表面織構潤滑減摩的國內外研究現狀及進展

黃云磊，鐘林，王國榮，魏剛，彭事超

（西南石油大學，成都 610500）

據不完全統計，世界上一次能源的1/3 都損耗于摩擦磨損，70%以上的設備損壞也是由各種形式的磨損引起的，因此減小接觸表面的摩擦磨損，對提高能源的利用率及延長設備的使用壽命具有重要意義[1]。近年來，仿生表面織構已被證實能有效提高摩擦副表面的潤滑性能，減少摩擦磨損，受到了國內外摩擦學工作者的廣泛關注。傳統摩擦學認為，兩相互接觸的表面越光滑，其摩擦學性能越優，但大量研究已證明，表面并非越光滑，其摩擦學性能就越好，具有一定形貌的表面反而表現出更好的摩擦學性能[2-4]。HAMILTON等[5]在1966 年提出的“微小不規則體”即為表面織構的最初表達形式。近半個多世紀以來，表面織構已經在改善刀具耐磨性能[6]、改善齒輪泵摩擦副抗磨損性能[7]、提升機械密封潤滑及密封性能[8]等方面取得重大進展。但隨著現代工業的發展，機械設備摩擦副的工作環境也在逐漸向深海、高溫高壓、強腐蝕或氧化等方向發展，面對極端工況下的摩擦學問題，傳統潤滑減摩手段已無法很好地滿足惡劣環境下相對滑動摩擦副對潤滑減摩性能繼續提升的迫切要求。

表面織構的設計靈感主要來自于自然界中體表具備幾何非光滑形態的生物體，經過自然的進化，形成了一些能夠保證自身優越性能的表面微納米結構特征，使其能夠更好地適應周圍環境。這些生物體具有耐磨、疏水、減阻、防污等功能[9]，為表面織構的研究提供了更多的可能性。在耐磨方面，穿山甲、蜣螂及螻蛄等在砂石、土壤中穿梭而不損傷體表，是由于其體表的非光滑形態具有優異的抗磨和抗擠壓能力[10]，如圖1 所示；在減阻方面，蚯蚓等土壤動物體表呈現多種形態的非光滑幾何形態，使它們具有減小土壤滑動阻力的功能，利于在土壤中行動[11]。鯊魚皮膚上生長著許多被稱為“皮膚細齒”的微米級溝槽狀鱗片，如圖2 所示，這些帶凹槽的鱗片可以減少表面渦流的形成，從而減少鯊魚在水中游動的阻力[12-13]。

圖1 穿山甲鱗片的表面形貌[17-18]Fig.1 Surface morphology of the scale of the pangolin[17-18]

圖2 通過微復制制備的鯊魚皮表面的SEM 圖像[13]Fig.2 SEM images of the shark-skin surface prepared via microreplication[13]

表面織構（surface texture），即在摩擦表面加工具有一定尺寸和分布的圖案陣列，是一種提高表面承載力、改善表面摩擦學特性和延長使用壽命的有效方法。目前，基于荷葉[14]、蝴蝶[14]、鯊魚[15]和壁虎[16]等功能化的表面仿生摩擦學已日益受到廣泛關注。

源于仿生非光滑表面的表面織構已成為國內外表面科學領域的一個研究熱點。NASA 蘭利研究中心的Walsh 等[19-21]模仿鯊魚表面設計并優化了溝槽結構，利用風洞實驗測試得到最高減阻率接近25%。Yu等[22]受鯊魚體表的啟發，提出了一種在微觀結構模型中確定減阻率的新概念，使得減阻機理的分析更為簡便。實際上，仿生生物的表面形態為多尺度復雜織構類型，作用機理比單一溝槽織構更加復雜。繆晨煒等[23]基于蚯蚓頭部的多尺度溝槽織構，設計了多種梯度變化的溝槽織構，為溝槽織構的優化設計提供了參考。對蚯蚓體表非光滑形態的研究為泥漿泵活塞-缸套運動副設計提供了思路。孫藝文等[24]以蚯蚓為仿生原型，在泥漿泵活塞表面設計加工凹坑形仿生單元體，顯著提高了其使用壽命。Zheng 等[25]將硬度梯度與六邊形紋理仿生耦合，為改善耐磨性能提供了新的策略。近年來，仿生非光滑表面在減阻、抗粘附、抗蠕爬等多個領域已經取得了一定的研究成果，如仿鯊魚皮的泳衣、飛機螺旋槳蒙皮貼片、高爾夫球、散熱風扇等[26-27]，如圖3 所示。表面織構技術已經發展成為一種控制摩擦、減少磨損、改善潤滑性能的有效手段[28]，在機械密封[29]、推力軸承[30]、發動機系統[31]、氣缸套-活塞環[32]等機械零部件上的研究與應用已經獲得了一定的進展。

