本發(fā)明屬于織構(gòu)化表面減阻領(lǐng)域，涉及具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、摩擦，這一普遍存在于人造、自然及生物系統(tǒng)中滑動(dòng)、滾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)接觸界面的現(xiàn)象，不僅構(gòu)成了現(xiàn)代工程學(xué)的核心課題之一，更是能量耗散的主要來(lái)源，對(duì)于工業(yè)過(guò)程中的能效和成本效率具有深遠(yuǎn)影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球總能源消耗中，約有23％是由于摩擦接觸造成的。在這一比例中，有大約20％的能源被用于克服摩擦本身，而剩余的3％則用于替換由于磨損及相關(guān)故障損壞的部件和制造備用設(shè)備(見holmberg?k,erdemir?a.et?al.friction(2017))。發(fā)達(dá)國(guó)家每年由于摩擦磨損導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2％～7％(見p,franek?f,assenova?e.et?al.ind?lubr?tribol(2003))。特別是在機(jī)械部件中，80％機(jī)械部件的失效是由磨損引起的。因此，深入研究并優(yōu)化接觸表面特性以減少摩擦，對(duì)于能源節(jié)約和提高機(jī)械部件的壽命及可靠性具有重要意義。

2、當(dāng)前的減摩策略包括潤(rùn)滑劑的改進(jìn)、表面改性技術(shù)以及開發(fā)表面微織構(gòu)。表面微織構(gòu)技術(shù)通過(guò)優(yōu)化物體的表面結(jié)構(gòu)，可以在不需額外能量輸入的情況下有效減少摩擦，且無(wú)環(huán)境污染，成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。根據(jù)潤(rùn)滑條件，固體表面上的微織構(gòu)可以儲(chǔ)存磨屑、潤(rùn)滑油以及在流體潤(rùn)滑條件下提供額外的流體動(dòng)壓力來(lái)減小摩擦系數(shù)。為了增強(qiáng)織構(gòu)化表面的減阻能力，已有大量研究深入探索了包括分形微織構(gòu)、復(fù)合微織構(gòu)、梯度微織構(gòu)等在內(nèi)的各種表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，wang等人發(fā)現(xiàn)，結(jié)合不同大小凹坑的分形微織構(gòu)的承載能力是無(wú)織構(gòu)表面的3.3倍(見wang?xl,adachi?k,otsuka?k.et?al.appl?surf?sci(2006))。在微織構(gòu)的多形狀控制方面，segu等人發(fā)現(xiàn)，多尺度設(shè)計(jì)可以在潤(rùn)滑條件下顯著降低摩擦系數(shù)，減少幅度可達(dá)75％(見segu?dz,choi?sg,hyouk?choi?j.et?al.appl?surf?sci(2013))。在優(yōu)化微織構(gòu)分布方面，xu等人利用遺傳算法優(yōu)化了微織構(gòu)分布以減小摩擦，與未優(yōu)化的微織構(gòu)表面相比，摩擦系數(shù)降低了21.6％(見xu?sy,nguyen?v,guo?xy.et?al.indlubr?tribol(2021))。此外，wu等人展示了在推力軸承表面加工漸變織構(gòu)在降低摩擦扭矩方面的有效性，與無(wú)織構(gòu)的軸承相比，摩擦扭矩降低了10.5％(見wu?c,yang?k,ni?j.etal.friction(2023))。雖然目前在微織構(gòu)表面的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了一些進(jìn)展，但在摩擦過(guò)程中逐漸降低的微織構(gòu)深徑比所導(dǎo)致的摩擦學(xué)性能惡化的挑戰(zhàn)仍未解決。

3、微織構(gòu)的深徑比是微織構(gòu)表面的一個(gè)特征參數(shù)，表面微織構(gòu)的深徑比直接決定了流體動(dòng)力潤(rùn)滑和表面的承載能力，會(huì)顯著影響減阻效率。然而，磨損周期中的機(jī)械磨損會(huì)顯著改變表面微織構(gòu)的深徑比，使得深徑比偏離原來(lái)的優(yōu)化值，導(dǎo)致摩擦副的摩擦學(xué)性能的穩(wěn)定性降低。因此，若能開發(fā)一種能夠在有效范圍內(nèi)保持微織構(gòu)的深徑比的微織構(gòu)表面及其加工方法，對(duì)于保持摩擦學(xué)性能的穩(wěn)定性具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)織構(gòu)化表面隨著微織構(gòu)的磨損，微織構(gòu)的深徑比會(huì)逐漸降低，導(dǎo)致織構(gòu)化表面的減阻性能降低和減阻效果不穩(wěn)定的問(wèn)題，本發(fā)明提供了具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面及其制備方法，以使得織構(gòu)化表面在磨損過(guò)程中更好地保持微織構(gòu)的深徑比，增加織構(gòu)化表面減阻效果的穩(wěn)定性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面，該減阻表面是在基材的表面加工若干離散分布的分級(jí)微織構(gòu)得到的，各分級(jí)微織構(gòu)均由n級(jí)微織構(gòu)組成，n為2～5之間的整數(shù)；各分級(jí)微織構(gòu)起始于第一級(jí)微織構(gòu)、終止于第n級(jí)微織構(gòu)，第一級(jí)微織構(gòu)開口于基材表面；各級(jí)微織構(gòu)是底面呈平面的微凹坑；相鄰兩級(jí)微織構(gòu)之間相互銜接并貫通，下一級(jí)微織構(gòu)起始于上一級(jí)微織構(gòu)的底面并向從第一級(jí)微織構(gòu)到第n級(jí)微織構(gòu)的方向延伸，各級(jí)微織構(gòu)同軸設(shè)置；在各分級(jí)微織構(gòu)中，下一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積小于均上一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積。

