幾何特征及工況條件對表面織構摩擦特性影響研究

王澤霄，陳文剛，張祿中，郝星星，尹紅澤，郭文軒，井培堯，張桔幫

幾何特征及工況條件對表面織構摩擦特性影響研究

王澤霄1,2，陳文剛1,2，張祿中1,2，郝星星1,2，尹紅澤1,2，郭文軒1,2，井培堯1,2，張桔幫1,2

（1.西南林業大學 機械與交通學院，昆明 650224；2.云南省高校高原山區機動車環保與安全重點實驗室，昆明 650224）

表面織構技術是一種加工方便且不破壞材料本質的表面改性方法，在材料表面加工出具有一定形狀和規則的微觀結構以改善材料的表面摩擦性能。但不同工況條件下影響摩擦性能的可變因素太多，以至于無法得到各設計參數的最優通用方案。從提出附加流體動壓效應到表面織構形貌、尺寸、深度、面積占有率、坑底形狀、取向和分布形式等方面，回顧了國內外表面織構減摩作用的研究發展歷程。概述了凹陷織構中連續織構和離散織構的表面形貌對材料表面摩擦特性的影響，并在離散織構中重點分析了三角形、矩形、菱形、六邊形、橢圓形、圓柱形、球形、水滴形、圓環形、雪花形和葫蘆形等織構形貌對材料表面摩擦特性的影響；論述了各幾何參數中織構直徑和面積占有率對摩擦因數的影響比織構深度大；闡述了不同分布形式的表面織構對摩擦特性的影響；在干摩擦、邊界潤滑、流體潤滑和混合潤滑等4種狀態下，總結了不同工況條件下表面織構的減摩機理，并對表面織構存在的問題提出建議，以期為表面織構的研究者提供參考。

表面織構；織構形貌；幾何參數；分布形式；減摩機理

全球在工業領域約有1/3～1/2的能量消耗是由摩擦磨損引起的[1]，摩擦磨損極大地消耗了能源與材料，對經濟造成了較為嚴重的損失。因此，減少摩擦磨損受到各國及廣大科研人員越來越多的重視。早期為了減小摩擦磨損，人們都會將摩擦副表面加工得非常光滑，但后來受自然現象的啟發，研究者在摩擦副表面加工出一些具有一定形狀和規則的織構，發現可以改善材料表面的摩擦學性能[2]，隨后這種加工方便且不破壞材料本質的技術被稱為表面織構技術。目前，表面織構加工技術主要分為2類，第1類為接觸式加工（表面噴丸處理加工、微切削加工）；第2類為非接觸式加工（電火花加工、電子束加工、光刻技術加工、激光技術加工）[3]。加工技術的進步可支撐研究者對織構形狀進行大膽的設計與驗證。為了能夠更好地利用表面織構技術，大量研究者對表面織構的設計參數進行優化，使其達到最佳的摩擦性能，其中，織構形貌的無窮性和幾何參數的變化性使表面織構具有廣闊的發展空間和應用前景，故已成為重要的設計參數。但在不同工況條件下，影響摩擦性能的可變因素太多，以至于無法得到最優的通用方案。

目前，表面織構技術尚處于研究階段，主要應用于缸套–活塞環[4]、機械密封環[5]、滑動軸承[6]、切削刀具[7]等傳統制造領域。G.Ryk等[4]測試了表面織構技術在實際活塞環上的應用效果，結果表明，與無織構活塞環相比，在不同曲軸角速度下，活塞環和缸套的平均摩擦力減少了20%～30%；以色列石化公司對液態烴泵中的密封環進行表面織構化處理，安裝織構化密封環的液態烴泵在38個月內運行超過10 000 h后織構化密封環因故障而更換，而相同時間下，安裝標準無織構化密封環的液態烴泵已經更換了4次。表面織構化處理使密封環壽命提高了3倍[5]；日本大豐工業株式會社生產出軸瓦內由環形溝紋組成的波紋軸瓦，與普通平瓦相比，波紋軸瓦的疲勞強度可提高1.3～1.5倍，已應用于天津豐田、廣汽豐田、長安鈴木等公司配套的產品中[1]。為了給相關研究者提供參考，對表面織構減摩作用研究發展歷程，表面織構形貌、幾何參數和分布形式對其摩擦性能的影響，以及不同工況條件下表面織構的減磨機理等方面的研究進展進行了系統的總結和歸納。

1 表面織構減摩作用研究發展歷程

公元前2 500年，古埃及人在搬運石像時發現石像在雨后潮濕的沙路上容易滑動，于是他們在路上潑水來減小摩擦[8]。從此人類普遍認為越光滑的表面摩擦力越小。

1940年Martz等[9]指出，在1940年之前已開始生產內置珩磨氣缸孔的發動機和其他珩摩軸承表面以達到降低摩擦磨損的目的，并發現與粗糙表面相比，光滑表面更容易發生由振動引起的“微動腐蝕”。由此研究者將目光聚集到粗糙度較大的表面，使表面織構化進入萌芽階段；1966年，Hamilton等[10]利用蝕刻技術在定子表面制造微凸起，刻意增加其粗糙度，發現與光滑表面相比承載能力增加，基于此提出了一種附加流體動壓效應，并發現流體動壓效應的產生和粗糙度凹坑有關。此效應一直沿用至今，并成為表面織構化重要的理論基礎；1978年Walsh等[11]發現，與光滑表面相比，帶有微溝槽織構的表面摩擦阻力可減少10%，打破了表面越光滑阻力越小的限制；1996年Etsion等[12]認為，密封面上的凹陷表面織構可能優于凸起表面織構，因而在密封圈表面上制作半球形凹坑，并研究了凹坑大小和凹坑面積占有率對密封工作性能的影響，發現選擇合適的凹坑大小和凹坑面積占有率可以獲得由空化引起的流體動力，以提高承載能力。該研究使得大量研究者開始研究織構幾何參數對流體動力效應的影響；1999年，Etsion等[13]結合雷諾方程研究了激光織構化機械密封性，指出與傳統無織構的密封圈相比，有織構的密封圈可以大大提升密封性能，并得出織構化的作用很大程度上取決于兩試件相對運動速度、潤滑油黏度和兩摩擦表面引起的流體動力效應。進一步完善了Hamilton等[10]提出的附加流體動力效應；隨后由于國內外加工技術的飛速發展和大量學者受自然現象的啟發，將表面織構化帶入蓬勃發展階段。2004年，韓志武等[14]采用激光織構技術在球墨鑄鐵表面制造了4種仿生非光滑表面織構，發現各種類型的非光滑表面織構均有利于顯著提高零部件表面的抗磨性能。表面織構的形狀開始多樣化；2007年，劉紅衫等[15]對平板軸承和階梯軸承的織構分布模式進行優化流體潤滑數值計算，發現并非所有分布模式的表面織構都能提高油膜的承載能力，均勻分布的表面織構反而降低了油膜的承載能力，只有符合一定分布規律的表面織構才能增強油膜的承載能力，而且這些規律也是憑工況而定。至此，分布模式也成為研究表面織構的重要參數；2009年，劉一靜等[4]采用電解加工技術在鋁合金表面制作了5種不同深度的表面織構，發現表面織構的深度參數對表面摩擦性能有重要影響，相比于無織構表面，最優深度參數的織構表面摩擦因數可降低37.8%。該研究發現了表面織構深度在5～15 μm時，可有效降低表面摩擦因數，對后續研究者有很大的參考價值；2010年，馬晨波等[16]打破了以往只對一個試件進行織構化，而對上、下試件都進行織構化，發現與無織構相比，在任何潤滑條件下，雙表面織構均不能起到減摩的效果。該研究使后續研究者排除了利用雙表面織構進行減摩的研究，將研究重心放在單表面織構上；2014年，Hsu等[17]利用光刻技術制作了不同取向的三角形和橢圓形織構，發現三角形織構與橢圓形織構均有取向效應，橢圓形織構中短軸方向織構（滑動方向平行與橢圓短軸）減摩效果最好。三角形織構當滑動方向朝向三角形底部時，摩擦力減小。當滑動方向朝向三角形的頂點時，摩擦力會增加。隨后又利用機械壓印技術制作了織構坑底有斜坡的楔形織構，發現與無織構相比楔形織構的摩擦力降低了30%～40%。