圖3 表面織構應用實例[27]Fig.3 Application examples of surface texture[27]

1 表面織構摩擦及潤滑性能的影響因素

1.1 表面織構形狀的影響

表面織構的類型繁多，主要包括凸體、凹坑、凹槽以及各類混合形貌等。圖4 展示了一些常見的表面織構形態特征[33-34]。賈洪鐸等[35]設計了圓柱形、六邊形、密封和非密封六邊形裙邊結構4 種類型的微凸起織構，其中后兩種織構化試樣的靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈。侯啟敏等[36]對凹坑形、凸包形、剛毛形和溝槽形4 種典型織構進行論述，其中減阻耐磨效果最優的是溝槽形，凹坑形次之。而李一楠等人[37]則認為相比凹坑類織構，微凸體織構具有不會破壞試件強度、剛度等物理屬性的優點。針對微凸體形貌，不同的研究人員持不同的看法，考慮加工制造成本及潤滑減摩效果，目前表面織構在潤滑減摩方面的研究主要以凹坑形和凹槽形為主。

圖4 表面織構形態特征[34]Fig.4 Morphological characteristics of surface textures[34]: (a) orthohexagnal, (b) square bulge, (c) circular depression, (d) square pit, (e) parallel-groove, (f) Intersecting grid slot

尹明虎等[38]研究了矩形、圓柱形和三角形3 種微織構對徑向滑動軸承的影響，只有矩形織構提升了軸承的承載能力。高元等[39]研究發現，相同工況條件下，矩形凹槽分布的滑動軸承潤滑效果優于矩形凹坑。M. Qiu 等[40]比較了球形、橢球形、圓形、橢圓形、三角形、V 形6 種凹坑織構對滑動軸承承載力的影響，結果表明，橢球形織構的承載能力最高。彭龍龍等[41]對矩形、菱形、球形和雪花狀4 種表面織構進行研究，如圖5 所示，發現球形織構對承載能力的提升最大。以上研究中，織構分布位置、尺寸及工況參數均不同，表明滑動軸承性能的提升不僅依賴于微織構形狀和類型，還與織構的分布及工況條件等息息相關。

圖5 4 種織構形狀[41]Fig.5 Four kinds of texture shapes[41]

除了對凹坑凹槽等單一類型或單一形狀織構進行分析，越來越多學者開始探究復合織構對潤滑減摩性能的影響。王國榮等[42]分析了復合織構對柱塞密封副動壓潤滑性能的影響規律，發現復合織構對動壓潤滑性能的影響以外織構的影響為主。鐘林等[43]在牙輪鉆頭滑動軸承軸頸表面加工出圓形、矩形、三角形及復合織構，結果表明，圓形、矩形織構的減摩和耐磨性能最優，復合織構反而增大了摩擦系數及磨損量。而Segu 等[44]通過試驗研究證實了橢圓形凹坑和圓形凹坑兩者復合可降低摩擦系數。兩者的研究結果不一致，說明復合織構的性能并不一定優于單一織構，其積極作用與分布方式、摩擦副工作環境等有關。