4、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，各分級(jí)微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同。

5、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，所述上一級(jí)微織構(gòu)的級(jí)數(shù)比下一級(jí)微織構(gòu)的級(jí)數(shù)小1，所述下一級(jí)微織構(gòu)的級(jí)數(shù)比上一級(jí)微織構(gòu)的級(jí)數(shù)大1，具體而言，第k級(jí)微織構(gòu)是第k+1級(jí)微織構(gòu)的上一級(jí)微織構(gòu)，第k+1級(jí)微織構(gòu)是第k級(jí)微織構(gòu)的下一級(jí)微織構(gòu)，k為整數(shù)且1≤k≤n-1。

6、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，在各分級(jí)微織構(gòu)中，上一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積與下一級(jí)微織構(gòu)的橫截面的面積之比優(yōu)選為(2～4):1。

7、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，在各分級(jí)微織構(gòu)中，第一級(jí)微織構(gòu)的深度在微米級(jí)、第一級(jí)微織構(gòu)的橫截面的尺寸在微米級(jí)。所述微織構(gòu)的橫截面的尺寸是指，微織構(gòu)的橫截面上距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離。

8、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，第一級(jí)微織構(gòu)的密度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定，通常，第一級(jí)微織構(gòu)的密度為10％～20％。所述第一級(jí)微織構(gòu)的密度是指第一級(jí)微織構(gòu)在單位面積上的面積占比。在確定第一級(jí)微織構(gòu)的密度后，根據(jù)上一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積與下一級(jí)微織構(gòu)的橫截面的面積之比可以確定第二級(jí)微織構(gòu)～第n級(jí)微織構(gòu)的密度。

9、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，在各分級(jí)微織構(gòu)中，各級(jí)微織構(gòu)的橫截面形狀可以相同，也可以不相同；優(yōu)選地，在各分級(jí)微織構(gòu)中，各級(jí)微織構(gòu)的橫截面形狀相同。

10、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，各級(jí)微織構(gòu)的橫截面形狀根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定，例如，各級(jí)微織構(gòu)的橫截面形狀可以為圓形或多邊形，例如圓形、正方形、長(zhǎng)方形、三角形等。

11、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，在各分級(jí)微織構(gòu)中，各級(jí)微織構(gòu)的深徑比相等，各級(jí)微織構(gòu)的深徑比根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定即可。

12、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，當(dāng)微織構(gòu)的橫截面形狀為圓形時(shí)，深徑比是指微織構(gòu)的深度與直徑之比；當(dāng)微織構(gòu)的橫截面形狀為正方形時(shí)，深徑比是指微織構(gòu)的深度與邊長(zhǎng)之比；當(dāng)微織構(gòu)的橫截面形狀為三角形時(shí)，深徑比是指微織構(gòu)的深度與三角形的外接圓的直徑之比。當(dāng)微織構(gòu)的形狀不同時(shí)，微織構(gòu)的最優(yōu)深徑比會(huì)有所不同，當(dāng)微織構(gòu)的形狀確定之后，微織構(gòu)的深徑比參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定即可。例如，對(duì)于橫截面為圓形的微織構(gòu)而言，微織構(gòu)的深徑比可以在0.05～0.2范圍內(nèi)選擇，第一級(jí)微織構(gòu)的直徑可以在120～200μm范圍內(nèi)選擇，第一級(jí)微織構(gòu)的深度可以在10～40μm范圍內(nèi)選擇。

13、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，各級(jí)微織構(gòu)的深徑比相等，各級(jí)微織構(gòu)的橫截面形狀最好相等，當(dāng)?shù)谝患?jí)微織構(gòu)的深徑比確定之后，根據(jù)第一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積、形狀一級(jí)第一級(jí)與第二級(jí)微織構(gòu)的橫截面積之比，可確定第二級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積與形狀，再結(jié)合微織構(gòu)的深徑比，即可確定第二級(jí)微織構(gòu)的深度，依次類推，可以確定各級(jí)微織構(gòu)的深度。

14、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，各分級(jí)微織構(gòu)中的各級(jí)微織構(gòu)的軸線均垂直于基材加工了分級(jí)微織構(gòu)的表面。

15、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，第一級(jí)微織構(gòu)在基材表面的分布形式，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定即可，例如可以均勻分布，非均勻分布，陣列分布等。

