引起表面功能特性的改變[65]，也受制于摩擦副材料、潤滑介質和摩擦工況（負載、速度和溫度）。摩擦副材料對摩擦性能和潤滑性能的影響應該是最基礎的，但受到織構成形工藝（如高能束加工和超聲加工）的影響，接觸界面材料往往會發生一些改變。鋼/銅摩擦副表面織構下，摩擦因數變化較為復雜，而鋼/鋼摩擦副表面織構下，摩擦因數變化平穩[49]。潤滑介質對表面織構的潤滑性能有重要影響，油潤滑時表面微觀結構特性對摩擦的影響要比脂潤滑更為顯著[49]。潤滑油供應量顯著影響接觸區的油膜厚度，微織構能改善摩擦副的潤滑摩擦性能[66]。尤其在乏油區，微凹坑會產生氣穴現象，瞬態下，較充分供油時改善潤滑的效果才會顯著[66]（見圖1）。在潤滑油介質中，單獨采用表面微織構措施可使摩擦因數較光滑表面降低4.8%，而采用微織構處理并填充固體潤滑劑可使摩擦因數降低17.7%，且試樣摩擦因數隨載荷的增大而減少且逐漸趨于穩定，但隨轉速的增大而增大[67]。

圖1 典型表面織構微單元二維圖示及其動壓分布[2]Fig.1 Typical surface texture unit and the pressure distributions[2]

摩擦工況主要涉及速度和壓力，歸化為重要的潤滑參數Herscy 數。微凹坑織構端面在進入流體動壓潤滑階段后，摩擦因數隨Herscy 數的增大而產生波動，但其數值并未增大[64]。在Hersey 數較小時，表面引入織構不利于材料摩擦因數的降低，而Hersey數較大時，織構有助于提高摩擦學性能[68]。這也佐證了表面織構結構化幾何特征應與工況條件相適應。將織構分布特性和幾何特征結合起來分析表征微結構幾何形貌，更有利于表面微觀結構特性的摩擦學設計[49]。

近年來，凸體陣列表面微織構吸引了人們的關注，尤其是在金屬成形、增摩設計等摩擦性能調控方面。有研究表明，在富油潤滑下，凸體織構的摩擦因數與織構密度正相關[69]。凸體密度為50.2%的樣品的摩擦因數降低了64.4%，而具有28.2%織構密度的樣品具有最小的磨損量，與光滑樣品相比，磨損量減少了87.6%。除動壓效應外，熱影響區形成的針狀馬氏體顯著提升了凸體的顯微硬度。球冠織構形成油壓的區域要明顯大于圓柱和圓錐織構形成的油壓區域[70]。在相同表面占有率和微細造型深度下，正三角形造型有效油膜壓力的區域較大，在相對滑動的表面中形成的間隙大，摩擦因數小[70]。隨著織構密度的增加，摩擦因數先降低后增加，在織構密度為20%時獲得最小摩擦因數[71]。雖然從去材模式上理解，凹體織構的保留結構體可理解為凸體，但在摩擦性能調控方面，初步研究表明，二者具有顯著差異。在潤滑工況下，與凸體織構表面相比，無論織構密度、尺寸和法向載荷，凹體織構在降低摩擦因數方面都具有明顯優勢[71]，但不可忽略在典型的工程應用中摩擦扮演的不同角色。

1.2 彈流潤滑工況

對于彈性流體動力潤滑方式，并非所有的凹痕尺寸和形狀都會減小摩擦。這主要關系到由凹痕引起的粗糙度增加和它們產生的舉升力之間的平衡。為了增強舉升力的產生，在彈流動壓潤滑工況下工作的摩擦副表面織構凹坑，需要具有傾斜的底部以產生流體動力楔形物或流體靜力舉升力，以實現摩擦減小[60]。潤滑工況對摩擦因數的影響如圖2 所示。因此，凹坑邊緣相對于水平面的角度、底部形狀，以及在滑動方向和垂直于滑動方向的凹坑間距都很重要，并且潛在的氣蝕力也可能是降低摩擦效果的機制之一。

圖2 彈流動壓潤滑工況參數（卷吸速度和滾滑比）的摩擦因數響應面[72]Fig.2 Response surface of friction coefficient for EHL parameters (entrainment speed and slide-roll ratio)[72]