近年來，隨著先進制造技術的發展，開始有學者提出一系列不規則形狀織構。Schuh 等[45]對非對稱的表面織構（圖6）進行研究，發現非對稱表面織構能有效降低摩擦系數，當β=5.3°時，摩擦系數最小。李俊玲等[46]將不同直徑的圓凹坑織構復合，得到一種非規則對稱的葫蘆形織構，在潤滑狀態下，葫蘆形織構具有方向性且正方向織構的摩擦系數更小。M. S.UDDIN 等[47]提出一種“星形”織構，與橢圓、V 形、三角形和圓形相比，“星形”織構對摩擦系數的降低更明顯。衛培梁[48]設計并制備了一種箏形表面織構，發現箏形織構能大幅度提高油膜承載力，并減小摩擦副的摩擦系數，改善摩擦表面的摩擦學性能。通過對織構形狀進行優化得到的不規則織構，在一定條件下具有比規則織構更優的摩擦學性能，為織構形狀的優化設計提供了參考。大量理論與實驗研究表明，表面織構化和保護性涂層的融合技術，可顯著提高機械配副表面的摩擦學性能[49-50]，國內外學者以兩者的協同作用效果為重點開展了研究。M. Sedla?ek 等[51]在硬質合金表面TiAlN 涂層沉積前后引入金字塔凹痕、圓錐凹痕以及激光凹痕，發現不管涂層沉積順序如何，激光織構表面的摩擦學性能最優，金字塔形的摩擦學性能最差，而先涂層后織構的試樣，無論織構類型如何，摩擦力都趨于降低。祁鵬浩等[52]在GCr15 鋼盤表面鍍DLC 涂層前后加工線形、圓形、V 型和微紋4 種織構，摩擦實驗表明：先織構后涂層處理的表面減摩抗磨性能較差，而先涂層后織構處理的表面摩擦學性能較好，微紋織構與 DLC 涂層的協同最好。以上研究主要從織構與涂層作用的先后順序和織構形狀著手，雖然結果存在一定差異，但均證明了先涂層后織構的加工方式有助于改善材料表面的摩擦特性。

圖6 3 種測試表面和中心線深度輪廓示意圖[45]Fig.6 Photos and centerline depth profile schematics for the three types of surfaces tested: (a) flat plate, (b) symmetric texture,and (c) asymmetric texture with β=21.7°

對比研究多種織構形狀發現，就規則織構而言，圓形、方形織構的承載能力比其他規則織構的承載能力更高，但在實際工程應用中，圓形織構由于其加工方便、制造成本低等優點，而得到更加廣泛的應用。同時，也有學者提出一些不規則形狀的織構，發現在特定條件下，其摩擦學性能優于規則織構。還有學者針對表面織構和保護性涂層的協同作用效果對織構形狀進行研究，發現微織構與涂層加工的先后順序會對材料表面的摩擦特性產生不同的影響。總的來看，目前關于表面織構形狀的研究大多集中在單一織構，對于復合織構的研究較少，復合織構類型也比較單一，且并未對復合織構類型、截面形狀等作深入的討論。從織構類型上看，復合方式有凹坑-凸起、凹坑-溝槽、凸起-溝槽等；從截面形狀上看，復合方式有矩形-三角形、矩形-圓弧形、矩形-拋物線形等。隨著表面織構技術研究的深入，多類型織構復合及織構和涂層的耦合作用對潤滑減摩性能的影響將成為未來研究的一大熱點，同時也對表面織構的加工技術提出了更高的要求。

1.2 表面織構分布形式的影響

當前對表面織構排布形式的研究，主要是將多種織構排布進行對比分析，從而得到最優織構分布形式。王洪濤[53]設計了3 種不同排布模式的橢圓柱形表面微凹坑織構，如圖7 所示，在全膜潤滑條件下，3種模式織構表面的摩擦系數基本一致，但P1 和P2模式表面的動壓承載能力比P3 模式更優。Yue 等[54]在滑動導軌接觸表面上制備了與滑動方向平行、垂直及成45°方向的微溝槽織構，在邊界潤滑條件下，除平行分布的導軌外，其他分布形式的表面的摩擦系數均低于無織構導軌表面。此外，也有一些研究在優選織構分布形式的基礎上，深入地探討了織構分布的影響因素，發現最優織構排布方案與織構密度、織構間距等參數有關。徐文靜[55]分析了在升壓區，圓形微凹坑織構排布形式對動壓滑動軸承承載力的影響，發現隨著織構密度的增加，不同的織構分布均會引起軸承承載力下降。王勁孚等[56]基于N-S 方程，采用CFD方法分析不同排布形式表面織構的潤滑特性，其中橫縱間距為250 μm×250 μm 的交錯排布微凹坑織構具有最高的油膜承載力。梁志強等[57]采用微磨削方法制備出橫向、縱向和交叉3 種微織構刀具，發現溝槽間距為150 μm 的橫向織構刀具的減摩、抗粘、降溫效果最好。