這種楔形織構的設計雖然不經濟，但它確實說明了楔形的形成可以產生人為升力，使摩擦副潤滑提前進入流體動力潤滑，從而減小摩擦副表面的摩擦力。該研究使織構取向和坑底形狀進入表面織構研究者的眼球；2020年，方勛等[18]研究了微凸體織構在流體潤滑條件下誘導空化效應對摩擦性能的影響，發現適當幾何參數的微凸體使潤滑區域的空化區域面積增加，誘導空化現象使從原來的流體潤滑轉變為局部氣體潤滑，最高可降低摩擦因數98.7 %。該研究推動了表面織構理論效應從流體動力效應進入空化效應。

從上述附加流體動壓效應理論的提出及表面織構形狀、尺寸、深度、面積占有率、坑底形狀、取向和分布方式等對摩擦特性影響的相關研究中可以看出，尋找能夠提供最優摩擦學性能的織構模型是自織構概念提出以來摩擦學研究者一直努力的目標。

2 表面織構形貌、幾何參數和分布形式對摩擦性能影響

織構形貌的無窮性和幾何參數的變化性使表面織構具有廣闊的發展空間和應用前景[19]。目前，大量研究者試圖借助不同的方法來優化表面織構的設計參數，從而進一步改善表面摩擦性能。其中，織構形貌、幾何參數及分布形式等成為重要的設計參數。

2.1 織構形貌影響

織構形貌的設計大多是模仿和優化仿生學結構，從而達到實際應用中提高摩擦性能的目的[20]。總體來說，織構形貌可分為凸起和凹陷織構，一般凸起織構作用是滿足增摩和疏水等特殊要求，而凹陷織構一般用來減摩減阻[21]。一般采用凹陷織構來提高摩擦性能，對凹陷織構的研究主要集中在2種類型上，一種是連續織構，包括各型溝槽和網格；另外一種是離散織構，包括各種形貌（三角形、矩形、菱形、六邊形、橢圓形、圓柱形、球形、水滴形等）的凹坑形織構。截止目前的研究發現，就減小摩擦因數和增加表面的承載能力而言，離散凹坑織構優于連續溝槽織構，而對于溝槽織構，封閉溝槽比互穿溝槽具有更高的承載能力[22]。

2.1.1 連續織構

連續織構是一種高效的減阻手段，優點在于加工方便，同時在吸納細小磨屑方面也優于離散織構。在良好的潤滑條件下，磨屑易于在連續織構的溝槽中移動，能有效避免大量磨屑填滿織構使織構失效[23]。戴慶文等[24]在硬質合金密封環端面加工不同參數的直線型、V型溝槽表面織構，研究其潤滑特性。結果表明，對于硬質合金/碳石墨密封副，在泄漏方面V型槽織構表面的泄漏率非常低；對于硬質合金/碳化硅密封副，面積率為6%的直槽織構表現出最佳的減摩效果，與光滑表面相比減摩率達到35%。這說明直槽對減摩效果好，V型槽對密封效果好。從結構上看，V型溝槽表面織構比直槽型表面織構多一個拐點，這或許能阻礙密封介質在槽內的流動。朱章楊等[25]認為，滿足恰當幾何參數條件的溝槽型表面織構，可儲存滑動過程中產生的細小磨粒，防止兩個摩擦表面之間出現劇烈碰撞，進一步提高表面摩擦學性能。鹿重陽等[26]在YT15硬質合金表面利用飛秒激光技術制作出具有單向收斂性的三角溝槽型表面織構，發現具備合理面積占有率的三角溝槽型表面織構，可有效增強YT15硬質合金的表面摩擦性能。L Lu等[27]研究了凹坑、直溝槽、網格溝槽等織構對鉻合金表面摩擦磨損行為的影響，研究表明，與光滑表面相比，網格溝槽織構的減摩性能最優，可顯著降低磨損量達57%，原因是網格溝槽織構可以捕獲更多的磨屑，起到有效的磨屑儲存作用。同時，網格化使應力集中區域變小，有利于減少表面磨損。此外，在激光加工過程中，網格溝槽的襯底可以吸收更多的能量，從而導致顯微硬度的提高。Zhang等[28]采用激光加工技術在硬質合金表面制備直線溝槽、正弦線溝槽、菱形線溝槽等3種織構，實驗結果表明，帶有直線溝槽織構表面的摩擦因數是光滑表面摩擦因數的34%，主要是由于溝槽織構可以儲存磨屑、有效散熱、減少黏著磨損的發生。綜上可知，連續織構利用易吸納和移出磨屑的優點提高了摩擦副的摩擦特性。

2.1.2 離散織構

凹坑形織構是最常見的離散織構形貌種類，利用合理分布的凹坑織構能夠捕獲摩擦過程中產生的磨屑，降低實際接觸面積，延長潤滑時間，從而改善材料的表面摩擦性能。目前，凹坑織構在摩擦磨損領域的出色性能已引起了廣大科研人員的重視。凹坑織構的形貌種類最多，故對其進行的研究也最為詳盡[20]。鐘林等[29]利用納秒激光雕刻技術在牙輪鉆頭滑動軸承軸頸表面制備了圓形、矩形、三角形及復合織構，研究了織構形狀對鉆頭滑動軸承表面摩擦因數的影響，結果表明，除復合織構增大了摩擦因數及磨損量外，其他形狀均表現出較好的減摩效果。其中，圓形和矩形織構的減摩和耐磨性能最優，其次為三角形織構。Joshi等[30]利用激光加工技術在不銹鋼表面制備六邊形、三角形和圓角處理過的矩形織構，結果發現，與未織構的試樣相比，六邊形和三角形的試樣摩擦性能下降，而矩形試樣的摩擦性能提高了20 %左右，主要原因是在滑動過程中，雖然凹坑織構可以捕獲碎屑，有助于減小摩擦因數，但六邊形和三角形的接觸區域存在尖銳邊緣，導致應力分布加劇，從而導致磨損率增加，而經過倒圓角的矩形織構可避免這種邊緣效應。侯碩等[31]認為，合理長寬比、深度和傾斜角的橢圓織構可以有效降低摩擦面的磨損，具有良好的減磨效果。周宇坤等[32]在機械密封環外周制備了圓形、橢圓形、矩形和等邊三角形織構，發現等邊三角形的換熱能力最好，矩形織構效果最差，圓形和橢圓形居中。謝永等[33]采用激光加工技術在304鋼表面制備三角形微織構，結果發現，與無織構化表面相比，三角織構的平均摩擦因數有顯著降低，最大降幅達14.89%。Galda等[34]采用壓印技術在試樣表面制備短滴形、長滴形和球形凹坑織構（見圖1），研究發現合理幾何參數的球形和長滴形凹坑在減小摩擦因數方面優于短滴形凹坑。程香平等[35]認為，具有合適孔型和孔深的菱形孔織構可提高摩擦副的潤滑性能，從而有效降低摩擦因數。王洪濤等[23]利用計算機模擬技術對圓環狀凹坑織構在往復運動下的摩擦性能進行研究，結果發現，在面積占有率不變時，與圓柱狀織構表面相比，圓環狀織構的摩擦因數更小，主要原因是與圓柱狀織構相比，圓環狀織構可吸納更多的細小磨屑。汪久根等[36]在高鐵車廂表面制備Koch雪花表面織構，發現在凹坑內部產生二次渦，可以進一步減少高鐵車廂表面與空氣的摩擦阻力。李俊玲等[37]利用皮秒激光加工技術，在不銹鋼表面制備出非規則對稱的葫蘆形和規則對稱性的圓凹坑織構研究其摩擦性能，發現在滑動過程中，與圓凹坑織構和無織構表面相比，正方向葫蘆形（潤滑液從大圓流向小圓）織構表面的摩擦因數更低，而反方向葫蘆形織構與圓凹坑織構表面的摩擦因數近似相等，原因是正方向葫蘆形織構在摩擦過程中形成了更大的收斂區間，從而形成更強的流體動壓效應。這里介紹的三角形、矩形、菱形、六邊形、橢圓形、圓柱形、球形、水滴形、圓環形、雪花形、葫蘆形凹坑等織構均以單一形狀織構的形式提高摩擦副的摩擦特性。

