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对摩擦和磨损改善的表面纹理的关键评估

C. Gachot^a,*, A. Rosenkranz^b , S.M. Hsu ^c , H.L. Costa^d,e

（^a维也纳科技大学，1060维也纳，奥地利 ^b智利天主教大学，智利圣地亚哥，智利 ^c乔治华盛顿大学，华盛顿，美国 ^d巴西乌贝兰迪亚联邦大学 ^e巴西里奥格兰德联邦大学）

摘要：在过去几十年中，用于控制摩擦和磨损的表面纹理化已成为众多研究的焦点。尽管有这种兴趣，但在不同的接触和润滑条件下理解表面纹理效应的根本原因仍然是一个持续存在争议的主题。尽管在特定情况下精确表面纹理的制造和它们的影响建模方面取得了进展，但在某些接触条件下表面纹理的有效性仍存在许多相互矛盾的报道。因此，本评价对这一快速发展的研究领域的共识进行了批判性评估。首先，将讨论Stribeck曲线中的操作润滑状态下的表面纹理的影响，以及共形和非共形接触之间的清晰度。最后，将描述各种制造方法的优点和缺点，总结制造方法的典型特征尺寸，成本和适用的材料。将特别关注摩擦减小机制及其在不同摩擦状态下对磨损的影响。

关键词：表面纹理；摩擦；磨损

1.引言

古代的证据表明，有创造力的人如何利用表面纹理来改变摩擦力和牵引力。例如，在中国的唐代，在劳动者鞋底上放置了山脊图案或凹坑，以帮助他们在泥泞，滑溜的地面上工作^[1]。在现代，汽车轮胎配备了精密的表面纹理，以控制摩擦，以便在各种路况下安全驾驶^[2]。然而，对于工程表面，传统的重点是使表面更加各向同性和均匀以便于组件组装。

表面纹理的先进制造技术越来越多地被用作工程工具以改善特定应用中的性能。它们提供更高的精度，易用性和更低的加工成本。

一旦表面纹理被视为可以定制以提高系统性能的工程机会，它打开了创新的窗口。例如，可以使表面具有方向性^[1]，优选的流体流动路径^[2]，定制的实际接触面积^[3]，以及控制流速以影响快速传热，例如：对于传动扭矩板^[4]。虽然这些新的纹理表面在特定应用中成功使用并且具有出色的结果，但所涉及的基本理论和机制却落后了。

对于摩擦和磨损是摩擦和磨损的摩擦学应用，传统的变化由于表面纹理经常会增加整体表面粗糙度，从而增加摩擦和磨损，因此工程平台的各向同性表面的概念会产生特定的特性，因此表面纹理会逐渐增加。表面纹理的第一次广泛使用发生在20世纪40年代的柴油发动机活塞环衬里界面在发动机热运行条件下防止癫痫发作^[5]。在高负荷，高温和高速条件下，由于润滑剂不足而发生严重的磨损，最终导致咬合和失效。为解决这一问题，在活塞衬垫上制造了交叉阴影槽，以提供原位局部润滑剂储存器。防止癫痫发作（交叉影线角度范围从60°到70°水平交叉角度）^[6]。现代柴油发动机倾向于使用40°至50°的较小角度^[7]。从20世纪50年代末到60年代初期，金属加工操作中经常出现粘附和撕裂损坏，例如热轧，挤压，成型和金属冲压操作。

图1.低压保形的Stribeck曲线（a）和高压非保形触点（b）

在这些案例中，通道状纹理和圆形凹坑用于控制粘附和撕裂^[8]。这样的实例引入了使用表面纹理（例如线条或凹坑）作为工程工具的概念，以解决各向同性表面未能实现的技术挑战，这主要始于20世纪80年代^[9]。然而，表面纹理会导致额外的加工成本，并且必须通过获得的效益证明其合理性。在20世纪90年代后期，激光表面纹理（LST）发展成为磁存储设备^[10]和机械密封的有力工具（用于相对较高负载和低速的共形接触）^[11]。激光纹理化已朝着使用更短脉冲的方向发展，并且今天广泛使用飞秒激光器，这增加了例如从金属到陶瓷和玻璃的待处理材料的灵活性。 LST的一个基本限制是难以生成包括各种形状和尺寸的复杂表面纹理。为实现这一目标，开发了直接激光干涉图案（DLIP）技术，该技术使用多个激光束干涉在一个步骤中创建复杂的表面纹理^[12,13]。另一方面，在决定表面纹理的使用是否对某种应用具有成本效益时，已经开发了许多其他技术并且需要加以考虑。从2000年开始，全世界纳米技术计划的出现进一步加速了制造技术和通过光刻方法降低成本，提高表面形貌控制精度，开发双白光干涉表面分析工具，进一步提高了观察制造工艺结果的能力，从而形成了一个时代。表面设计。磁性硬盘行业是纳米技术和表面纹理相结合的一个值得注意的例子。在业界不断向超高存储密度迈进的过程中，该行业开发了用于纳米级薄膜的超高精度表面沉积技术^[14]和纳米级表面形貌，以实现单层润滑^[15]。定向排列的粗糙度被引入制造过程^[16]，并产生离散的凹坑以控制粘合^[17]。总之，表面纹理有几个成功的应用：例如：机械面密封采用激光烧蚀表面纹理，以提高机器元件的使用寿命，并减少接触体之间的摩擦^[18];金属成形过程具有明确的表面形貌，影响粘附和扩散^[19,20];具有“宽边帽状”表面纹理的磁性硬盘可以操纵接触区域并减少磁头/磁盘界面的静摩擦^[21]。这些成功的应用表明纹理在特定情况下可以有效提高性能或解决问题具体问题。