圖7 橢圓織構幾何結構3 種排布模式[53]Fig.7 Geometry structure of elliptical textures in P1, P2 and P3 patterns[53]: a) arrange in the same direction, b) arrange in the opposite direction, c) arrange in the staggered direction

除了上述對織構排布模式進行對比的研究外，也有學者針對織構布局進行優化設計，主要從全織構分布與部分織構分布以及織構分布位置等方面開展研究。Jamwal 等[58]在動壓滑動軸承內表面制備了人字形微織構，發現具有完全織構化分布的軸承的穩定性最優。此結論與高元等人的研究結論出現分歧。高元等[39]在軸承內表面沿圓周方向分布一列均勻的矩形凹槽，發現部分織構的潤滑效果優于完全分布織構。究其原因，發現兩者的實驗參數以及織構幾何參數都不相同，因此織構分布形式的合理選擇還需要根據實際工況參數以及織構幾何參數來確定。徐文靜等[55]對圓形微凹坑織構在升壓區、降壓區、全織構時的動壓滑動軸承油膜壓力進行分析，得知當織構位于升壓區時，滑動軸承取得較好的承載潤滑性能，而在降壓區和全織構時，不利于軸承承載。此結果與毛亞洲等人的研究很好地吻合。毛亞洲等[59]基于Reynolds 方程，研究織構分布在圓周方向對動壓滑動軸承油膜壓力的影響，發現在升壓區時，局部織構分布的滑動軸承具有較好的潤滑、承載性能，而在降壓區和全織構分布時，軸承油膜壓力明顯低于無織構軸承。此外，也有研究表明，部分織構分布的軸承，其性能還與實際工況參數有關。Henry 等[60]發現局部織構分布的止推軸承有助于減少摩擦，在低載下可減少30%，而在重載下，其性能與無織構的平面軸承相當，甚至更低。合理的工況參數對部分織構分布軸承的潤滑性能起到積極作用，反之，不合理的工況參數下，反而破壞軸承的性能。

從現有的研究來看，合理分布的表面微織構能有效提高潤滑減摩性能。對于同一織構，其分布形式和分布位置不同，摩擦學性能也有較大差異，研究結果甚至可能出現相互矛盾。這是因為不同研究針對的織構化表面的材料、工況參數各不相同，采用的研究方法也有區別，不同分布形式出現的結果也存在差異，因此對于表面織構分布形式的研究，在參考理論研究的同時，需要考慮織構的潤滑狀態、分布位置等實際條件。

1.3 表面織構幾何參數的影響

幾何參數是影響表面織構潤滑減摩性能的關鍵因素之一，設計最合適的表面織構幾何參數可使織構化表面獲得最優的摩擦學特性和潤滑性能。

表面織構的深度、深徑比、面積比等都是影響摩擦磨損的重要幾何參數。齊燁等[61]發現在一定的工況條件下，存在最優的凹槽深度，使得油膜的承載能力最強，動壓潤滑效果最優。厲淦等[62]在316L 不銹鋼表面制備出不同尺寸的溝槽型表面微織構，發現溝槽寬度為100 μm 和溝槽間距為200 μm 時，織構具有最佳的減摩抗磨特性。Janssen 等[63]對皮秒激光結構化樣品進行了銷-盤實驗，結果表明，微凹坑的深徑比是影響摩擦副摩擦學性能的關鍵參數。Meng 等[64]對W-S-C 固體潤滑劑與激光表面織構結合的研究表明，在一定的范圍內，織構密度越大，減摩效果越好。孫建芳等[65]在鈦合金表面構造出4 種不同密度的織構分布，發現干摩擦條件下存在最優織構密度（8.7%），使得鈦合金表面減摩抗磨性能最好。以上研究大多針對某一特定潤滑條件或干摩擦進行分析，然而，實際工作中，摩擦副大多處于混合潤滑狀態，在運轉過程中，其潤滑狀態也會發生變化，甚至出現乏油的情況。李亞軍等[66]在45 鋼表面制備了不同密度的表面織構，在干摩擦和乏油條件下，當織構密度為8.1%時，抗磨效果最好。蔡興興[67]研究了混合潤滑狀態下不同織構參數對摩擦潤滑性能的影響規律，輕載荷下，對于圓形織構，最優摩擦潤滑性能的幾何參數為：織構面積率20%，半徑100 μm，深度17 μm。路繼松等[68]建立了帶有表面織構的水潤滑軸承混合潤滑模型并數值求解，研究表明，表面織構能否改善潤滑性能與其深徑比及面密度參數密切相關。

