生物非光滑耐磨技術的研究進展

生物非精密表面的表征在數億年的自然進化中，植物和動物不僅適應周圍環境，而且程度相當完美。實際上一些植物和動物的特殊功能超越了人類,因此,近幾十年來仿生學發展異常迅速。仿生學試圖在技術方面模仿動物和植物在自然中的功能,仿生技術將各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究,實現新的技術設計并制造出更好的新型儀器、機械等。生物非光滑表面普遍存在于自然界中無論是陸地、海洋或是天空中的生物,其表面的不同形貌往往都是為適應不同的生活環境需要而進化成的。天空中飛行的生物的體表或翅膀并未進化為光滑的表皮或翼膜,而是由羽毛組成的低能量非光滑表面;水中生物的體表,尤其是行動敏捷的生物,其體表也不是光滑的,而是由鱗片或皮下結締組織構成的非光滑表面;生活在粘濕土壤中而又不易粘附土壤的生物體表也都表現為非光滑表面形態,生物非光滑表面的形貌特征與其功能特性關系是工程仿生學研究的一個方向。對生物非光滑技術的研究,主要集中于非光滑表面的減阻脫附和耐磨方面.1生物非滑動嘴唇仿生學認為,生物的器官、結構和功能是為適應生存環境經過億萬年的長期進化而形成的最佳結果。生物非光滑表面同樣是長期進化的結果。按生物進化論,生物生長中會受到外力的作用或刺激,這些外力的刺激不可能是均勻地、全面地覆蓋于其全部體表,依據生物“用進廢退”學說,部分反復經受刺激作用的部位可能就會出現一定凸起或凹陷,最終進化形成形態各異的非光滑生物表面。基于同樣的邏輯推理,生物非光滑耐磨體表也正是這些生物在其生存的自然環境中長期經受不均衡外力刺激或作用的結果。吉林大學研究人員最早于1990年提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理論,發現竹材與穿山甲鱗片的磨粒磨損行為具有明顯的方向性,磨損表面呈明顯的非光滑形態。對某些海洋生物如沙灘貝殼表面的非光滑形態的研究發現,它們對承受海水的沖刷有重要作用。動物的牙齒表面的非光滑形貌也是比較典型的例子。下面以貝殼、牙齒、竹材、穿山甲鱗片等幾種典型生物非光滑耐磨形態為例,對每種特定生物的非光滑表面形態幾何形狀與尺寸進行分析,這對工程仿生設計與制造具有借鑒與指導作用。非光滑耐磨表面主要包括以下幾種基本類型(見圖1):(1)凸包狀:以貝殼為例,如圖1c所示。凸包單元尺寸為50～100μm,形狀近似為圓柱型或方柱型,高度在10～50μm;凸包單元分布密度為50～100個/mm2,呈規則的環型且中心輻射狀均勻分布;圖1e和圖1f分別示出了人的門牙耐磨表面的凸包狀形態及天然竹材端面磨損后的凸起纖維結構形態。(2)凹坑狀:以貝殼為例,如圖1b所示。凹坑直徑約10～30μm,形狀多數近似橢圓狀或圓形,凹坑單元分布密度為2000～3000個/mm2,單元基本呈隨機分布。(3)溝槽狀:以貝殼為例,如圖1a所示。貝殼表面凸起單元分布整體呈溝槽狀,溝槽間距在50μm以下,溝脊之間近乎平行或呈中心輻射狀。(4)鱗片狀:穿山甲體表具有典型的鱗片狀形貌,如圖2所示。以上幾種類型只是基本的單元形貌形式,實際的非光滑生物表面的形貌形式是各種各樣的,大多可歸結為幾種基本單元的復合形式,如圖1d,即可視為凸包狀、溝槽狀單元按中心輻射狀分布的表面耐磨形貌。2非滑動材料表面檢測對非光滑的概念有不同的理解,目前有毛化、粗化和翅化幾種不同提法。非光滑尺度一般分宏觀非光滑、細觀非光滑和微觀非光滑3類,通常所討論的尺度一般指的是細觀范圍。目前,工程中材料或工件表面實現非光滑形貌的技術方法有多種,激光束、離子束、電子束3種高能量密度熱源的實用化,為細觀、微觀非光滑耐磨技術在工程實際中的應用提供了支撐。但限于加工工藝與成本,目前多采用凹坑、凸包形態,還需研究其它非光滑形態的成型工藝。3非平滑表面技術在工程中的應用3.1活塞環及氣缸套系統NakadaM通過對一種典型的發動機的調查發現,大約40%的能量被發動機的摩擦力所消耗,而在發動機的零部件中,摩擦損失最大的是活塞環及氣缸套系統,占50%～60%。因為適當的潤滑及表面粗糙度是減小活塞環及氣缸套系統摩擦力的關鍵,為此各國學者做了大量研究。RohdeSM于年首次提出用微觀非光滑表面減小摩擦力的方法;RonenA等人用不同大小的凹坑表面代表活塞環模擬活塞環及氣缸套系統,研究結果表明,非光滑表面試件的平均摩擦力比光滑表面試件的平均摩擦力減小30%,甚至更多。