摩擦是自然界存在的一种普遍现象,两个互相接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时,在接触面间产生切向的运动阻力,这种阻力叫做摩擦力。磨损(Wear)是因摩擦力的作用而使材料表面产生渐进式损失,造成材料表面失效的行为,它是机械零部件的三大主要失效形式(即断裂、腐蚀与磨损)之一。冲蚀磨损是磨损中的一种,它广泛存在于蒸汽轮机、管道、离心式压缩机、离心风机、旋风分离器、气体钻井钻杆、节流管汇、天线罩、直升机旋翼等机械产品上,已成为设备失效的重要原因之一。目前,一些优质的复合材料、先进的表面涂层技术或热处理技术均被应用在提高这些零件表面的抗冲蚀性能上,但是,这些方法都有其自身的不足和缺陷。因此,寻找一种新的抗冲蚀方法成为了现在研究中的热点。受仿生学启发,本文以生活在沙漠地区的条斑钳蝎(Mesobuthus eupeus)为生物原型,以生活在亚洲热带雨林中的彼得异蝎(Heterometrus petesii)为参照,对两种蝎子的生活环境特征进行了对比分析,采用显微分析手段对其体表形态结构和微观力学性能进行了对比研究。发现蝎子的各背板之间通过节间膜连接形成凹槽,与彼得异蝎相比,条斑钳蝎背板表面分布有密度不均、直径大小不一的凸包颗粒,并且在背板侧部最为密集,在背甲的中间位置还有由凸包组成的三条脊。虽然彼得异蝎的体型较大,但其凸包结构的大小却不如条斑钳蝎,且在凸包与凸包之间,条斑钳蝎背板表面还覆盖有微米级多边形结构。对比两种蝎子的微观硬度,发现条斑钳蝎的背甲硬度总体大于彼得异蝎,且在凸包集中的位置硬度最高,尤其是其背甲上的脊处。最后,对两种蝎子进行了摩擦系数的测试,摩擦系数测定结果表明,条斑钳蝎与沙子的摩擦系数要高于彼得异蝎于沙子的摩擦系数,它们分别为1.483和1.115。伴随着仿生技术的发展,所需要解决的问题也随之而来。其中,最为亟待解决的两个问题是仿生模型的稀缺和如何证明生物模型具有抗冲蚀性能。本文就针对这两个问题,结合常规的对于冲蚀磨损的评价方法,建立一种新的评价模型。它既可以评价和比较不同生物的抗冲蚀性能,也可以通过对比,证明一种生物具有抗冲蚀性能。这种模型以金属样品为标准,首先,通过测试金属样品在不同冲蚀角度下的冲蚀率,比较了在不同冲蚀角度下冲蚀率的大小。其次,在微观条件下,通过对比和总结粒子与靶材表面碰撞前后的速度变化和冲蚀角度的关系,找出相应的规律。粒子速度分析表明,在不同冲蚀角度下,vp0-vp1的值均不相同,同时,根据力学和受力情况的分析,以摩擦力为依据设立了一种边界条件。vp0-vp1的值的大小要小于边界条件的大小,最后,结合经典的冲蚀磨损理论设计了新的评价模型。为探究活体蝎子在风沙环境下的冲蚀磨损性能,用试验室自制的活体生物抗冲蚀性能在线测试系统对粒子与两种蝎子背甲表面的碰撞过程进行了拍摄,然后对碰撞前后的速度变化进行了分析,用上文所述的评价方法,对沙漠蝎子和雨林蝎子的抗冲蚀性能进行验证。接着,分析了蝎子的曲率结构和凸包结构可以改变粒子对蝎子背甲的冲蚀角度,而凸包结构还可以阻挡粒子对靶材表面的冲击,从而减少靶材表面的受冲蚀面积,起到提高靶材表面抗冲蚀性能的作用。在对条斑钳蝎的形态、结构及尺寸信息进行提取后,本文基于课题组的前期研究,并根据条斑钳蝎背甲的宏观形态、微观结构和及其尺寸以及加工工艺精度,设计了六种具有不同结构的仿生样件,并用两种材料制造出了这些仿生样件,即橡胶材质和不锈钢材质。接着,采用线切割设备、砂轮机对样件进行了后处理,用自制的喷射式冲蚀磨损系统对样件表面进行了冲蚀测试。本文针对不同的仿生样件设计了不同的冲蚀试验,使后续试验结果的参照对比和机理的验证更为直接。在试验对比中,本文以课题组之前所做的结构——凹槽结构——作为对比参照,以确定本文的仿生结构具有更优的抗冲蚀性能。结果表明,适用于橡胶材料的表面微观结构为单一的凸包结构,其仿生表面抗冲蚀磨损性能与之前课题组所制备的凹槽仿生表面提高了约31.9%。适用于金属材料表面的微观结构为凸包和凹槽的耦合结构,其仿生抗冲蚀表面的抗冲蚀性能与之前课题组所制备的凹槽仿生表面相比提高了 50%。新的冲蚀试验方法更好利用了曲率结构的特点,使靶材表面的抗冲蚀性能再次提高了 43.6%。