空穴區域處的織構不會影響潤滑液膜壓力和軸承承載能力，織構區域前端會產生低壓效應，而其末端會產生動壓效應。織構位于壓力上升區域時，可以提高承載能力，且承載能力隨該區域織構表面面積的增大而增大；但織構位于壓力下降區域時，將降低承載能力并加劇空化現象[73]。球-盤摩擦試驗結果表明，在低速（0.005 m/s）條件下，混合潤滑區域較小直徑（50 μm）的織構能夠減小摩擦，而較大直徑（200 μm）的織構表現出增大摩擦的效果[74]。在較低雷諾數下，位置參數對油膜承載的影響明顯，優化參數后，油膜承載提升了59%。但當雷諾數增大時，位置參數對油膜承載的作用逐漸減弱。此外，凹槽深度一定時，存在最優的凹槽寬度對應的最大油膜承載力[75]。在混合潤滑條件下，摩擦因數隨流道尺寸的增大而減小[76]。在彈流動壓潤滑條件下，凹坑的幾何形狀對織構表面的彈性變形有明顯的影響，其最大變形量和變形范圍都與韌窩的幾何形狀密切相關。隨著載荷的增加，幾何形狀效應越來越顯著，通過彈性變形最小的彈流潤滑，可獲得接觸表面織構的最佳幾何形狀[77]。

1.3 邊界潤滑工況

在低速重載工況下，兩個滑動表面粗糙峰會直接接觸，在這種工況下，摩擦副通常處于邊界潤滑狀態。摩擦副運行時，表面織構化凹坑需要產生靜水壓力，通過截留的潤滑劑使流體動力膜能夠起局部潤滑作用，降低摩擦因數[78]。研究表明，織構樣品的摩擦學性能與織構的幾何特征密切相關。與無織構的材料相比，較淺的表面織構設計（約0.5 μm）可減少摩擦，而較深的特征（>1 μm）通常會導致不利的結果[79]。在邊界潤滑條件下，凹坑深度為125 nm 的低密度點陣具有良好的減摩效果[80]。

實際接觸長度變化率成為控制局部摩擦響應的主要因素。織構的傾斜底部產生有效的楔形會聚作用，在接觸過程中產生動壓力，有助于控制全局摩擦作用[78]。在金屬成型過程中，模具與工件之間處于邊界潤滑狀態，模具表面微織構對材料流動的傳遞能力與金屬板的力學性能存在強相關性[81]。激光表面織構化可以改善金屬橡膠微絲的磨損性能，微絲織構表面的磨損深度比無織構的樣品小，而耐磨性隨著織構密度的增大而增加[82]。表面織構對氧化鋯陶瓷的潤濕性和摩擦學性能具有顯著影響，較小的凹槽寬度和適當的凹槽深度能夠提高氧化鋯陶瓷的生物相容性[83]。

在邊界潤滑條件下，摩擦振動噪聲也是一個突出的問題，摩擦因數較大的表面會輻射出更強的摩擦噪聲。特定結構的表面形貌能改善摩擦表面的潤滑特性，有效降低摩擦噪聲聲壓級[84]。同時，合適的表面形貌結構也有利于潤滑油膜形成，減小系統摩擦能量，達到降低摩擦噪聲的效果[84]。表面織構銷-盤線接觸副的摩擦因數降低明顯，而且摩擦因數相當穩定。隨織構密度的增大，摩擦因數呈現先減小后增大的趨勢，織構面密度為20%～35%時，減摩效果顯著[85]。

另外，不同工況下，表面織構副摩擦因數隨著轉數、載荷的增大，均呈現減小的趨勢[85]。微觀織構幾何參數之間的相互作用主要且復雜，使用常規分析或忽略因素之間的相互作用會導致錯誤的結論。在邊界潤滑條件下，微觀織構的直徑和面積分數是影響摩擦因數的主要單一因素。雖然長度、滑動方向和深度對響應沒有顯著影響，但它們之間的相互作用對摩擦因數和壽命有顯著影響，如圖3 所示[86]。

