表面微凹坑阵列对流体动压润滑性能的影响

摘要

摩擦学是一门以节约能源、保护生态环境、提高生命质量为主要研究目标的技术学科。摩擦学技术的应用正在为解决全球面临的资源紧缺、环境破坏等严重问题做出巨大的贡献。近些年来，表面织构技术已经被证明是改善摩擦副摩擦学性能的有效技术手段，并引起了摩擦学界的普遍关注，成为了研究的热点。
　　研究人员多是通过摩擦因数的测量来研究织构化表面的摩擦学性能，而从油膜厚度入手分析表面织构对润滑性能的影响还较少。通过对流体动压润滑状态下油膜厚度的测量分析织构化表面的摩擦学性能将是本文研究的主要内容。
　　本文利用光干涉原理实现了油膜厚度的测量，研究了在不同载荷与速度条件下织构化表面的润滑性能。分别从直径、面积率、排布和深度四个方面对微凹坑进行设计。本课题采用光刻和湿法刻蚀工艺在硅片表面制备了所设计的微凹坑阵列，并利用油膜测试系统，研究了微凹坑型织构对油膜厚度特性的影响规律，同时通过建立的承载力分析模型，得到了油膜承载特性，进一步分析了微凹坑型织构改善摩擦副润滑性能的作用机理。
　　本文的研究结果表明，合适几何参数的微凹坑型织构可以增加油膜的厚度，提高油膜的承载能力，改善流体动压润滑性能。一、直径较小的微凹坑型织构可以有效增加油膜的厚度，提高油膜的承载能力。二、面积率是影响织构化表面的润滑性能的重要因素，在直径分别为200μm和400μm的条件下，面积率为5％的微凹坑型织构均表现出最优效果，显著提高了油膜的承载能力，其中当直径为200μm时，与无织构对比，面积率为5%的微凹坑使油膜的最大承载量提高了约为27%。三、合理的凹坑排布形式可以进一步改善摩擦副的润滑性能，在微凹坑面积率相同的条件下（r=5%），排布为60°的微凹坑型织构可以使油膜的承载能力得到进一步提高，与排布为0°的微凹坑相比，最大油膜承载量增加了28%。四、深度较浅的微凹坑型织构有利于油膜的形成，改善了摩擦副的润滑性能。
　　通过对试验规律的总结与分析，发现微凹坑型织构改善流体动压润滑性能的机理可能如下：
　　1、由于微凹坑阵列起到了一定的密封效果，抑制了端泄现象的影响，从而提高了油膜的实际承载能力。
　　2、微凹坑本身产生了附加流体动压力，从而整体上提高了油膜的承载能力，并且微凹坑相互之间的压力影响会改变整个摩擦副表面的承载特性。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 表面织构技术

1.3 本研究的来源和意义

1.4 研究内容

第二章 润滑油膜测试系统、表面织构制备及试验设计

2.1 润滑油膜测试系统

2.2 试验试件的设计与加工

2.3 试验方案设计

2.4 本章小结

第三章 流体动压润滑油膜厚度特性的试验研究

3.1 无织构试件油膜厚度特性测量

3.2 微凹坑型织构对油膜厚度特性的影响

3.3 本章小结

第四章 流体动压润滑油膜承载特性的分析研究

4.1润滑油膜承载力分析模型

4.2 无织构试件的油膜承载特性

4.3微凹坑型织构对油膜承载特性的影响

4.4 本章小结

第五章 椭圆形凹坑的初步研究

5.1 椭圆形凹坑对油膜厚度特性影响的试验研究

5.2 椭圆形凹坑对油膜承载特性影响的分析

5.3 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作及结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文