圖1 凹坑織構的表面形貌和原始表面形貌示意[34]

隨著加工技術的發展，研究人員進一步提出了復合形狀織構。王國榮等[38]在摩擦副表面建模出有內織構和外織構的復合織構（見圖2），并經過數值模擬發現，外織構深度小于摩擦副間隙時，內織構為凹坑，對表面承載力的提升更大；外織構深度大于摩擦副間隙時，則內織構為凸起，對表面承載力的提升更大。胡勇等[39]在柴油機缸套內表面制備珩磨網紋、無網紋、微坑–槽紋復合等3種不同的表面織構，研究其摩擦性能發現，在低載荷下與其他表面相比，微坑–槽紋復合織構表面具有更低的摩擦因數，較好的抗磨損能力，原因是在活塞環運動止點附近，單一溝槽織構中儲存的潤滑油容易沿著溝槽被擠出，儲油池作用減弱使潤滑性能提升較小。而微坑—槽紋復合織構中微坑可儲存潤滑液，槽紋有利于輸送各個微坑中的潤滑液，從而充分利用滑動過程中兩表面的擠壓和界面中流體動力的協同作用提高潤滑性能?？梢?，復合織構可利用多個單一織構的協同作用提高摩擦副的摩擦特性。

圖2 內織構為凹坑或凸起的復合織構示意圖[38]

2.2 幾何參數影響

織構的尺寸大小對摩擦副的潤滑性能具有很大影響，尺寸過大過小都不利于發揮微織構的優勢，甚至會造成消極影響[40]?？棙嫵叽绾兔娣e占有率有著相互制約的關系。找到最優幾何參數對于表面織構的發展有很大影響。何霞等[41]在鈹青銅表面采用激光加工技術制備出不同直徑和深度的表面織構，發現表面摩擦因數和磨損量隨著織構直徑的增加呈先減小后增大趨勢，并發現織構直徑為169 μm時磨損量最少，且摩擦因數減小23.9%。蔣雯等[42]認為在一定情況下，織構的直徑與面積占有率對表面摩擦特性的影響大于織構深度。朱章楊等[25]發現，一定寬度的溝槽型織構表面，可捕捉摩擦副表面磨屑，有效地改善表面摩擦性能。但是，過寬的溝槽型織構會導致球–盤摩擦副之間產生強烈的撞擊，使表面摩擦性能降低。王麗麗等[40]在模擬摩擦理論中發現，隨著織構尺寸增加，摩擦副的摩擦因數呈先降低后增加趨勢，織構的磨損量隨著織構深度的增加，大致呈先增多后減少趨勢（見圖3），并在摩擦實驗中發現，織構半徑為0.17 mm時，摩擦因數最低，與織構半徑為0.1 mm時相比降低了7.1 %。蘇峰華等[43]在不銹鋼表面加工出不同深度的表面織構，發現織構深度為10 μm的不銹鋼表面摩擦因數最低，穩定在0.10左右。在織構深度達到15 μm后，摩擦副表面摩擦因數出現由大到小的突變。Wei等[44]在中碳鋼表面制作不同面積占有率的織構，發現與光滑表面相比，面積占有率為5%的織構可降低38%的摩擦因數和減少72%的磨損量。并發現在磨擦過程中，織構產生的流體動壓效應是減小摩擦因數的關鍵。邱兆嶺等[45]發現面積占有率一定的情況下，織構孔徑與間距越大摩擦因數越小，主要原因是在一定范圍內，織構直徑越大儲存池的潤滑油越多，越有利于產生穩定的油膜，從而形成流體動力潤滑效應。摩擦過程中出現的細小磨屑易被大直徑的織構及時捕捉和消除，防止形成二次磨粒磨損。張東亞等[46]發現，在相同實驗條件下織構直徑和深度越大表面摩擦因數越小，織構面積占有率越大表面摩擦因數越大，并發現各幾何參數對摩擦性能影響的順序依次為直徑、面積占有率、深度。李寶玉等[47]發現在其他條件相同時，隨著織構面積占有率的增加，摩擦副表面摩擦因數先增大后減小，并發現面積占有率為10.89%的織構的摩擦性能最優。Shi等[48]認為隨著面積密度和織構深度的增加，織構化表面的摩擦因數均低于未織構化表面，但摩擦的降低總是伴隨著泄漏率的增加。并發現最佳織構深度為5 μm，面積占有率為15 %。Li等[49]利用飛秒激光加工技術在硬質合金表面制備4種面積占有率分別為5.05%、9.5%、13.02%和15.2%的V型織構，實驗發現，當織構密度為9.5%時，試樣表面平均摩擦因數最小且穩定，并發現面積占有率太小不能提供足夠的動態流體壓力，而面積占有率太大會增加試樣的表面粗糙度。由此可知，在高速低載油潤滑工況下，織構深度控制在5～15 μm，織構直徑最大但不超過200 μm，且保證面積占有率為10%～15%時，表面織構可有效提高材料表面摩擦性能。織構直徑和面積占有率對摩擦系數的影響比織構深度大，主要原因是較大直徑的織構更容易捕捉摩擦副中的磨粒，避免產生更多的“三體磨損”?？棙嬛睆较嗤瑫r，面積占有率越大“儲存池”中的潤滑油越多，摩擦過程中的動壓潤滑效果越明顯。但是，織構面積占有率過大時，摩擦副表面的接觸面積降低、平均壓力增大，潤滑油膜更易被破壞，減摩效果減弱。對于織構深度，在摩擦過程中合理深度的織構不斷被磨平，使織構中儲存的潤滑油釋放出來產生升力，形成楔形效應（見圖4），從而減小摩擦因數。但是，當織構深度超過合理值后，織構內部將會產生回流現象，使潤滑油產生的升力減小，不利于形成楔形效應，導致無法降低摩擦因數[43]。

圖3 磨損量隨微織構尺寸的變化規律[40]

圖4 溝槽織構內部潤滑油回流示意[43]

2.3 分布形式影響

不同分布形式的表面織構對摩擦特性有很大的影響，并不是所有的表面織構均具有減摩效果，必須滿足一定的分布規律才能提高摩擦性能，且這些分布規律還需根據工況和材料而定。

Hsu等[17]通過對橢圓形和三角形織構不同取向的分布對摩擦性能的影響進行對比，發現橢圓形織構呈短軸方向分布，其減小摩擦因數效果最好，三角形織構從頂部到底部方向分布能起到減小摩擦因數的作用，從底部到頂部方向分布能起到增加摩擦因數作用，這說明橢圓織構和三角形織構均有“取向效應”。王勁孚等[50]發現與均勻排布的織構相比，交錯排布的織構具有更好的摩擦性能，主要原因是在織構面積占有率不變的前提下，交錯排布的織構既增大了橫向間距，也增大了縱向間距，從而使織構產生動壓效應的作用發揮得最充分。王洪濤等[51]發現，改變織構單元位置偏移率可使表面動壓承載能力最大提高34.9倍，摩擦因數減小0.59%。并發現織構的分布形式對表面動壓承載能力有較大影響。Yue等[52]在導軌的接觸表面上制備平行、垂直和與滑動方向成45°的溝槽織構（見圖5），實驗發現與無織構表面相比，帶有垂直和與滑動方向成45°的溝槽織構表面摩擦因數降低，而平行于滑動方向的表面摩擦因數升高。何霞等[53]認為，將織構分布在摩擦副的油膜收斂區域，可有效提高軸承潤滑性能，若織構分布在摩擦副的油膜發散區域，將會降低軸承潤滑性能。王麗麗等[54]認為，在相同寬度和深度的條件下，不同分布形式的織構對摩擦因數的影響有很大差異。徑向分布的溝槽微織構在穩定磨損階段的摩擦因數遠遠小于無織構表面，能減小摩擦因數16%，而周向分布的溝槽微織構的摩擦因數大于無織構表面。宋文濤等[55]對上試樣和下試樣均進行織構化處理，發現條狀織構的上試樣與三角形織構的下試樣在摩擦過程中會產生慣性效應的“疊加”效應，可提高油膜承載力，降低摩擦因數。