圖3 表面織構參數對邊界潤滑摩擦因數和磨損壽命的影響[86]Fig.3 Effect of surface texture parameters on friction coefficient and wear life under boundary lubrication[86]

1.4 干摩擦和固體潤滑工況

在干摩擦條件下，除了少許有色金屬表面發生氧化形成鈍化膜而利于防腐耐磨外，大多材料在氧化過程中可能會形成持續的氧化磨損機制。在極為惡劣的摩擦工況下，摩擦副表面在相對運動過程中，因直接接觸而發生局部應力集中、熱沖擊，及其導致的擦傷、粘著、氧化等復雜的磨損機制，促使磨損加劇和表面加速失效。在不適合流體潤滑的這種干摩擦場合下，往往通過實施固體潤滑來改善摩擦磨損性能。表面織構技術雖不屬于一種固體潤滑的策略，但在干摩擦條件下，表面織構有助于減小實際接觸面積，從而降低和穩定摩擦力與摩擦因數[87]，并且表面織構存儲摩擦過程中產生的磨損顆粒（見圖4），從而減少磨損并降低摩擦[88]。干摩擦工況下，固體激光織構后的接觸面積取決于其相對取向，估計的真實接觸面積與動摩擦測量值相關[89]。

隨著特殊環境工程應用對固體潤滑需求的不斷拓展，相關人員對固體潤滑進行技術升級，如固體潤滑劑復合[91]、織構與固體潤滑相結合[92-93]、織構與涂層相結合[94-95]等，并開展了諸多探索性工作。表面織構與沉積二硫化鎢薄膜技術復合，能夠延長二硫化鎢薄膜的磨損壽命，擴大其潤滑效果[95]。球-盤摩擦試驗表明，低密度表面韌窩的氧化石墨烯薄膜能有效地降低摩擦因數[96]。與普通表面相比，微織構化固體潤滑劑填充表面的摩擦因數降低了47.6%[67]。因織構表面形成了固體自潤滑層和轉移潤滑膜，表面織構鋼盤的摩擦磨損顯著降低[97]。尤其是用二硫化鎢或石墨固體潤滑劑填充織構時，可獲得較低的摩擦因數[98]。

在滾動線接觸過程中，通常存在氧化磨損、磨粒磨損和粘著磨損。而織構化表面填充黏結型二硫化鉬復合固體潤滑劑后，摩擦因數均隨著載荷和轉速的增大而減小，并能夠在高速重載下促進轉移膜在對偶面形成，呈現良好的減摩性能[99]。在以往的表面織構與固體潤滑復合技術研究中，采用單一潤滑劑（如二硫化鉬或石墨）獲得的減摩效果有時受限[48]，需要對復合固體潤滑劑的摩擦特性開展研究。在線接觸干摩擦工況下，表面織構填充二硫化鉬和質量分數為20%的聚酰亞胺復合潤滑時，具有最佳的減摩性能[99]。研究表明，Ag/MoS2固體潤滑涂層織構表面的摩擦磨損性能更好，主要受控于表面織構凹坑的大小和間距[97]。此外，銷-盤摩擦試驗表明，規則織構表面增加了材料表面氧的吸附量，可以促進更多摩擦氧化物的形成，從而顯著提高鈦合金的耐磨性[100]（見圖5）。在碳化鎢和鎳基合金基體組成的類織構形貌結構和石墨潤滑相的共同影響下，耐磨性比單一鎳基合金涂層提高大約9.6 倍[101]。

圖5 表面織構陣列對高溫干摩擦性能的影響[100]Fig.5 Effects of surface texture array on high-temperature dry friction performance[100]

綜上，表面微織構技術的實施對摩擦副接觸界面的影響與摩擦工況密切相關。在潤滑工況下，合理設計的表面微織構大多能夠有效降低摩擦，但影響程度又取決于表面微織構的設計理念和制造方法。對于激光表面微織構而言，激光與材料相互作用，致使激光最終在試樣工作表面產生熱效應（激光功率較大時會產生力效應）。因此，接觸表面不但具有目標設計的微織構形貌，而且在材料表面甚至亞表層的力學性能會發生變化，這些改變最終會以摩擦元件接觸表面硬化的表象模式來改變接觸副的摩擦學性能。但不論潤滑工況是否良好，凹體織構總是能夠有效捕獲磨損產物——磨粒。另外，諸多研究結果表明，表面織構能夠改變特定摩擦副的Stribeck 曲線（如圖6 所示，數據源于文獻[102-105]）。這種改變將會有力地調節摩擦潤滑特性，甚至重新界定潤滑區域的邊界。該特性對變工況摩擦副的摩擦學設計具有重要意義和實踐價值。