然而，已经进行了大量研究来研究表面纹理对摩擦，磨损和耐久性的影响^{[18,19,22-24]}。尽管近年来在处理技术，表征工具和计算算法方面有了重大改进，但基本理解如何仍然缺乏纹理功能。问题如：1）纹理如何运作？2）如果它们起作用，涉及哪些机制？ 3）如果它们不起作用，涉及哪些机制？ 4）流体动力学与纹理间距相互作用的作用是什么？ 5）是否有针对预期应用的纹理设计指南？此外，必须定义“成功”。成功意味着有一个标准，即获得一定水平的成本效益比，或表面纹理解决方案是唯一可行的选择。在没有这些问题的答案的情况下，一个不可避免的结论似乎是，目前表面工程界仍然处于试错阶段，其创造性的混乱和相互矛盾的报道。最近发表了一些有趣的评论文章，强烈报道了表面的影响。关于流体动力润滑和轴承的纹理^[25,26]，平行推力轴承，机械和气体密封以及活塞环^[27]。此外，Ibatan等人。总结了不同润滑方式的纹理效果，重点是轴承滑块，最后Patel等人提出了一篇全面的综述文章，重点介绍了制作纹理的不同制作方法^[28]。本评论旨在提出一个批判性的观点。表面纹理在不同润滑状态下的基本效应和潜在机制，不强调特定的应用，突出各种制造方法各有利弊。首先，第2节论述了表面纹理对表观润滑中摩擦学行为的影响。根据^[29]，图1中共形和非共形接触的Stribeck曲线中强调的方案：i）低压和高压全膜覆盖流体动力学和弹性流体动力润滑（见3.1节）; ii）混合润滑方案（第3.2节）; iii）边界润滑方案（第3.3节）甚至iv）“干”方案/使用固体润滑剂或保护涂层（第3.4节）。特别强调共形（图1a）和非共形接触（图1b）之间的区别，因为大多数关于表面纹理效率的相互矛盾的论文出现在非共形接触中^[30,31]，滚动元件轴承和齿轮中通常会遇到这种情况。然后，第3节介绍了各种制造技术的相关优缺点。最后，结论将首先总结典型特征尺寸，成本和所选方法的可能材料（参见第4.1节）然后是表面纹理的影响（第4.2节）和不同润滑方式的摩擦减少机制（第4.3节）。

2.表面纹理的影响

2.1. 全膜在低压（保形接触）和高压（非保形接触）

在流过会聚楔的润滑剂存在下，两个表面相对于彼此的相对运动可在它们之间形成流体动力学流体薄膜^[33]。当流体薄膜的厚度足够大以使两个接触表面完全分离时，得到完整的薄膜尽管表面粗糙 ^[34]。对于低压接触，例如在共形接触中常见的低压接触，以及在非保形接触中更常见的高压接触，可以获得这种完整的膜状态。 然后在低压触点中发生全膜流体动力润滑（HD），并且在高压触点中发生全膜弹性流体动力润滑（EHL）。 对于共形和非共形接触，表面纹理的影响是非常不同的，它们将分别描述。

2.1.1.低压全膜润滑（HD）

为了理解微观纹理在增加两个滑动表面之间的流体动压力方面的可能影响，有必要检查由于存在楔形而发生的流体动力学效应。通过雷诺方程描述轴承中润滑剂压力的变化，该方程可应用于滑动轴承，以基于通过轴承长度的会聚间隙空间来模拟流体动力作用。它允许确定压力分布和负载能力^[35,36]。对于纹理表面，微型口袋可以被视为微型会聚楔子，因此多个口袋可以作为一组微型轴承，如图2，从图中可以明显看出，除了在凹穴后缘处的会聚楔形物之外，还存在发散的楔形物。虽然会聚区域的压力增加，但是在发散区域中压力减小。因此，如果后缘处的压力增加高于袋的后边缘处的压力减小，则由于纹理的存在而仅可能具有正净增加，这可能是真实的，这可能是由于空化的发生^[37-39]。在每个凹穴处形成的空化气泡可防止出现局部负压峰值，从而抵消会聚微楔处的压力增加^[40]。