圖5 表面織構形貌[52]

3 不同工況條件下的減摩機理

在滑動過程中，兩摩擦表面不同的表面粗糙度、載荷、速度、油膜厚度會導致潤滑狀態的不同，相應的表面織構的減磨機理也不同。而不同潤滑狀態對微織構的摩擦特性影響尤為突出，潤滑狀態主要分為干摩擦、邊界潤滑、流體潤滑和混合潤滑[2]。各種潤滑狀態的基本特征見表1。

3.1 干摩擦

干摩擦是兩摩擦表面之間不添加任何潤滑劑的潤滑狀態，固體表面直接接觸，表面微凸體接觸后剝落形成的磨屑，在壓力的作用下使韌性金屬摩擦表面引起擦傷或犁溝痕跡，嚴重時甚至會使脆性金屬發生脆裂或剝落[1]。表面織構雖增大了初始摩擦因數和體積磨損率，但在接觸應力作用下，磨屑中的納米粒子與槽底及側面的粗糙峰形成了機械互鎖，提高了磨屑的附著力，有利于儲存磨屑（見圖6），減少了“三體磨損”[58]。進行激光加工的表面織構可硬化織構區域表面，使表面可承受更大的接觸應力[59]。夏敏華等[60]采用激光打標機在304鋼基體表面刻蝕出點坑狀織構，又對織構前后試樣表面進行鹽浴滲氮處理，結果表明，滲氮無織構表面的摩擦因數明顯低于304鋼基體表面，而滲氮織構表面的摩擦因數又遠遠低于滲氮無織構表面。這說明織構的出現，不僅可以及時捕捉滑動過程中產生磨粒和磨屑，有效避免由磨屑磨粒造成的嚴重摩擦磨損，而且還能降低滑動過程中微凸體的實際接觸面積，進而降低摩擦因數[61]。剡珍等[62]在離子鍍TiN薄膜表面利用固體Nd:YAG激光器進行凹坑織構化處理，發現在干摩擦條件下，織構化TiN薄膜的平均摩擦因數低于未織構化TiN薄膜，并且磨損率顯著降低，原因是在滑動過程中，凹坑織構不僅容納了磨屑，而且有助于滑動過程中產生階躍現象，有利于將磨屑排出磨痕，進一步改善表面摩擦性能。

表1 各種潤滑狀態的基本特征[56-57]

Tab.1 Basic characteristics of various lubrication states[56,57]

圖6 表面織構儲屑示意[3]

上述均為織構對試樣摩擦副起減摩效果的研究，但并不是所有織構在干摩擦條件下均有減摩作用。連峰等[63]在Ti6Al4V表面采用激光加工技術分別加工出直線、網格和凹坑織構，結果表明，與無織構相比，凹坑織構的摩擦因數降低，而網格織構和直線織構的摩擦因數升高，但發現激光織構化表面的硬度均高于無織構表面，且承載能力得到提升。

3.2 邊界潤滑

邊界潤滑是兩摩擦表面各吸附一層極薄的邊界膜的潤滑狀態，因為一般都是在低速重載工況，所以邊界膜不足以將兩摩擦表面徹底隔開，仍有微凸體接觸。如果潤滑油不足或溫度過高，摩擦副很容易發生點蝕、剝落和膠合等失效現象[1]。在兩摩擦副表面滑動過程中，表面織構的凹坑和凹槽可容納潤滑液，當其受到一定程度的壓力時，凹坑和凹槽內部的潤滑液會被擠出并流動到兩摩擦副表面之間，從而對摩擦副表面的潤滑膜起到二次供給作用[64]。此時，表面織構供應的“二次潤滑”可維持摩擦副表面的潤滑膜，延長潤滑時間，提升摩擦性能[65]。李寶玉等[47]采用紫外激光技術，在GCr15圓盤試樣表面加工出部分溝槽織構，研究邊界潤滑狀態下織構幾何參數對摩擦因數的影響，結果發現，在低速輕載條件下，部分溝槽表面織構能夠出色地減少磨損，主要原因是溝槽在滑動過程中可以積聚少量的潤滑油，在摩擦副缺油時能夠為其提供二次潤滑，從而降低摩擦因數。Pettersson等[66]認為，邊界潤滑在啟動和停止時占主導地位，在邊界潤滑條件下，潤滑劑較少使局部剪切阻力和表面相互作用力較高導致摩擦力升高。在這種情況下，表面織構可以通過在實際接觸區域內提供潤滑劑來改善這種情況。但是，如果接觸中已經存在足夠量的潤滑劑，表面織構的作用會大大降低。Khaemba等[67]認為，因為激光表面織構使試樣局部接觸壓力增加，從而加速添加劑分解，進一步形成保護油膜，所以激光表面織構化可以成功地用于改善添加劑在邊界潤滑狀態下的摩擦性能。董幫源等[68]認為，在邊界潤滑條件下，重載會造成接觸表面的溫度升高，不利于潤滑油膜的形成，此時表面織構提供的“二次潤滑”對摩擦副的抗磨效果有很大的提升。

3.3 流體潤滑

流體潤滑是兩摩擦表面之間充滿液體潤滑劑的潤滑狀態，因為一般都是在高速輕載工況，所以壓力不足以將油膜厚度減小到微凸體可接觸范圍，故兩摩擦表面沒有任何接觸，摩擦因數主要取決于流體內部分子間的黏性阻力[1]。此時表面織構提高摩擦性能的機理為：一方面，表面織構的不平整性使油膜壓力在織構收斂區域和發散區域不斷的升高降低（見圖7），當表面以速度運動時，織構收斂區域沿運動方向的間隙逐漸減小，潤滑劑從大口流向小口形成收斂間隙，滿足形成流體動壓潤滑的條件。此時，流體動壓潤滑產生的正壓力超過織構發散區域降低的壓力，整個油膜的承載能力提高，摩擦因數降低，故形成了流體動壓效應[42]。蘇峰華等[43]在不銹鋼表面利用激光加工技術制備出溝槽型織構，在PAO6油潤滑條件下進行實驗，結果表明，與無織構表面相比，最佳幾何參數織構表面摩擦因數與磨痕寬度降低了60%以上，其原因是潤滑油通過織構收斂區域時產生了很好的楔效應，誘導產生流體動力潤滑效應，從而降低摩擦因數、減少磨損量；另一方面，在考慮空化效應時，表面織構使得潤滑流體流場存在空化效應，在微觀角度空化產生了局部壓力突變，在宏觀角度空化使摩擦副得到了一組均勻分布的凈承載力，從而提高其承載能力[70]。方勛等[18]研究了微凸體織構在流體潤滑條件下誘導空化效應對摩擦性能的影響，研究表明，適當幾何參數的微凸體使潤滑區域的空化區域面積增加，誘導空化現象使原來的流體潤滑轉變為局部氣體潤滑，最高可降低摩擦因數98.7%。