圖6 表面微織構對潤滑行為調節特性的圖例說明Fig.6 Illustration of the regulation characteristics of surface micro-textures on lubrication behavior

2 潤滑表面織構的幾何與拓撲研究

2.1 織構幾何參數的設計分析

2.1.1 凹坑織構的幾何結構

近年來，針對不同摩擦副表面微織構的幾何結構開展了較豐富的研究，但大多數研究集中于單個因素的孤立分析和討論，而且針對幾何形狀、特征尺寸和面域分布等關鍵設計參數所獲得的結論并不統一[106-107]。在摩擦過程中，織構微凹坑具有收集磨屑、存儲潤滑劑、降低磨損等功能。一般認為，凹坑表面產生的承載效應是其靜壓和動壓效應的綜合效果，尤其是在高速滑動條件下，表面凹坑織構對運動副的動壓效應起主要作用[108-109]。如在水潤滑摩擦條件下，金屬鎳表面圓形凹坑的摩擦因數保持在0.17 左右，而未經處理試樣的摩擦因數在相同條件下超過0.65[110]。在微織構的幾何結構因素方面，凹坑的直徑與面積密度對材料表面摩擦性能的影響較大，凹坑深度對摩擦性能的影響較小[111]。

摩擦因數隨凹坑直徑及間距的增大而減小[112]，但過大或過小的凹坑直徑都不利于形成油膜和降低摩擦[113]。織構樣品的摩擦學性能與織構深度密切相關[114]。凹坑間距越小，則對油膜形成越有利，摩擦因數越低[113]。合理的凹坑微織構在有/無潤滑條件下，都具有減摩效果，在潤滑條件下，減摩效果更好，同時能有效降低摩擦區的溫度。此外，在有/無潤滑條件下，凹坑微織構的面積占比都與摩擦副的摩擦性能關系密切。在不同載荷作用下，規則微凹坑織構存在最佳的分布密度[115]。在織構幾何特征一定的條件下，承載力隨著面積占有率的增加而增大[116]。當載荷條件確定時，摩擦副的摩擦因數也隨占有率的增大而降低[41]。在微凹坑直徑及深徑比不變時，存在最優微凹坑面積率，約為30%[117]。在相同面積占有率的條件下，承載力隨織構深度大致呈現上凸非線性變化規律[116]。除了織構的分布形式對摩擦性能有很大影響外，表面織構存在合理的凹坑深度，可以獲得較大承載力[118]。對于特定的凹坑面積密度，摩擦性能與凹坑深徑比有關，而凹坑幾何尺寸影響其承載能力[119]。與無織構的試樣相比，較淺的織構設計（小于0.5 μm）可減少摩擦，而較深的特征（大于1 μm）通常會導致不利的結果[79]。在微凹坑密度確定時，存在最優深徑比，約為0.027[117]。

2.1.2 凹槽織構的幾何結構

凹槽織構的潤滑減摩研究主要集中在兩個方面：一是凹槽織構的工況適應性，二是凹槽構型的比較研究與優化。研究表明，凹槽織構可降低啟動速度，并在更廣的速度范圍內利于形成彈性流體動壓潤滑；而徑向彎曲的溝槽在混合潤滑條件下降低了摩擦，從而將邊界從過渡狀態轉變為混合狀態，特別是對于中等潤滑劑黏度[79]。不同類型槽的動壓潤滑性能差異顯著，梯形槽表現出較好的動壓潤滑性能[120]。在較低雷諾數下，織構位置參數對油膜承載影響明顯；雷諾數增大時，位置參數對油膜承載的影響作用逐漸減弱。另外，給定凹槽深度時，存在最優的凹槽寬度對應著最大的油膜承載力（圖7）[75,114]。