隨著研究的深入，有研究表明，表面織構的最佳幾何尺寸會受到工況條件、潤滑方式等因素的影響。何霞等[69]探究了不同織構參數對鉆頭滑動軸承承載力和摩擦系數的影響規律，發現在不同偏心率條件下，摩擦系數均隨著深度的增加而先降低后上升，且摩擦系數小于無織構光滑軸承。李東志等[70]利用CFD方法考慮有無空化時織構深度對油膜承載性能的影響，發現隨著織構深度的變化，總存在一個最優織構深度，使得油膜的承載力最大，且最優深度值與空化有關。Arslan 等[71]發現在潤滑滑動條件下，織構深度對DLC 涂層磨損率的影響呈現先減少后增長的趨勢。蘇峰華等[72]研究發現，在PAO6 油潤滑條件下存在最優深度（10 μm），使得不銹鋼表面的抗磨和減摩效果最優，如圖8 所示。楊國來等[73]對軸向柱塞泵配流副進行研究發現，最佳深徑比與織構形狀相關，矩形和圓弧織構的最佳深徑比為1∶5，三角形和等腰梯形織構的最佳深徑比為1∶4。蔣雯[74]發現，在不同工況條件下，溝槽織構均存在最優面密度，隨著載荷的增大，最優面積密度值逐漸減小。從以上研究可以看出，偏心率、潤滑條件不同，最優織構深度存在差異，最優面密度也與載荷條件有關，因此具體的幾何參數往往需要結合實際工作條件才能確定。

圖8 不同深度溝槽的表面磨損形貌SEM 照片[72]Fig.8 SEM micrographs of the worn textured surface with different groove depths[72]

近年來，針對典型的幾何參數，有學者考慮它們對潤滑減摩性能的影響是否存在主次順序。張東亞等[75]研究了表面織構參數（直徑、面密度、深度）對滑靴副摩擦系數的影響規律，結果表明，各因素的主次順序為：直徑>面密度>深度。衛培梁[48]探究了箏形織構各參數（面積率、傾斜角度、深度、邊夾角、織構大小）對摩擦系數的影響，結果表明，各參數的主次順序為：深度>織構大小>傾斜角度>邊夾角>面積率。董保棟[76]研究發現，交叉溝槽織構的寬度、深度和交叉角度對表面流體動壓潤滑性能的影響比溝槽間距和重疊系數更顯著。可以看出，目前對于幾何參數影響主次順序的研究缺少系統性，但為織構參數的優化設計及優選方法提供了理論和實驗依據。

以上研究主要討論了織構深度（hp）、面積比（sp）、深徑比（μ）等幾何參數的影響，其中織構深度是影響表面織構摩擦學性能的關鍵因素。在單一幾何參數（就織構深度而言）的作用下，在不同的潤滑條件下，存在最優織構深度使得潤滑效果最佳。然而在與深徑比、面積比等幾何參數共同作用時，最優織構深度的范圍存在一定差異。值得深究的是，對于不同潤滑狀態、不同幾何參數組合，能否用一個歸一化的方程f(hp,sp,μ,...)去解釋。