圖7 微凹坑上流體動壓形成機理[69]

3.4 混合潤滑

混合潤滑是干摩擦、邊界潤滑、流體潤滑處于混合共存的潤滑狀態。兩摩擦表面大部分微凸體無接觸，但存在小部分微凸體直接接觸造成磨損[1]，因此表面粗糙度對摩擦性能的影響最為明顯，但由于粗糙表面存在的凹凸體或凹槽起到了凹坑或凹槽織構存儲潤滑油或者磨粒的作用，從而提高了摩擦副表面的摩擦性能，由此存在一個最佳的粗糙度值可使摩擦表面的摩擦因數達到最小[71]。何霞等[72]研究發現，在織構深度和粗糙度波長相同的條件下，當正弦波粗糙度與表面滑移方向垂直時，隨粗糙度幅值的增加，接觸表面的摩擦因數降低，表面承載能力逐漸增大，相比于光滑織構表面，粗糙度波長為50 μm時，摩擦因數最大下降幅度達到49.5%，承載能力最大增幅為59.1%。楊笑等[73]研究了航空泵用機械密封在混合潤滑下熱彈流動力潤滑TEHD模型中的摩擦特性與密封性，研究表明，表面織構對端面壓力和溫度分布影響很大；介質從底端流向頂端的三角形織構機械密封能獲得最大的液膜承載比、最小的摩擦因數和最高的液膜剛度，在低壓下能滿足泄漏要求，原因是表面織構不僅收集磨粒，還促進了摩擦副進入流體動壓模式，因此性能最優?？梢姡蚧旌蠞櫥歉鞣N潤滑狀態的綜合表現，故表面織構在混合潤滑狀態下，既可以提供二次潤滑，又可以產生流體動壓效應，還可以儲存磨屑。

4 結語

重點對表面織構形狀、幾何參數和分布形式對摩擦學性能的影響和不同工況表面織構的減摩機理進行了綜述，可為今后的研究提供參考。雖然表面織構技術已經出現將近半個世紀，但還是存在一些問題：一是由于影響摩擦性能的因素較多，且研究者對實驗條件和研究結果中的數據和參數種類沒有進行規范化，使互相借鑒存在一定的困難；二是對表面織構中復合表面織構組合對摩擦性能影響的研究較少；三是對表面織構技術與其他表面技術進行結合的研究較少。為此，建議廣大研究者共同建立針對不同工況的共享標準化模型和代碼庫，使表面織構化具有規范性；將更多仿生學織構優化，使復合表面織構協同作用；將表面織構與滲碳、滲氮、離子注入、噴丸輥壓、表面淬火、激光熔覆等其他表面技術結合，起到“1+1>2”的作用。

[1] 汪久根, 董光能. 摩擦學基礎[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2018: 94-103.

Wang Jiu-gen, Dong Guan-gneng. The basis of tribo-logy[M]. Xi'an: Xidian University press, 2018: 94-103.

[2] 李丹, 楊學鋒, 王守仁, 等. 工件表面微/納織構的研究現狀與進展[J]. 機械強度, 2020, 212(6): 82-89.

Li Dan, Yang Xue-feng, Wang Shou-ren, et al. Researchstatus and development of micro/nano texture[J]. Me-cha-nical strength, 2020,212(6): 82-89.

[3] 張穎鑫, 徐勇, 曾志翔. 鈦合金表面織構化與構建生物活性涂層的研究進展[J]. 中國表面工程, 2019, 32(1): 1-11.

Zhang Ying-xin, Xu Yong, Zeng Zhi-xiang. Research progress of texturing and biological activity coatings on titanium alloys[J]. China surface engineering, 2019, 32 (1): 1-11.

[4] Ryk G, Kligerman Y, Etsion I. Experimental in-ves-tigation of laser surface texturing for reciprocating automotive components[J]. A S L E Transactions, 2002, 45(4): 444-449.

[5] Etsion I. Improving tribological performance of me-cha-nical components by laser surface texturing[J]. Tri-bo-logy letters, 2004, 17(4): 733-737.

[6] 張金煜, 孟永鋼. 推力滑動軸承表面織構的優化設計[J]. 機械工程學報, 2012, 48(17): 91-99.

Zhang Jin-yu, Meng Yong-gang. Optimal design of surface texture in parallel thrust bearings[J]. Journal of mechanical engineering, 2012, 48(17): 91-99.

[7] 郝秀清, 宋曉路, 李亮. 表面織構化刀具的研究現狀與進展[J]. 表面技術, 2016, 45(9): 170-181.

Hao Xiu-qing, Song Xiao-lu, Li Liang. Development and perspective of surface texturing tools[J]. Surface technology, 2016, 45 (9): 170-181.

[8] Dowson D. History of tribology[M]. John wiley and sons ltd, 1998: 11-19.

[9] Martz L S. Producing specified finishes by honing[J]. SAE Technical Paper, 1940(1): 1-19.

[10] Hamilton D B, Walowit J A, Allen C M. A Theory of lubrication by microirregularities[J]. Journal of basic engineering, 1966, 88(1): 177.

[11] Walsh M J, Weinstein L M. Drag and heat transfer on surfaces with small longitudinal fins[C]. 11th Fluid and PlasmaDynamics Conference, 1978: 1161.

[12] Etsion I, Burstein L. A model for mechanical seals with regular microsurface structure[J]. Tribology transac-tions, 1996, 39(3): 677-683.

[13] Etsion I, Kligerman Y, Halperin G. Analytical and experimental investigation of laser-textured mecha-nical seal faces[J]. A S L E Transactions, 1999, 42(3): 511-516.

[14] 韓志武, 任露泉, 劉祖斌. 激光織構仿生非光滑表面抗磨性能研究[J]. 摩擦學學報, 2004, 24(4): 289-293.

Han Zhi-wu, Ren Lu-quan, Liu Zu-bin. Investigation on anti-wear ability of bionic nonsmooth surfaces made by laser texturing [J]. Tribology, 2004, 24(4): 289-293.

[15] 劉紅彬，孟永鋼. 基于區域分解法的紋理表面流體潤滑分析——紋理分布模式的影響[J]. 摩擦學學報, 2007, 27(6): 555-561.

Liu Hong-bin, Meng Yong-gang. Hydrodynamic lubri-ca-tion analysis of textured surfaces with the domain decomposition method-effect of texture distribution Patterns[J]. Tribology, 2007, 27 (6): 555-561.

[16] 馬晨波, 朱華, 歷建全. 摩擦副不同表面織構化的潤滑減摩性能試驗研究[J]. 中國礦業大學學報, 2010, 39(2): 244-248.

Ma Chen--bo, Zhu Hua, Li Jian-quan. Experimental study tribological properties of texture on different surfaces of friction pairs[J]. Journal of china university of mi-ning & technology, 2010, 39 (2): 244-248.

[17] Hsu S M, Jing Y, Hua D, et al. Friction reduction using discrete surface textures: principle and design[J]. Journal of physics d applied physics, 2014, 47(33): 335307.

[18] 方勛, 嚴志軍, 王劍豪, 等. 考慮空化效應的表面微凸體織構摩擦副潤滑性能研究[J]. 潤滑與密封, 2020, 45(12): 32-41.

Fang Xun, Yan Zhi-jun, Wang Jian-hao, et al. Effect of micro-convex texture on lubrication performance of friction pair considering cavitation phenomenon[J]. Lu-bri-cation engineering, 2020, 45 (12): 32-41.

[19] 苗嘉智, 郭智威, 袁成清. 表面織構對內燃機缸套–活塞環系統摩擦性能的影響[J]. 摩擦學學報, 2017, 37(4): 7.

Miao Jia-zhi, Guo Zhi-wei, Yuan Cheng-qing. Effect of textured surface on the friction performance of cy-linder liner-piston ring system in the internal combus-tion engine[J]. Tribology, 2017, 37(4): 7.