圖7 兩種典型表面微織構（凹坑和溝槽）的摩擦性能比較[114]Fig.7 Comparison of friction performance of surface micro- pits and grooves[114]

載荷大小對凹槽潤滑作用有重要影響。對于最小法向載荷，具有垂直于滑動方向的凹槽的試樣，膜厚最低。對于中等載荷，溝槽方向對薄膜厚度沒有影響。對于最高載荷，垂直于凹槽滑動的薄膜最厚（圖8）[88]。人字形槽在增加流體動力膜厚度方面十分有效，螺旋槽在旋轉機械中的使用性能良好（圖9）[119,121]，而線性溝槽效果較差。進一步發現，沿滑動方向指向V形的人字形槽最為有效[106]。微槽織構表面由于邊緣應力集中而增加了阻力，而摩擦增量隨邊緣半徑的增大而減小[122]，在面積密度為中等值且邊緣半徑較大的情況下，可得最低摩擦因數[122]。在高速輕載工況下，V 形槽織構化表面的摩擦因數比未織構面降低50%以上[123]，平均摩擦因數隨著V形凹槽角度和邊長的增加而減小，存在優化的槽間距使得摩擦因數達到最小[123]。也有研究發現，網格狀形貌試樣比凹坑和凹槽形貌試樣表現出更好的摩擦學性能，其摩擦因數則隨網格狀織構間距的減小而增大[68]。正弦型微溝槽表面織構的減磨性能比直線型微溝槽的更好，尤其在重載高速工況下，正弦型微織構脂潤滑試樣的減磨性能最好[124]。但在高溫條件下，表面織構對摩擦的影響規律并不統一[125]。

圖8 表面微槽型織構及其磨損對織構方向的依賴性[88,126]Fig.8 Surface textured grooves and its wear dependence on texture direction[88,126]

圖9 環形摩擦元件端面實施的幾種典型微織構示意[119,121]Fig.9 Typical surface textures implemented on the end-face of the annular friction element [119,121]

2.1.3 異形及復合織構

隨著織構技術的不斷發展和成熟，織構化表面形貌的自主設計與制造成為明顯趨勢[127]。尤其是在工況條件在不同空間和時間內不斷變化的摩擦副表面，需要綜合考慮工況變化給潤滑模式和條件帶來的麻煩與挑戰。因此，實施異型織構和復合織構成為一種重要策略。織構形貌特征由早期的單一方向發展為傾斜方向（圖10）[128]，幾何特征由單一形貌向復雜形貌轉變（圖11）[129]。概括地說，復合型織構主要有兩種模式：一種是同時在不同區域實施不同幾何特征的織構，即為“混合”型；另一種是先實施某種特征織構后，在織構區域引入另一種特征的織構，即為“重疊”型[127]。

圖10 幾種織構化表面磨損特征比較[128]Fig.10 Comparison of wear characteristics of several textured surfaces[128]

圖11 Ti6Al4V 合金上加工的雜化微納米結構及其磨損形貌[129]Fig.11 Hybrid micro-nanostructures processed on Ti6Al4V-alloy and worn surfaces[129]

不同幾何特征的表面織構往往會對潤滑工況產生獨特的作用模式。已有研究表明，與具有單一尺寸凹坑的織構相比，不同尺寸凹坑混合織構的承載能力顯著提高，這也為復合微織構設計思想提供了重要證據[130]。研究表明，表面實施復合織構時，壓力分布更加合理，舉升力明顯大于兩種單一織構表面產生的舉升力之和，即復合織構表面動壓潤滑效果更好[131]。表面織構參數影響不銹鋼的摩擦學性能，其摩擦因數隨孔徑及間距的增大而減小。復合潤滑結構與含有納米添加劑的潤滑油配合能顯著降低磨損，增強材料的摩擦學性能[112]。另外，具有合適孔型和孔深的菱形孔織構可極大地改善摩擦副的潤滑性能，能夠有效降低摩擦因數。在試驗工況條件下，雙向雙列傾斜菱形孔和孔深為10 μm 的菱形孔具有較好的摩擦學特性[64]。摩擦試驗表明，混合微尺度織構表面的摩擦因數比光滑表面顯著降低32.65%。有研究者在軸承、機械密封等機械部件的接觸區域以及在刀具上，應用混合微尺度織構，以期獲得更高的生產率[57]。然而，試驗研究并不總是能取得完美的結果，如凹槽織構對摩擦因數的影響和耐磨性的影響不同。周向橢圓形凹坑顯著地降低了摩擦表面之間的摩擦因數，但表面織構后的耐磨性也降低。另外，對于特定的凹坑面積密度，壓痕試樣的摩擦性能與凹坑深徑比有關，而凹坑幾何尺寸影響其承載能力[119]。鐮刀形雜化微納米結構這些問題的出現，為表面織構設計與分析引入了新的課題。