1.4 工況參數的影響

除織構分布形式、形狀和幾何參數外，工況參數也是影響表面織構摩擦及潤滑性能的重要因素。工況條件不同，表面織構體現出的摩擦學性能也不相同[77]。

苗嘉智等[78]在缸套切片表面制備了一種微凹坑織構，發現存在一個合適的工況條件，使其能最有效地改善摩擦學性能。張東亞等[79]在錫基巴氏合金基體上制備凹坑織構，發現滑動速度和載荷均影響矩形陣列織構表面的摩擦系數。Mohmad 等[80]在活性炭復合材料表面制備激光織構，發現摩擦系數隨滑動速度的增加而降低，隨著載荷的增加而增加，此結果與姜莉莉[81]的研究結果一致。李直等[82]發現在線接觸彈流狀態下，隨著載荷和轉速的變化，不同程度的彈性變形導致接觸表面間潤滑性能不同。以上研究表明，在不同的工況下，表面織構的潤滑減摩作用效果不一，因此分析速度和載荷等工況參數在工作過程中所占權重，對優選合適的工況參數尤為重要。宋克峰[83]研究發現，PTFE 表面織構的摩擦系數和磨損深度隨著載荷和滑動速度的變化規律相同，最佳的工況條件為：載荷5 N，滑動速度5 cm/s。高元[84]發現，不同工況條件下，織構改善潤滑性能的效果不同，低載荷、高轉速時效果較為明顯。姜莉莉[81]研究發現，在高速輕載條件下，微凹坑織構表面具有較好的減摩抗磨性能。可以看出，目前關于最優工況參數組合的研究結果并不完全一致，但總的來看，高速輕載工況下，表面織構具有較優的摩擦學性能。

除了典型的工況（速度、載荷），也有不少學者根據摩擦副所處的工作環境，對潤滑油黏度、頻率、壓力等工況參數進行研究。何霞等[85]選用低黏度L-CKD150 潤滑油和高黏度復合鋰基潤滑脂為潤滑介質，發現相同工況下，高黏度的潤滑脂潤滑時，最優織構直徑更大。馬明明等[86]測試了圓臺形凹坑織構表面在水、海水和油介質中的摩擦學性能，發現織構表面在油介質中的摩擦系數和磨損量最小。解玄等[87]在脂潤滑條件下分別研究載荷和往復運動頻率對軸承鋼GCr15 材料表面摩擦性能的影響，發現摩擦系數隨載荷和往復頻率的增加呈平緩下降趨勢。何霞等[85]在圓形微凹坑織構的鈹青銅盤試樣表面開展銷-盤摩擦學實驗，發現摩擦學性能差異主要與接觸壓力及試樣間的相對速度有關。路慧彪等[88]通過CFD 方法分析發現，流體潤滑時，隨著入口壓力的增加，織構的承載力也會線性成比例的增加。張生光等[89]發現，在乏油工況下，隨著速度和供油量的增加，織構表面的潤滑油膜厚度和摩擦系數存在最優值。實際上，目前針對不同工況下表面織構潤滑減摩性能的理論與試驗研究相對都比較欠缺，特別是針對極端工況條件，可以說是研究領域的一塊空白所在，非常具有進一步深入研究的必要性。

通過對比分析可知，載荷和速度是目前影響表面織構摩擦及潤滑性能最重要的因素之一，并存在一個最優的數值，使得織構性能達到最優。但表面織構的潤滑減摩作用不僅受到載荷和速度的影響，同時與溫度、相對濕度、表面粗糙度等有密切關系。一方面，目前工況參數的研究多集中于載荷、速度等單一參數，對于高速重載、低速重載等組合工況參數對表面織構摩擦及潤滑性能影響的研究較少；另一方面，隨著現代工業化的進一步發展，對機械設備的壽命和可靠性等提出了更高的要求，表面織構摩擦副工況參數的研究也需要向著高溫高壓、強腐蝕等方向發展。