[20] 葛良辰, 馬劍軍, 曹宇鵬, 等. 激光微加工在微織構技術中的應用及研究進展[J]. 激光與紅外, 2019, 49(8): 921-928.

Ge Liang-chen, Ma Jian-jun, Cao Yupeng, et al. Influence of micro texture and its parameters on the effect of lu-brication reduction[J]. Laser & Infrared, 2019，49(8): 921-928.

[21] 趙美云, 田森, 吳陽, 等. 織構參數對復合絕緣子硅橡膠表面疏水性能的影響[J]. 中國表面工程, 2019, 32(1): 12-21.

Zhao Mei-yun, Tian- Sen, Wu Yang, et al. Effects of texture parameters on surface hydrophobicity of siliconerubber composite insulator[J]. China surface engineering, 2019, 32 (1): 12-21.

[22] Shi L, Wang X, Xiao S, et al. Comparison of the load-carrying performance of mechanical gas seals textured with microgrooves and microdimples[J]. Journal of tribology, 2016, 138(2): 88-90.

[23] 王洪濤, 朱華. 圓環形微凹坑織構表面的摩擦性能[J]. 潤滑與密封, 2015, 10(1): 49-53.

Wang Hong-tao, Zhu Hua. Tribology properties of tex-tured surface with ring-shape pits[J]. Lubrication engi-neering, 2015, 10(1): 49-53.

[24] 戴慶文, 李思遠, 王秀英, 等. 不同密封副材料的表面織構設計及其潤滑和密封特性[J]. 中國表面工程, 2019, 32(3): 21-29.

Dai Qing-wen, Li Si-yuan, Wang Xiu-ying, et al. Sur-face texturing of different sealing materials and their lubrication and sealing performances[J]. China surface engineering, 2019. 32 (3): 21-29.

[25] 朱章楊, 王東偉, 劉銘倩, 等. 溝槽型織構表面對界面摩擦學行為的作用機制[J]. 潤滑與密封, 2017, 41(9): 38-42.

Zhu Zhang-yang, Wang Dong-wei, Liu Ming-qian, et al. Effect mechanism of groove-textured surface on tribological behaviors[J]. Lubrication engineering, 2017, 41(9): 38-42.

[26] 鹿重陽, 楊學鋒, 王守仁, 等. 三角溝槽形織構化硬質合金工作表面動壓潤滑及減摩特性[J]. 摩擦學學報, 2018, 38(5): 48-57.

Lu Chong-yang, Yang Xue-feng, Wang Shou-ren, et al. Dynamic pressure lubrication and anti-friction charac-teris-tics of the working surface of the cemented carbide with triangular grooved microtexture[J]. Tribology, 2018. 38 (5): 48-57.

[27] Lu L, Zhang Z, Guan Y, et al. Comparison of the effect of typical patterns on friction and wear properties of chromium alloy prepared by laser surface texturing [J]. Optics & laser technology, 2018, 106: 272-279.

[28] Zhang N, Yang F, Jiang F, et al. Study of the effect of surface laser texture on tribological properties of cemented carbide materials[J]. Proceedings of the ins-titution of mechanical Engineers part B journal of engi-neering manufacture, 2020, 234(6/7): 993-1006.

[29] 鐘林, 魏剛, 李宇, 等. 表面織構形狀對牙輪鉆頭軸承摩擦學性能影響的實驗研究[J]. 潤滑與密封, 2020, 45(3): 27-32.

Zhong Lin, Wei Gang, Li Yu, et al. Experimental study on the influence of surface texture on tribological pro-perties of bit bearing[J]. Lubrication engineering, 2020, 45(3): 27-32.

[30] Joshi, G. S, Putignano, et al. Effects of the micro surface texturing in lubricated non-conformal point con-tacts[J]. Tribology international, 2018, 127(6): 296-301.

[31] 侯碩, 賀韶, 鄧璽, 等. 橢圓形織構摩擦片在核電站安全制動器中作用機理的數值研究[J]. 摩擦學學報, 2020, 40(3): 299-304.

Hou Shuo, he Shao, Deng Xi, et al. Numerical study on the mechanism of friction lining with micro-elliptical texture in safety brake of nuclear power plant[J]. Tribo-logy, 2020, 40(3): 299-304.

[32] 周宇坤, 彭旭東, 趙文靜, 等.機械密封動環外周表面織構換熱機理及結構優化[J]. 摩擦學學報, 2020, 40(4): 538-550.

Zhou Yu-kun, Peng Xu-dong, Zhao Wen-jing, et al. Heat transfer mechanism and optimization of circum-ferential texture of mechanical seal[J]. Tribology, 2020, 40(4): 538-550.

[33] 謝永, 宋文濤, 陳文剛, 等. 三角表面微織構對304鋼的摩擦學性能影響[J]. 表面技術, 2021, 50(4): 225-234.

Xie Yong, Song Wen-tao, Chen Wengang, et al. Effect of triangular surface micro-texture on tribological pro-perties of 304 steel[J]. Surface technology, 2021, 50(4): 225-234.

[34] Galda L, Pawlus P, Sep J. Dimples shape and dis-tribution effect on characteristics of stribeck curve[J]. Tribology international, 2009, 42(10): 1505-1512.

[35] 程香平, 康林萍, 張友亮, 等. 潤滑條件下菱形孔織構端面摩擦學特性研究[J]. 摩擦學學報, 2015, 35(6): 658-664.

Cheng Xiang-ping, Kang Lin-ping, Zhang You-liang, et al. Tribological characteristics of end faces with dia-mond macro-pores textured under lubrication[J]. Tribology, 2015, 35 (6): 658, 664.

[36] 汪久根, 陳仕洪. Koch雪花表面織構設計與高鐵空氣摩擦噪聲分析[J]. 機械工程學報, 2014, 50(7): 78-83.

Wang Jiu-gen, Chen Shi-hong. Bionic design of koch snowflake surface texture and its effects on air frictional noise of high speed train[J]. Journal of mechanical en-gineering, 2014, 50(7): 78-83.

[37] 李俊玲, 陳平, 邵天敏, 等. 葫蘆形微凹坑對不銹鋼表面摩擦學性能的影響[J]. 摩擦學學報, 2016, 36(2): 207-214.

Li Jun-ling, Chen Ping, Shao Tian-min, et al. The effect of gourd-shaped surface texture on tribological performance of stainless steel[J]. Tribology, 2016, 36(2): 207214.

[38] 王國榮, 廖文玲, 趙明建. 復合織構化壓裂泵柱塞密封副動壓潤滑性能仿真研究[J]. 潤滑與密封, 2019, 44(1): 26-36.

Wang Guo-rong, Liao Wen-ling, Zhao Ming-jian. Si-mulation analysis on hydrodynamic lubrication perfor-mance of fracturing pumper plunger seal with com-pound texture[J]. Lubrication engineering, 2019, 44(1): 26-36.

[39] 胡勇, 屈盛官, 李彬, 等. 不同表面織構對柴油機缸套-活塞環摩擦磨損性能的影響[J]. 潤滑與密封, 2013, 38(4): 57-62.

Hu Yong, qu Sheng-guan, Li Bin, et al. Effects of dif-ferent surface textures on friction and wear performance of diesel cylinder liner-piston ring[J]. Lubrication engi-neering, 2013, 38 (4): 57-62.

[40] 王麗麗, 張偉, 趙興堂, 等. 微織構尺寸對軸承摩擦磨損性能的影響[J]. 摩擦學學報, 2021, 41(5): 723-730.

Wang Li-li, Zhang Wei, Zhao Xing-tang, et al. Effect of micro-texture size on friction and wear performance of journal bearing[J]. Tribology, 2021, 41(5): 723-730.

[41] 何霞, 廖文玲, 王國榮, 等. 飛秒激光加工織構及織構對磨損的影響研究[J]. 激光與紅外, 2017(10): 1222-1227.