除了織構加工技術和服役材料之外，織構試樣的摩擦性能與幾何構型和拓撲分布關系密切（圖12）。近年來，表面織構與潤滑介質的親疏性[132]和仿生學特性[46,133]引起了人們的關注。典型的如應用仿生鯊魚皮獲得抗剪減摩和捕捉磨粒的作用。此外，表面微溝槽作為潤滑油的貯存器，還可保持潤滑薄膜，實現較長時間的持續潤滑[134]。通過摩擦試驗，比較圓形、菱形和網紋3 種表面微織構方案，發現網紋具有良好的儲屑能力和多路潤滑油傳送能力，更能起到減摩抗磨的作用[135]。對超短脈沖激光毛化4 種織構（單面、線狀、十字形、點狀）在富油潤滑條件下的收斂比進行比較，發現不同織構之間存在微小區別，且與無織構相比，總體有所改善。對于高收斂，無論載荷和織構的相對位置如何，織構都有利于減少摩擦；對于低收斂，位于軸承入口的織構會顯著減少摩擦[136]。除了聚合物刷表面對潤滑液具有較強的水化作用，促進了局部潤滑膜的形成[137]外，織構表面的微韌窩可以有效地保護聚合物電刷，從而顯著延長聚合物電刷的磨損壽命。隨著滑動速度的增加，不同織構密度的表面微結構的摩擦因數呈現先減小、后增大的趨勢，符合Stribeck 曲線特性[138]。最近研究表明，與具有單一尺寸凹坑的織構相比，多尺寸復合凹坑織構的承載能力顯著提高，該結果為復合微織構設計提供了重要依據[130]。

圖12 表面織構技術的四大“觸角”Fig.12 Four tentacles in the research of surface texturing

2.2 拓撲結構的仿生設計

如前文所述，織構試樣的摩擦性能與織構類型、密度和尺寸密切相關。因此，從親疏潤滑介質的角度理解和設計表面織構，引起了人們的關注[132]，甚至衍生出表面工程一個新的熱點分支——仿生織構摩擦學[46,133]。在陶瓷表面激光織構制備仿生鯊魚皮和沉積二硫化鎢涂層后，摩擦因數分別降低到0.3 和0.07 左右，與單純拋光陶瓷表面相比，摩擦因數分別降低了29%和84%。另外，織構的幾何分布影響試樣的摩擦學性能[139]，合適的表面織構能夠有效改善摩擦性能。

對于不同的摩擦配副而言，理想拓撲結構不僅受制于摩擦副的接觸類型，還受制于摩擦副材料性能和潤滑工況。研究表明，微織構化鋁合金表面磨損程度減輕，當微凹坑直徑為60 μm，即面密度為4.91%時，微織構化鋁合金表面具有最佳的減摩和抗磨性能[140]。對于傳統的幾何形貌，如球坑、圓錐坑、圓柱坑、橢球坑、三角柱坑等微尺度拓撲結構，比較其動壓潤滑性能后發現，工況參數的影響程度大于幾何和拓撲結構。在織構微尺度結構參數中，拓撲結構對動壓潤滑性能的影響程度大于幾何結構的影響[108]。幾何參數對水膜承載力的影響順序為：轉速>膜厚>坑形>深徑比>面積率。該結論可為表面織構幾何形貌的潤滑設計提供重要的因素序列。