2 表面織構的潤滑減摩機制

表面織構的潤滑減摩機制與潤滑狀態有關，在不同的潤滑狀態下，表面織構的潤滑減摩機制不同。目前，潤滑狀態主要有流體潤滑、邊界潤滑和干摩擦[90]。

Stribeck 曲線能夠顯示不同潤滑狀態之間的轉換（如圖9 所示[91]），被認為是一種判斷潤滑狀態簡單且有效的方法。萬軼等[92]根據膜厚比λ=hmin/R，在Stribeck 曲線上將潤滑機制分為3 種：邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑。在流體潤滑狀態下主要表現為微流體動壓作用，摩擦副表面的相對運動將黏性流體帶入微凹坑區域，形成厚度為1～100 μm 量級的黏性流體膜，并在每個微凹坑區域內產生不對稱的壓力分布，使潤滑膜具有一定的承載力以承受載荷，如圖10a 所示[28,93]。不少研究表明，表面織構流體動壓潤滑性能會受面積率和深徑比[94]、形狀[95]、相對位置變化[96]、摩擦副接觸方式變化（線接觸-面接觸）[97]等的影響。項欣等[98]研究表面織構分布區域對摩擦副摩擦學行為的影響，發現中間織構通過形成局部流體動壓潤滑效應，提高了摩擦副的承載能力，降低了接觸表面的摩擦系數。在邊界潤滑狀態下，主要表現為“二次潤滑”效應，摩擦副表面潤滑劑中的極性分子與摩擦表面吸附形成一層厚度為0.005～0.010 μm 且與潤滑介質性質不同的邊界潤滑膜[34,76]，此時摩擦面的間隙逐漸減小，表面微凸體相互作用加強，邊界膜膜厚遠小于粗糙峰高度，如圖10b 所示，微凸體與潤滑劑表面之間的邊界潤滑膜承受大部分載荷[99-102]。周劉勇等[103]對邊界潤滑下仿鯊魚皮織構的減摩性能機理進行分析，發現隨著織構的不斷磨損，溝槽中存儲的潤滑油不斷溢出，形成“二次潤滑”。紀敬虎等[104]發現，低載時，表面處于流體動壓潤滑狀態，載荷由潤滑油膜所產生的流體動壓力承擔，而高載時，表面處于邊界潤滑狀態，溝槽織構起到儲存潤滑介質、為摩擦表面提供和補給潤滑劑的作用。在干摩擦狀態下主要表現為磨屑“儲存”作用，零件表面由于摩擦會形成磨屑，隨著摩擦副的相對運動，磨屑會在接觸面上形成犁溝，破壞表面形貌[105]，表面織構的工作機制主要包括儲存和容納磨粒、磨屑，減少由于其犁溝作用產生的高摩擦磨損對基體產生二次磨損[106]，如圖10c 所示。高貴等[107]對聚四氟乙烯（PTFE）復合材料研究發現，在接觸應力作用下，磨屑中的納米粒子與織構底部及側面的粗糙峰形成機械互鎖，提高了磨屑的附著力。段仁慧等[108]發現316 不銹鋼試樣在干摩擦條件下的磨損機理主要為疲勞磨損和氧化磨損，表面的凹槽織構起到捕捉、存儲磨屑的作用。Xuemu Li 等[109]在Al2O3/TiC 陶瓷表面上生產仿生鯊魚皮，干摩擦下，其作用主要是捕獲磨屑，減少剪切應力。

圖9 織構表面潤滑狀態轉變效果圖[91]Fig.9 Effect picture of lubrication state transition on textured surface[91]

圖10 （a）表面織構流體動壓潤滑形成機理[28]；（b）活塞環-缸套之間的局部油膜示意圖[102]；（c）干摩擦情況下作用機制[106]Fig.10 (a) Formation mechanism of fluid hydrodynamic lubrication of surface texture[28]; (b) Schematic diagram of the local oil film between a ring and textured liner[102]; (c)The mechanism of surface texture under dry condition[106]

一些學者[1,110-112]在考慮試件表面粗糙度的情況下，對其流體動壓潤滑性能進行研究。粗糙的織構系統存在宏觀尺度和局部尺度，局部尺度包括織構尺度和粗糙度尺度，涉及到表面織構或表面粗糙度，對潤滑接觸有較大的影響，如圖11 所示。但研究者往往忽略了摩擦副表面的動態磨損，隨著試驗的進行，表面織構本身也存在摩擦磨損，織構的粗糙度、形狀、幾何參數等也隨之發生變化，對織構的潤滑減摩性能也存在一定影響。

圖11 織構表面存在的不同尺度[110]Fig.11 Different scales of the rough textured surfaces[110]