3.2非潤滑表面模型對密封表面進行適當的非光滑處理是未來機械密封件的發展方向,為增加密封件間承載能力和油膜剛度,減小摩擦和磨損,EtsionI和BursteinL于1996年提出規則非光滑表面結構的密封件模型,當一個密封面上均勻分布有半球形微坑時,密封性能得到很大提高。EtsionI等1997年又對經激光處理的幾種不同的非光滑坑形密封面進行了研究,結果證明,最佳非光滑表面形貌為球形坑且存在使油膜剛度最大的最佳深徑比。EtsionI等1999年在試驗室內對水泵中的密封墊進行對比試驗研究表明,光滑的密封面可看到磨損痕跡,而非光滑表面絲毫無損。3.3非精密剝削產品近年來為提高冷軋輥的耐磨性,采用特殊調制的高重復頻率、高能量密度的大功率YAG脈沖激光束作用于軋輥表面,使其產生一定非光滑形貌以實現非光滑耐磨。目前可實現的非光滑形貌主要有凹坑和凸包。應用表明,冷軋輥經激光處理成非光滑形貌后,其使用效果和壽命明顯提高。在20輥森吉米爾軋機上用其冷軋低碳鋼鋼板,其軋輥壽命比普通軋輥提高3倍以上;用其平整退火低碳鋼鋼板,其使用壽命可比普通軋輥提高5倍以上,甚至超過10倍。在普通的二輥軋機上用非光滑軋輥冷軋高強度65Mn彈簧鋼,其壽命是普通軋輥的2～3倍。4在項目中應用非平滑表面技術4.1干摩擦試驗結果根據仿生學理論,利用鋁合金活塞和鑄鐵氣缸套材料設計了光滑和幾種不同仿生非光滑形貌的摩擦副,并在摩擦磨損試驗機上進行對比試驗。結果表明,在干摩擦時,非光滑形貌與光滑形貌的摩擦副的摩擦性能差異不大;在沾油潤滑條件下,仿生非光滑形貌的摩擦副的抗粘著磨損性能明顯優于光滑形貌,最佳非光滑形貌的抗磨損性能比光滑形貌提高4倍多,其原因是在有潤滑條件下,仿生非光滑形貌具有較強的貯存潤滑油及形成油膜的能力。4.2仿生非精密表面復合層的制備仿生非光滑復合層是將硬質顆粒釬焊在基體材料(碳鋼)表面,這種結構既保證了基體的強韌性和非光滑幾何單元體的耐磨性,又能保證非光滑表面具有生物非光滑表面的減阻耐磨作用復合層的厚度可根據使用要求從幾毫米到幾十毫米任意調節,通過調整釬料配比和硬質顆粒類型和數量,可得到耐熱、耐蝕、耐磨多功能仿生非光滑表面復合層。非光滑表面能將磨料對表面的犁削變為滾動,在兩體靜載磨料磨損工況下,仿生非光滑耐磨復合層的耐磨性是45號鋼的29倍。4.3銅合金基金體的動態非織造材料對于WC/銅基復合材料,高硬度、高體積分數的WC顆粒凸出在表面上承受載荷,不僅阻止了磨粒的刺入,且可能使磨粒棱角鈍化,甚至把磨粒從砂紙上剝下,從而減輕或阻止了磨粒對材料的顯微切削或劃傷;高塑性的銅合金基體則牢牢固結增強體顆粒、吸收能量、減弱因磨粒多沖效應引起的疲勞剝落,并使犁削、剪切變形局限在很薄的表面層內。隨機分布的WC增強體顆粒作為非光滑結構單元體,構成了動態的幾何非光滑表面。在一定尺度范圍內,WC顆粒增大,耐磨性增加。同時,附著有基體銅的磨粒在非光滑結構單元的阻滯下可能重新嵌入較軟的復合材料基體中阻擋其他磨粒對材料的磨損,或在復合材料與磨料之間滾動以削減磨料對復合材料表面的作用力;基體則由于磨料的擠壓,在WC顆粒之間變形,焊合微裂紋,吸收能量、松弛內應力。上述過程體現出生物材料的某種自我保護、甚至是自修復功能。5生物表面的計算機模擬和量理系統的建立生物非光滑仿生研究目前正處于發展階段,還有一些理論與技術問題有待解決。而關于仿生非光滑耐磨理論與技術的研究還剛剛起步,許多問題仍需作深入細致研究。主要包括:(1)建立生物非光滑耐磨表面數學模型及其計算機動態模擬。對一些典型的水生、陸生動植物耐磨表面,依據與環境作用和運動方式不同進行分類,選擇基本類型進行數學解析表達,進而通過數學表面的特征參數控制實現生物表面的計算機模擬。(2)建立生物耐磨表面及其耐磨行為與環境影響參數間的動力學方程。選擇典型生物的耐磨表面,揭示其與外界作用系統間相對滑動、轉動等不同運動方式,不同載荷、速度等因素作用時的界面作用力變化規律。(3)定量探索與定性分析典型生物耐磨表面的耐磨機制以及表面形態參數對耐磨效果的影響規律。對指定的典型生物非光滑表面,從表面形態學、化學、環境條件、運動學等幾方面定性定量探索分析光滑與非光滑表面耐磨的機制與規律,考察表面形態參數對耐磨效果的影響規律。(4)生物非光滑耐磨表面在工業應用中的仿生據和評價模型。從生物非光滑耐磨表面的數學描與計算機模擬,到各種材料耐磨表面的加工技術,到耐