在干燥和潤滑條件下，與無織構表面相比，多形狀織構表面的摩擦因數更低且波動很小。在潤滑條件下觀察到較低的摩擦因數，歸功于有效的流體動力潤滑作用[141]。隨著滑動速度的增加，多形狀酒窩的有益效果變得更為顯著。另外，干摩擦條件下，在無織構表面的接觸區域觀察到磨損顆粒，而在有凹痕的織構表面，磨損顆粒填充在凹痕中（圖13），界面處的碎屑會增加摩擦因數并可能加速磨損[141]。織構對稱性方面的研究表明，對稱織構在往復運動中表現出相同的動壓性能，非對稱型織構上表面運動方向相反時，動壓潤滑性能相差較大，且在某一運動方向上比單一織構表現出更大的承載力[142]，這為摩擦的定向控制提供了新方案。織構承載力與壁面運動速度在一定范圍內成線性關系[142]。對于工況條件明確的特定摩擦副，應該存在極優織構分布使得摩擦學性能達到最好。譬如，缸套表面的微凹坑有一定的減摩潤滑效果，且當面積占有率為12%時，缸套的綜合性能最好[143]。

圖13 表面復合微織構陣列的SEM 照片[141]Fig.13 SEM photos of composite micro-texture array on the surface[141]

合理的凹坑微織構在有/無潤滑條件下都具有減摩效果，在潤滑條件下減摩效果更好，同時能有效降低摩擦區的溫度。在有/無潤滑條件下，凹坑微織構的面積占比都與摩擦副的摩擦性能有很大關系，凹坑面積占比越大，摩擦副的摩擦因數越低，摩擦性能越好[41]。

在水基潤滑工況下，凹腔織構呈現出明顯的摩擦學各向異性，其中順時針方向分布的三角形織構的減摩效果最好[144]。通過比較研究6 種不同凹腔織構（球形、橢圓形、圓形、橢圓形、三角形和人字形）的平行滑動軸承的氣體潤滑性能，發現橢圓形織構在承載能力方面表現最佳[145]。橢圓形凹坑不僅提供最小的摩擦因數，而且獲得了最大的軸承剛度[106]。另外，表面織構的基本幾何形狀決定了最佳的織構密度，而最佳的縱橫比則由凹坑的內部結構來定義[106]。對于矩形型腔陣列，隨著沿行程的型腔容積之和的增加，摩擦和磨損都將單調減少。隨著表面微細加工技術的發展，織構形貌也日趨復雜化[145]（圖14），摩擦學功能也從單一功能向功能耦合轉變。基于此，微/納結構的嵌套設計與協同潤滑，以及潤滑劑結構仿生與功能仿生的結合，將是未來的重要發展方向[42]。

圖14 表面微織構低維模式舉例及其摩擦工況[145]Fig.14 Illustration of low dimensional modes of surface micro-texture and the friction conditions[145]

3 特殊服役環境適應性研究

近年來，隨著表面織構技術的發展，其應用環境從普通常溫環境逐漸向特殊環境（高/低溫）拓展，且研究對象逐漸多樣化，這一發展趨勢給表面織構摩擦學引入了新的課題，尤其是表面織構在特殊環境下的保持性和摩擦調控性能的環境適應性等問題引起了關注。研究表明，平面織構化試樣的潤滑性能強烈依賴于溫度，并且織構化樣品的承載能力明顯大于非織構化樣品[146]。通過分析液壓摩擦元件的工況條件，試驗對比不同夾角（30°、45°、60°、90°）網紋織構試樣在50～80 ℃的承載能力，結果表明，網紋織構承載性能均優于參考光滑試樣。溫度較高時，油溫會極大地影響織構樣品的潤滑性能。溫度的升高會降低油的黏度，同時會減小兩個表面之間的間隙[147]。在常溫常壓下，合理設計的表面織構會使滑動副產生有益性能。但在較小的載荷和較高的溫度下，表面織構化的減摩效果會發生改變。在常溫下，表面織構化后的摩擦力降低了54.5%，而溫度升高時，表面織構化后的摩擦力降低了64.4%[147]。究其原因，在高溫試驗環境下，實施表面織構技術后，能夠有效調整表面硬度，存儲摩擦產生的磨屑，釋放接觸界面熱應力，實現摩擦降溫等功效[148]。400 ℃時，表面織構對潤滑油儲存作用突出，而實施凹坑密度為6%的織構后，600 ℃下，沉積在鉭中間層的銀膜呈現相對穩定且較低的摩擦因數[125]。直徑相對較小且高密度的微凹坑結構，可改善鈦合金的高溫摩擦學性能[100]。

