表面织构在PDMS/钢球摩擦副中润滑效应的研究

摘要

表面织构(Surface texture)技术,以其优异的降低摩擦、减小磨损和提高承载能力等特性,已经被证明是改善表面摩擦学特性的一个有效手段,引起了人们的极大关注。学者们对其作用机理也进行了深入的研究,而研究对象主要集中在硬质材料,如陶瓷、钢等；对于低弹性模量的软材料(如PDMS)摩擦副,其作用机理的研究还较少。因此,探讨在低弹性模量材料中,表面织构因发生接触形变引起润滑液流动,从而对其润滑特性产生影响的规律是本文研究的主要内容。
　　 本文使用球-盘式摩擦试验机,在去离子水和60％甘油.水溶液两种润滑条件下,研究表面织构在PDMS试样/GCr15轴承钢球摩擦副中的润滑特性。分别采用光刻.复模的软光刻技术和光刻掩模电解加工技术,在PDMS(polydimethylsiloxane,硅橡胶)材料和钢球表面加工了具有不同几何参数的微小凹坑阵列；通过对比表面织构在该摩擦副中不同摩擦表面上的润滑特性,初步探讨了表面织构的润滑机理。本文的主要研究内容和获得的结论如下:
　　 第一,运用光刻-复模技术在PDMS材料表面制备了规整的微小凹坑阵列,结果显示:该工艺制得的凹坑阵列图案清晰而均匀,表面平整无缺陷；另外,运用光刻掩模电解技术在钢球表面成功制造了微小凹坑阵列,通过形貌仪观察可知,凹坑形状完整,侧壁垂直度较好,底部平整。
　　 第二,考察了各种几何参数的PDMS试样表面微小凹坑织构对其表面浸润性的影响。
　　 第三,在去离子水和60％甘油-水溶液两种润滑条件下,通过对比表面织构在PDMS/GCr15轴承钢球摩擦副中不同摩擦表面上的润滑特性,初步探讨了其润滑机理。研究结果表明:当织构加工在PDMS表面时,能大幅降低摩擦因数；而当织构加工在钢球表面时,其摩擦因数则远高于无织构表面。
　　 第四,研究了试样表面粗糙度对织构润滑特性的影响,结果表明:当摩擦副处于混合润滑状态时,试样表面粗糙度有一个最优值范围,在该范围内,织构化的试样具有最优的摩擦性能。在本文中,粗糙度Ra为230nm的W7试样即为最优粗糙度试样。
　　 第五,研究了不同凹坑几何参数对表面织构化的PDMS材料/GCr15轴承钢球的润滑特性,得到表面织构的最优化参数:当使用60％甘油-水溶液润滑,滑行速度为1mm/s时,凹坑直径为100μm、面积率为10.4％的试样出现摩擦因数的最小值为0.086,相对于无织构降低了70.1％。
　　 本文对液体润滑条件下,表面织构对PDMS/GCr15轴承钢球摩擦副的摩擦学特性进行了试验研究,研究结果初步探讨了表面织构在PDMS/GCr15轴承钢球中的作用机理,并为表面织构技术在改善低弹性模量材料(橡胶、塑料)摩擦学特性的工程应用提供了相关设计依据。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 仿生摩擦学及表面织构技术概述

1.2.1 仿生摩擦学的发展及其研究和应用现状

1.2.2 表面织构技术改善摩擦副表面摩擦磨损性能的研究和应用现状

1.2.3 表面织构技术改善摩擦副表面摩擦磨损性能的机理

1.3 课题的来源及研究意义

1.4 本文的主要研究内容和主线

1.4.1 本文的主要研究内容

1.4.2 本文的主线

第二章 试验设计、试样制备及接触角测试

2.1 摩擦试验方案设计

2.1.1 表面织构几何参数的设计

2.1.2 摩擦试验的环境条件及试验参数

2.2 试样表面织构的制备

2.2.1 PDMS表面微凹坑织构的制备

2.2.2 钢球表面微凹坑织构的制备

2.3 PDMS试样表面浸润性的测试

2.3.1 表面浸润性理论

2.3.2 织构参数对PDMS表面浸润性的影响

2.4 本章小结

第三章 不同粗糙度条件下PDMS表面织构润滑特性的研究

3.1 高聚物与金属摩擦原理

3.1.1 高聚物与金属摩擦原理

3.2 不同粗糙度条件下PDMS表面织构润滑特性的研究

3.2.1 表面织构对摩擦因数的影响

3.2.2 表面粗糙度对摩擦因数的影响

3.3 本章小结

第四章 表面织构在PDMS/钢球摩擦副中润滑特性的研究

4.1.PDMS试样表面织构的润滑特性

4.1.1 润滑液对无织构PDMS材料摩擦特性的影响

4.1.2 凹坑面积率对PDMS材料表面织构润滑特性的影响

4.1.3 凹坑直径对PDMS材料表面织构润滑特性的影响

4.1.4 表面织构参数的优化设计

4.2.钢球表面织构的润滑特性

4.3.本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文的主要工作及结论

5.2 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