He Xia, Liao Wen-ling, Wang Guo-rong, et al. Research of femtosecond laser processing texture and influence of texture on tribological properties[J]. Laser & Infrared, 2017, (10): 1222-1227.

[42] 蔣雯, 張朝陽, 顧秦銘, 等. 復合工藝制備的表面微凹坑織構的摩擦性能研究[J]. 潤滑與密封, 2019, 44(11): 85-89.

Jiang Wen, Zhang Chao-yang, Gu Qin-ming, et al. Tribological properties of micro-pit texture generated by composite processing[J]. Lubrication engineering, 2019, 44 (11): 85-89.

[43] 蘇峰華, 毛川, 李助軍. 織構深度對不銹鋼表面油潤滑條件下摩擦學性能影響的試驗和仿真研究[J]. 摩擦學學報, 2019, 39(2): 181-187.

Su Feng-hua, Mao Chuan, Li Zhu-jun. Experiment and simulation study on the effect of texture depth on tribo-logical properties of stainless steel surface under oil lubricating condition[J]. Tribology, 2019, 39(2): 181-187.

[44] Wei T, Zhou Y, Hua Z, et al. The effect of surface texturing on reducing the friction and wear of steel under lubricated sliding contact[J]. Applied surface science, 2013, 273(15): 199-204.

[45] 邱兆嶺, 陳文剛, 環鵬程, 等. 表面織構參數對滲氮304鋼在納米微粒添加劑潤滑油作用下摩擦特性的影響[J]. 材料導報, 2018, 32(18): 3217-3222.

Qiu Zhao-ling, Chen Wen-gang, Huan Peng-cheng, et al. Tribological properties of surface texture parameters on nitrided 304 steel with nanoparticles as additive lubricants[J]. Materials reports, 2018, 32(18): 3217-3222.

[46] 張東亞, 孫喜洲, 高峰, 等. 表面織構參數對液壓馬達滑靴副的摩擦學性能影響研究[J]. 表面技術, 2019, 48(4): 244-250.

Zhang Dong-ya?, Sun Xi-zhou, Feng Feng, et al. Effect of texture parameters on tribological performance of slipper surface in hydraulic motor[J]. Surface tech-nology, 2019, 48(4): 244-250.

[47] 李寶玉, 劉偉, 江樹鎮, 等. 部分溝槽表面織構摩擦學性能研究[J]. 潤滑與密封, 2015, 40(5): 64-67.

Li Bao-yu, Liu Wei, Jiang Shu-zhen, et al. Study on tribological properties of partial grooved surface texture [J]. Lubrication engineering, 2015, 40(5): 64-67.

[48] Shi L, Wei W, Wang T, et al. Experimental investiga-tion of the effect of typical surface texture patterns on mechanical seal performance[J]. Journal of the brazilian society of mechanical sciences and engineering, 2020, 42(5): 1-12.

[49] Li D, Yang X, Lu C, et al. Tribological characteristics of a cemented carbide friction surface with chevron pattern micro-texture based on different texture density [J]. Tribology international, 2019, 142: 106016.

[50] 王勁孚, 錢煒, 熊磊, 等. 表面織構排布形式對其潤滑特性的影響[J]. 潤滑與密封, 2015, 40(4): 86-90.

Wang Jin-fu, Qian Wei, Xiong Lei, et al. Effect of surface texture arrangements on lubrication charac-teris-tics[J]. Lubrication engineering, 2015, 40 (4): 86-90.

[51] 王洪濤, 朱華. 圓柱形微凹坑排布形式對織構表面摩擦性能的影響[J]. 摩擦學學報, 2014, 34(4): 414-419.

Wang Hong-tao, Zhu Hua. Effect of cylindrical micro- pit's distribution form on tribology properties of tex-tured surface[J]. Tribology, 2014, 34(4): 414-419.

[52] Yue H, Deng J, Ge D, et al. Effect of surface texturing on tribological performance of sliding guideway under boundary lubrication[J]. Journal of manufacturing pro-ces-ses, 2019, 47: 172-182.

[53] 何霞, 杜文鑫, 王國榮, 等. 凹槽型織構對鉆頭滑動軸承表面摩擦學性能影響分析[J]. 機械科學與技術, 2021, 40(1): 1-8.

He Xia, du Wen-xin, Wang Guo-rong, et al. Effects of groove texture on tribological performance of sliding bearing surface of drill bit[J]. Mechanical science and technology for aerospace engineering, 2021, 40 (1): 1-8.

[54] 王麗麗, 郭少輝, 魏聿梁, 等. 表面微織構對45#鋼摩擦副表面摩擦學性能影響的實驗研究[J]. 表面技術, 2018, 47(12): 161-166.

Wang Li-li, Guo Shao-hui, Wei Yu-liang, et al. Experi-mental study on the influence of surface microtexture on the tribological properties of 45# steel friction pairs[J]. Surface technology, 2018, v. 47 (12): 161-166.

[55] 宋文濤, 陳文剛, 謝永, 等. 織構化紋理對于45鋼摩擦學性能的數值模擬及試驗分析[J]. 材料保護, 2021, 54(3): 75-80.

Song Wen-tao, Chen Wen-gang, Xie Yong, et al. Nu-merical simulation and experimental analysis of tribo-logical properties of 45 steel with surface texture[J]. Material Protection, 2021, 54 (3): 75-80.

[56] 溫詩鑄, 黃平. 摩擦學原理(第3版)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008: 3-5.

Wen Shi-zhu, Huang Ping. Principles of Tribology (3rdEdition)[M]. Beijing: tsinghua university press, 2008: 3-5.

[57] 張永輝. 利用表面織構改善超高分子量聚乙烯潤滑特性的研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2009.

Zhang Yong-hui. Improving the tribological performance of UHMWPE with surface texture[D]. Nanjing: Nanjing university of aeronautics and astronautics, 2009.

[58] 高貴, 龔俊, 李瑞紅, 等. 表面織構對PTFE復合材料摩擦磨損行為的影響[J]. 摩擦學學報, 2020, 200(6): 14-23.

Gao Gui, Gong Jun, Li Rui-hong, et al. Effect of sur-face texture on friction and wear behavior of PTFE composites[J]. Tribology, 2020, 200 (6): 14-23.

[59] 孫建芳, 李傲松, 蘇峰華, 等. 表面織構鈦合金的干摩擦和全氟聚醚油潤滑下的摩擦學性能研究[J]. 摩擦學學報, 2018, 38(6): 43-49.

Sun Jian-fang, Li Ao-song, Su Feng-hua, et al. Tribo-logical property of titanium alloy surface with different texture structure under dry friction and perfluoro-po-lyether lubrication[J]. Tribology, 2018. 38 (6): 43-49.

[60] 夏敏華, 陳文剛. 表面雙重改性304鋼干摩擦特性研究[J]. 材料保護, 2020, 53(5): 23-27.

Xia Min-hua, Chen Wen-gang. Study on dry friction charac-teristics of double surface modified 304 steel[J]. Material protection, 2020, 53(5): 23-27.

[61] Rosenkranz A, Reinert L, Gachot C, et al. Alignment and wear debris effects between laser- patterned steel surfaces under dry sliding conditions[J]. Wear, 2014, 318(1/2): 49-61.

[62] 剡珍, 孫嘉奕, 姜棟, 等. 激光織構化TiN薄膜的干摩擦性能研究[J]. 摩擦學學報, 2017, 37(4): 518-526.

Luo Zhen, Sun Jia-yi, Jiang Dong, et al. Tribological behavior of laser textured TiN films under dry friction condition[J]. Tribology, 2017, 37 (4): 518-526.

[63] 連峰, 張會臣, 龐連云. Ti6Al4V表面激光織構化及其干摩擦特性研究[J]. 潤滑與密封, 2011, 36(9): 1-5.