另外，將表面織構技術與現行其他技術結合起來，成為一種新的發展趨勢。在測試溫度（30～125 ℃）下，微織構改善了類金剛石涂層的耐磨性。耐磨性的提高，在低溫下歸功于織構儲存流體和收集磨粒，而在高溫下歸功于織構化涂層的低石墨化特性[149]。在30 ℃的較低溫度下，織構化涂層可獲得更低的摩擦和磨損性能，可用于汽車凸輪/噴油嘴系統的耐磨涂層。另外，有研究者在8～10 ℃的近室溫環境下，開展表面微織構與類金剛石的復合作用試驗研究，結果表明，在3 種典型工況（低速重載、中速中載、高速輕載）下，表面激光微織構化與離子濺射類金剛石鍍層的復合技術，在摩擦性能的調控方面十分突出，尤其是在低速重載時，減摩效果顯著（見圖15）。但在磨損控制和摩擦界面溫升方面，均表現出工況依賴性，中速中載情況下，磨損率最低，摩擦界面溫升也較為平穩。該試驗結果對典型接觸副的低溫摩擦學設計提供了有益參考。同時，激光重熔表面織構化和納米顆粒摻雜改性后的高溫摩擦學性能試驗表明，表面織構技術可以提高涂層的致密性和均勻程度[150]。諸如此類研究不斷賦予表面微織構技術新的活力，推動了表面織構摩擦學技術的發展（見圖16）。

圖16 表面微織構技術與摩擦學性能的關聯魚骨網絡圖Fig.16 Fishbone diagram of correlation between surface texturing and tribological properties

4 結論

1）表面織構技術在潤滑減摩抗磨設計方面成為重要研究課題，近十多年來，從理論方法到試驗技術，均取得了諸多有益進展。但在我國，表面織構摩擦學相關成果示范和工程應用仍然處于大范圍空白，這預示著相關研究尚不太成熟，仍需要開展深入而系統的表面織構相關理論與試驗研究。

2）表面織構形貌設計大多依據商用化軟件而開展，缺乏統一的指導原則或設計依據，這為織構幾何結構和拓撲優化增設了障礙。目前，表面織構技術研究大多是基于單一或簡單的形貌組合及演變而開展的，對復雜織構的幾何優化與拓撲結構特征的相關分析與研究工作開展較少。再則，相關表面織構研究基本上不重視原始表面的幾何特性及其交互影響，這種取舍有悖于實際的摩擦學工況。另外，相關研究突出表面織構化對摩擦過程特性的影響和作用機理，但對摩擦過程中織構形貌的演變機制與規律研究很少。

3）隨著表面織構技術在摩擦學工程應用范圍的擴展，表面織構在不同應用場景下扮演的角色或作用不斷增強，從早期的表面潤滑減摩和收集磨粒不斷向接觸面積優化、接觸峰均熱、界面摩擦調控等方面拓展。但在重載、高/低速度、強腐蝕或氧化環境、高/低溫度、真空環境等工況下的摩擦學性能研究相對匱乏，而這些極端工況下的研究更具有現實意義和應用價值。

4）隨著各類納米自潤滑材料、工程涂層技術及表面織構微精加工技術的發展，為織構摩擦學的發展提供了廣闊空間。同時，研究開發適應不同摩擦副型面織構加工要求的專用表面織構制造及處理裝備，應該得到高度重視。

5）相關研究雖然涉獵的典型工程應用范圍較廣，也借助相關政策性支持開展了系列化研究，但試驗研究存在數據趨同、差異小等重復性工作，而相關歸納或總結工作較缺乏，致使缺乏普適性強的理論或定量型結論。另外，研究工況差異性大而數據可比性弱化，建立相應的摩擦學數據庫在技術層面受阻。倡議國內相關研究單位基于相關標準開展研究，共享試驗數據，聯合建立織構摩擦學數據庫，為工業潤滑設計提供可靠的技術保障與數據支撐，助推我國相關產業升級和發展。