16、上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的技術(shù)方案中，微織構(gòu)的級(jí)數(shù)主要取決于微織構(gòu)的加工技術(shù)水平，微織構(gòu)的級(jí)數(shù)越多(即n的取值越大)，分級(jí)微織構(gòu)的加工難度越大，n的取值上限受限于微織構(gòu)加工技術(shù)的水平。

17、本發(fā)明還提供了上述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面的制備方法，包括以下步驟：

18、(1)將基材待加工微織構(gòu)的表面清洗干凈并干燥；

19、(2)利用飛秒激光在清洗干凈的基材表面依次加工第一級(jí)微織構(gòu)到第n級(jí)微織構(gòu)，即得具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面。

20、上述方法的技術(shù)方案中，步驟(2)采用的飛秒激光的光束直徑為10～50μm，脈沖寬度200～600fs，中心波長(zhǎng)為800～1600nm。

21、上述方法的技術(shù)方案中，所述飛秒激光的功率為20～50w，掃描速度為20～80mm/s，重復(fù)頻率為30～80khz。

22、上述方法的技術(shù)方案中，由于所述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面通常位于摩擦副的表面，即基材是摩擦副的一部分，因此，基材的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式取決于摩擦副的應(yīng)用場(chǎng)景，例如，基材的材料可以是金屬、合金、陶瓷等。

23、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案可以產(chǎn)生以下有益的技術(shù)效果：

24、1.本發(fā)明提供了一種具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面，該減阻表面是在基材的表面加工若干離散分布的分級(jí)微織構(gòu)得到的，各分級(jí)微織構(gòu)均由n級(jí)微織構(gòu)組成，n為2～5之間的整數(shù)；各分級(jí)微織構(gòu)起始于第一級(jí)微織構(gòu)、終止于第n級(jí)微織構(gòu)，第一級(jí)微織構(gòu)開口于基材表面；各級(jí)微織構(gòu)是底面呈平面的微凹坑；相鄰兩級(jí)微織構(gòu)之間相互銜接并貫通，下一級(jí)微織構(gòu)起始于上一級(jí)微織構(gòu)的底面并向從第一級(jí)微織構(gòu)到第n級(jí)微織構(gòu)的方向延伸，各級(jí)微織構(gòu)同軸設(shè)置；在各分級(jí)微織構(gòu)中，下一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積均小于上一級(jí)微織構(gòu)的橫截面面積。本發(fā)明通過(guò)設(shè)置由多級(jí)微織構(gòu)組成的分級(jí)微織構(gòu)，賦予織構(gòu)化表面在摩擦減阻過(guò)程中自我恢復(fù)深徑比的能力，促進(jìn)微織構(gòu)在磨損周期中反復(fù)過(guò)渡到最佳的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，以使得織構(gòu)化表面在磨損過(guò)程中更好地保持微織構(gòu)的深徑比，增加織構(gòu)化表面減阻效果的穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案可以解決在摩擦過(guò)程中因微織構(gòu)的深徑比逐漸降低而造成的摩擦學(xué)性能惡化的問(wèn)題。

25、2.本發(fā)明通過(guò)線性往復(fù)滑動(dòng)摩擦測(cè)試發(fā)現(xiàn)：對(duì)于僅具有一級(jí)微織構(gòu)的現(xiàn)有織構(gòu)化表面而言，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其摩擦系數(shù)逐漸增加，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到10×105之后，其摩擦系數(shù)已經(jīng)與未設(shè)置微織構(gòu)的基材的摩擦系數(shù)一致，說(shuō)明此時(shí)普通微織構(gòu)已經(jīng)因長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)摩擦而失效，這主要是由于在摩擦過(guò)程中一級(jí)微織構(gòu)的深徑比逐漸降低所造成的；相對(duì)而言，本發(fā)明的實(shí)施例1中采用了兩級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面，在摩擦周期中其摩擦系數(shù)穩(wěn)定地保持在較低水平，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為15×105時(shí)，其摩擦系數(shù)仍然與其初次循環(huán)時(shí)的摩擦系數(shù)相當(dāng)，這主要是得益于其分級(jí)微織構(gòu)在磨損過(guò)程中可更好地保持深徑比。相對(duì)于僅具有一級(jí)微織構(gòu)的現(xiàn)有織構(gòu)化表面，本發(fā)明所述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面可以實(shí)現(xiàn)至少4.8％的摩擦系數(shù)減少和77.1％的穩(wěn)定性系數(shù)提高。這證實(shí)了本發(fā)明所述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面在穩(wěn)定減阻方面的有效性。

26、3.本發(fā)明所述具有分級(jí)微織構(gòu)的穩(wěn)定減阻表面可有效的解決了微織構(gòu)表面減阻不穩(wěn)定的問(wèn)題，為解決微織構(gòu)摩擦減阻技術(shù)中的耐用性挑戰(zhàn)提出了新思路，為微織構(gòu)在機(jī)械和生物工程領(lǐng)域的進(jìn)步和多樣化應(yīng)用提供了新的動(dòng)力和方向。