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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。