此外，表面織構對材料表面潤濕性具有直接影響，而潤濕性與摩擦學性能相互關聯[113-114]。有一些研究對織構表面的潤濕性及摩擦學性能進行了討論。王新宇等[115]發現，與未織構的DLC 涂層相比，PAO潤滑油在織構化處理的DLC 涂層樣品表面具有更好的潤濕性和摩擦學性能。N. Coniglio 等[116]研究發現，潤濕性與表面紋理的尺度及表面粗糙度有關。馬明明等[113]探討凹坑形織構對表面潤濕性和摩擦學性能的影響，發現在其研究條件下，凹坑形貌對摩擦學性能的影響大于對潤濕性的影響。王權岱等[117]發現，材料表面潤濕性在不同潤滑狀態下對摩擦學特性有顯著的影響。可見，表面織構既影響表面潤濕性，也影響表面的摩擦學性能[118]，潤滑狀態、潤滑介質、織構參數、涂層織構化順序等都對表面潤濕性具有影響，針對潤濕性亟需更加深入、系統性的研究。

關于表面織構對改善潤滑及減摩性能的機理，目前被普遍認可的有：微流體動壓作用[119]、“二次潤滑”效應[120]、磨屑“儲存”作用[121]、接觸面積減少效應[122]等。掌握表面織構的潤滑減摩機制對設計織構化表面具有指導性的意義。早期的織構設計主要通過不斷試錯，選擇適合配副結構、材料和運行工況的織構設計，這種“試錯法”低效且不經濟[123]。現有研究對于表面織構的潤滑減摩機制已經逐漸完善，但是對于高速和重載等極端工況、多類型復合織構以及動態磨損下的作用機制，國內外尚未涉及，還缺乏統一的設計優化理論，例如高速重載下，齒輪織構減摩特性及其復合潤滑介質的作用機制等。

3 總結與展望

本文分析了表面織構的類型及潤滑減摩機制，并對表面織構形狀、織構分布形式、織構幾何參數、工況參數等影響織構化表面潤滑減摩性能的因素進行總結。對織構化表面潤滑減摩性能的研究主要分理論研究和實驗研究兩個方面。理論方面，一般采用N-S方程、Reynolds 方程等方法，通過建立理論模型或數值仿真分析微織構類型、幾何參數等因素的變化對其潤滑減摩的影響。實驗方面，一般采用單元摩擦學實驗、臺架實驗等方法，從摩擦系數、磨損量、油膜壓力等方面分析摩擦副表面潤滑減摩機理。現有研究基本表明表面織構的積極作用會受織構分布、織構形狀、織構幾何參數和工況參數等摩擦試驗參數影響，而最優的織構參數組合往往需要綜合考慮接觸類型、工作環境等復雜因素。因此，針對實際工況下的織構參數優化設計是非常有必要的。

表面織構在摩擦學領域中雖已取得許多優秀的研究成果，但整體研究仍缺乏系統性和綜合性，結合表面織構的應用需求和研究現狀，建議未來應關注以下幾個方面的研究：

1）在典型凹坑、溝槽型織構和單一織構參數調控潤滑減摩規律的研究基礎上，多參數耦合、復雜形狀和復合類型協同作用下，表面織構影響潤滑減摩性能的規律有待進一步深入研究。

2）表面織構與涂層/薄膜體系耦合作用下協同調控潤滑減摩的機制尚不清楚，需深入地探究其機理。

3）考慮利用一個統一方程或歸一化參數統一判斷評價織構潤滑減摩性能，優化織構的參數組合，探索織構潤滑減摩機理，結合人工智能的方法，探索多參數耦合作用下表面織構潤滑減摩的智能優化設計理論及評估方法。

4）針對表面織構在時空尺度上動態磨損的問題，建議采用多尺度耦合的方法搭建微觀到宏觀尺度溝通的橋梁，開展表面粗糙度、織構形狀、幾何參數等表界面參數和潤滑介質性能動態變化對滑動界面磨損性能的影響機制研究。

5）開展表面粗糙度與表界面微納米織構耦合作用下潤滑減摩性能的研究，可能是未來仿生織構摩擦學研究的熱點。

6）表面織構的工業化制造技術及裝備是制約表面織構工程化應用的主要痛點，亟需攻關突破高效率、高質量、低成本的復雜曲面微納米織構的加工、表征及評價技術。

表面織構技術已被證明在改善潤滑效果、提高抗磨損性能方面具有積極作用，現已成為國內外研究的一大熱點，未來必將成為機械裝備降耗增壽的變革性技術。為實現機械裝備的可靠使用、延壽和經濟運行，未來應大力推進表面織構的工程化應用。