表面织构仿生疏水设计及其气楔协同润滑控制机理研究

The purpose of the research is to address the novel hydrophobic bionic design concept for the surface texture and investigate the gas-wedge synergistic promotion mechanism in lubrication control system..With the purpose to obtain the hydrophobic effective, the various surface textures were invested; and the solid-liquid-gas three phases coupled model was established by the investigation of the surface topography representation, the kinetics of solid-liquid interface slip and gas-wedge control mechanism; it will reveal the hydrophobic surface texture and its gas-wedge synergistic mechanism in lubrication control system..The research involves: 1. the surface bionic texture with hydrophobic effect and its the texture morphology representation model; 2. the principle of the hydrophobic effected by surface texture and its gas-wedge formation mechanism; 3. the gas-wedge kinetics of the hydrophobic surface texture in the sliding process; 4. the gas liquid lubrication control mechanism based on the morphology of the hydrophobic surface texture..The purpose of the proposal is to investigate the synergistic mechanism between the solid, liquid and gas lubrication control system using the bionic surface hydrophobic effect and new morphology of the surface texture design method can be innovated; its gas-wedge formation mechanism and gas liquid two phase kinematic characteristics provide theory foundation for the gas-liquid friction interface texture design.

申请项目提出表面织构疏水仿生设计新概念及通过气楔协同作用实现润滑控制的学术构想。.研究将以疏水效应为目的，构建表面织构形态；并通过对其形貌表征、固-液界面滑移动力学及其气楔控制机理的研究，建立固-液-气三相耦合模型；揭示疏水表面织构及其气楔协同润滑控制机理。.研究内容涉及：1.构建具有疏水功能的表面仿生织构，并研究其织构形态表征模型；2.表面织构疏水原理及其气楔形成机理研究；3.疏水织构表面滑动气楔运动学及其减摩效应研究；4.基于疏水表面织构形态的气液润滑良性平衡控制机理研究。.申请项目将生物表面疏水效应引入润滑控制中，可望创新出新的表面织构形态及其设计方法，为固-液-气协同润滑控制提供理论基础；其气楔形成机制及气-液两相流运动学特征的研究可为气-液摩擦学界面织构设计提供理论依据。

仿生疏水荷叶多尺度微纳层级结构的构建实现了气层减阻的良性控制。本课题首先通过化学/电化学耦合的方法制备了铜基仿生荷叶的微纳米多尺度的疏水织构。通过微纳结构对仿生疏水的可构性，探讨气体介入到液体润滑系统的可控机制。利用润滑剂中气体的含量变化对密度的变化关系，将变密度变化的度量式引入到流体动力润滑现象的雷诺控制方程中，从而建立气楔协同润滑下的动压润滑数学模型，结果表明疏水结构是控制气体的存在形式是气楔协同润滑减阻的关键。进而通过计算流体动力学仿真，对单尺度微米织构和多重数微纳层级结构表面的静态接触角及微通道流动的动态气层分布形态进行了分析，结果显示多尺度的微纳复合结构能够比单尺度微米结构显著提高并且耦合微米结构为半球形状将达到最佳的疏水性能；同时微通道气层分布形态揭示疏水性能直接影响到气层稳定在固液界面之间的覆盖率；最终对微纳结构的分布密度进行了优化设计将气膜润滑层的表面铺陈率提高到99%。最后进行了润滑性能实验，验证了对仿真的有效性。本研究提出了通过微纳疏水织构设计能够控制气体稳定性的设计新概念并探讨了气体可控性对润滑减阻的机理。项目资助发表论文共15篇，其中SCI收录7篇（两篇为摩擦学国际顶级期刊）。申请了6项国家专利，其中5项发明专利和1项实用新型专利。培养硕士生4名，协助培养博士生1名硕士生1名均已取得学位。项目投入经费250,000元，支出150,490.00元，各项支出基本与预算相符。剩余经费99,510.00元计划用于本项目研究后续支出。