图2.由多个微型轴承组成的纹理表面

关于水动力压力的表面微观地形的第一个证据发现于20世纪60年代^[38]。在光学平坦和透明密封中对非连续润滑薄膜进行的视觉监测显示，薄膜被空化前驱动器中断，这似乎与表面不规则性相吻合。开发了一种简单的分析模型来预测微小不规则几何形状对负载支撑的影响。基于雷诺方程的二维形式，通过流体动力润滑面对密封，以优化载荷支撑作为粗糙数，粗糙半径和最终粗糙区域的函数。使用更精细的数学模型，Etsion的小组分析了纹理的性能非接触式机械密封^[11]，找到最佳的面积覆盖率值为20％。这项工作后来扩展到包括激光纹理机械密封的一些实验测试，并且在测试中测量的间隙和由数学模型计算的间隙之间发现了相当好的一致性^[41]。

这些作品激发了表面纹理的使用，以增加载荷支持并减少其他流体动力学接触中的摩擦，特别是使用改编自流动力学的分析和数值模型。我们将首先介绍一些选定的工作，报告表面纹理的成功使用，随后将报告在全膜流体动力润滑下表面纹理可忽略不计或有害影响的作品。

2.1.1.1.成功的案例

Etsion集团进行了关于成功使用表面纹理的重要工作，并为表面纹理作为工业实践的引入做出了重要贡献。他们开发了模型来分析激光纹理对活塞环和圆柱体之间摩擦的影响，使用二维形式的雷诺方程使用非维度参数来拟合所涉及的条件^[42]。它们对平均摩擦力的面积覆盖率影响很小：覆盖率从5％变化到20％，摩擦力变化小于7％。口袋深度/直径比的最佳值约为0.12至0.14，具体取决于口袋的数量（见图3）。增加口袋的数量会导致表面纹理对摩擦力的影响减小。

图3.不同数量的凹坑（Np）的无量纲平均摩擦力与深度/直径比的2D模拟

还开发了一个模型来分析口袋几何形状的统计变化如何影响流体动力学薄膜厚度，并与使用相同口袋的模型进行比较^[43]。结果显示没有显着的效果，这表明口袋不需要完全相同。遗传算法应用于形状的优化/优化，口袋的尺寸和分布以及操作参数在减少摩擦和增加承载能力方面的应用^[44]。当比较矩形和三角形口袋时，发现了强烈的形状效果。此外，最佳纹理参数（口袋的高度，区域覆盖范围和口袋数量）的值很大程度上取决于操作参数。

遗传算法应用于形状的搜索/优化，口袋的尺寸和分布以及操作参数在减小摩擦和增加载荷能力方面的应用^[44]。当比较矩形和三角形口袋时，发现了强烈的形状效果。此外，最佳纹理参数（口袋高度，区域覆盖范围和口袋数量）的值依赖于操作参数。

已经比较了不同的数值实现（有限体积，有限元和谱元离散）来解决纹理流体动力轴承的二维雷诺方程^[45]。计算流体动力学（CFD）已被用于分析表面纹理对相对较高的雷诺数的影响^[46,47]。流动因素的引入允许对纹理表面进行参数研究^[48]。

最近，强调了在分析纹理表面的摩擦和/或承载能力的模型中包括惯性效应的重要性。 质量守恒算法的使用对于空化膜更为合适^[40,49-51]，因为空化的发生是造成各个口袋上不对称压力分布的原因，这可能导致纹理表面的净载荷支持。因此，质量保存算法可以在纹理流体动力轴承时提供关于可实现的益处的更真实的见解。

通过在流体动力学条件下将质量守恒算法应用于环形缸套系统，对于共形环，数值上发现摩擦减少高达73％并且膜厚度增加至86％^[52]。对于低收敛平面倾斜轴承，发现区域覆盖率的最佳值约为30％，因为对于较高的值，在轴承入口处产生空化，从而阻止该区域的完全流体动力学效应^[50]。另一方面，对于100％的面积覆盖率，空化不会发展，从而获得最佳性能^[50,51]。这已经在^[44]中提出过。然而，在这种情况下，纹理的概念是有问题的，因为事实上它对应于一个大口袋。口袋的最佳深度取决于轴承的收敛性，从最小膜厚度的约40％到80％不等^[50]。

实验工作还表明了在流体动力润滑下表面纹理化的好处。在Etsion的研究小组中，对激

资料编号：[3579]