Lian Feng, Zhang Hui-chen, Pang Lian-yun. Laser texture manufacturing on Ti6Al4V surface and its dry tribological characteristics[J]. Lubrication engineering, 2011, 36 (9): 1-5.

[64] Wang X, Kato K. Improving the anti-seizure ability of sic seal in water with RIE texturing[J]. Tribology letters, 2003, 14(4): 275-280.

[65] 王勻, 曾亞維, 陳立宇, 等. 表面織構在脂潤滑條件下的摩擦性能研究[J]. 潤滑與密封, 2017, 42(4):43-47.

Wang Yun, Zeng Ya-wei, Chen Li-yu, et al. Study on tribological properties of laser textured surfaceunder grease lubrication[J]. Lubrication engineering, 2017, 42(4): 43-47.

[66] Pettersson U, Jacobson S. Textured surfaces in sliding boundary lubricated contacts–mechanisms, pos-si-bilities and limitations[J]. Tribology-materials, Surfaces & interfaces, 2013, 1(4): 181-189.

[67] Khaemba D N, Azam A, See T L, et al. Unders-tanding the role of surface textures in improving the performance of boundary additives, part I: Experimental [J]. Tribology international, 2020, 146: 106243.

[68] 董幫源, 劉小君, 王靜, 等. 表面織構對重載線接觸條件下40Cr鋼摩擦性能的影響[J]. 摩擦學學報, 2016, 36(2): 145-152.

Dong Bang-yuan, Liu Xiao-jun, Wang Jing, et al. Effect of textured surface on the frictional property of 40Cr steel under high load and line contact[J]. Tribo-logy, 2016, 36 (2): 145152.

[69] 王洪濤. 油潤滑條件下減摩織構表面的優化設計[D]. 徐州: 中國礦業大學, 2015.

Wang Hong-tao. Optimization design of antifriction tex-tured surface under oil lubrication [D]. Xuzhou: China university of mining and technology, 2015.

[70] 祿曉敏, 王權岱, 肖繼明, 等. 織構化表面空化效應影響潤滑性能的CFD分析[J]. 潤滑與密封, 2016, 41(5): 70-75.

Lu Xiao-min, Wang Quan-dai, Xiao Ji-ming, et al. CFD-analysis on the effect of cavitation of textured sur-face on hydrodynamic lubrication[J]. Lubrication enginee-ring, 2016, 41(5): 70-75.

[71] 紀敬虎, 管采薇, 符昊, 等. 粗糙度對微凹坑織構化表面摩擦學性能的影響[J]. 潤滑與密封, 2018, 43(1): 20-25.

Ji Jing-hu, Guan Cai-wei, Fu Hao, et al. Effect of rou-ghness on tribological properties of textured surfaces[J]. Lubrication engineering, 2018, 43(1): 20-25.

[72] 何霞, 廖文玲, 王國榮, 等. 正弦波粗糙度對織構表面動壓潤滑的影響[J]. 潤滑與密封, 2017, 42(8): 64-70.

He Xia, Liao Wen-ling, Wang Guo-rong, et al. Effects of sinusoidal roughness on hydrodynamic lubrication performance of textured surface[J]. Lubrication enginee-ring, 2017, 42 (8): 64-70.

[73] 楊笑, 孟祥鎧, 彭旭東, 等. 表面織構化機械密封熱彈流潤滑性能分析[J]. 摩擦學學報, 2018, 38(2): 87-95.

Yang Xiao, Meng Xiang-jia, Peng Xu-dong, et al. A TEHD lubrication analysis of surface textured mecha-nical seals[J]. Tribology, 2018, 38(2): 87-95.

Research Progress on the Influence of Geometric Characteristics and Working Conditions on the Friction Characteristics of Surface Texture

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. College of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Key Laboratory of Vehicle Environmental Protection and Safety in Plateau Mountainous Areas of Yunnan Province, Kunming 650224, China)

Surface texture technology is a kind of surface modification method which is convenient to process and does not destroy the essence of materials. The surface texture technology processes the surface of the material with a certain shape and regular microstructure to improve the surface friction properties of the material. However, there are too many variable factors that affect the friction performance under different working conditions, so that the optimal general scheme of each design parameter can not be obtained. In this paper, the research and development of antifriction effect of surface texture at home and abroad is reviewed from the introduction of additional hydrodynamic pressure effect to the morphology, size, depth, area share, pit bottom shape, orientation and distribution of surface texture.

In this paper, the effects of surface texture morphology, geometric parameters and distribution on its tribological properties are discussed respectively. The morphology of surface texture is divided into protruding texture and concave texture, in which protruding texture is mainly used to increase friction coefficient and hydrophobicity, while sag texture is generally used to reduce friction coefficient and reduce the resistance of sliding process. In engineering, in order to improve the service life of parts, the sunken texture which can reduce the friction coefficient and improve the friction performance is generally adopted. This paper focuses on the influence of the surface texture morphology of continuous texture and discrete texture on the surface friction properties of materials in concave texture. Continuous texture is an efficient means of drag reduction, and its advantage is that it is convenient for processing. At the same time, it is also better than discrete texture in absorbing fine debris. Under good lubrication conditions, wear debris is easy to move in the grooves of continuous texture, which can effectively prevent a large number of wear debris from filling texture and causing texture failure. The discrete texture with reasonable arrangement of pit texture can store the shedding wear particles in the process of sliding, reduce the contact area and solve the problem of lack of oil. At present, the excellent performance of discrete texture in lubrication and wear reduction has attracted wide attention of researchers at home and abroad. There are the most kinds of morphologies of discrete texture, and the research on it is the most detailed. In the discrete texture, the effects of triangle, rectangle, diamond, hexagon, ellipse, cylinder, sphere, water drop, ring, snowflake and gourd texture on the friction properties are analyzed. As for the geometric parameters of surface texture, this paper discusses that among the geometric parameters, the influence of texture diameter and area share on the friction coefficient is greater than the depth of texture, in which the size of texture has a great influence on the lubrication performance of friction pairs. Too large and too small size are not conducive to the advantage of micro-texture, or even cause negative effects. As for the distribution of surface texture, this paper expounds the influence of different distribution forms of surface texture on the friction properties.

The antifriction mechanism of surface texture under different working conditions is summarized under four lubrication conditions of dry friction, boundary lubrication, fluid lubrication and mixed lubrication, and some suggestions on the existing problems of surface texture are put forward. It is expected to provide a reference for the researchers of surface texture. In the future, based on the application of surface texture in traditional manufacturing, surface texture will gradually expand to many new fields.

surface texture; texture morphology; geometrical parameter; distribution form; antifriction mechanism

掃碼查看文章講解

TH117

A

1001-3660(2022)10-0089-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.010

2021–08–10；

2021–12–05

2021-08-10；

2021-12-05

國家自然科學基金項目（51865053）；云南省外國人才引進專項（202105AP130010）

National Natural Science Foundation of China (51865053) and The Introduction of Foreign Talents in Yunnan Province (202105 AP130010)

王澤霄（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為機械摩擦磨損機理及控制。

WANG Ze-xiao (1997-), Male, from Shaanxi, Master, Research focus: Mechanism and control of mechanical friction and wear.

陳文剛（1973—），男，博士，教授，主要研究方向為機械摩擦磨損機理及控制。

CHEN Wen-gang (1973-), Male, from Liaoning, Doctor, Professor, Doctoral supervisor, Research focus: Mechanism and control of mechanical friction and wear.

王澤霄, 陳文剛, 張祿中, 等.幾何特征及工況條件對表面織構摩擦特性影響研究[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 89-100.

WANG Ze-xiao, CHEN Wen-gang, ZHANG Lu-zhong, et al. Research Progress on the Influence of Geometric Characteristics and Working Conditions on the Friction Characteristics of Surface Texture[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 89-100.

責任編輯：