弹性体摩擦副多效应协同作用下表面织构的设计方法

表面织构(surface texture)已被证明是一种改善表面摩擦学特性的有效手段。对高分子的弹性体材料（elastomer）而言，除一般要考虑的因素之外，表面的挤压/剪切变形、界面的浸润性对其液体润滑特性具有重要的影响。在已有研究基础上，本课题拟定量测量弹性体变形过程中表面织构的润滑行为；建立融合表面接触挤压/剪切形变、流体动压、表面浸润性等效应的弹性体润滑模型；根据理论研究结果并吸取仿生学的研究发现，分别以增加摩擦和减小摩擦为目标，提出弹性体表面织构的设计与优化方案；并开展摩擦学实验进行验证。本课题的研究成果将为唇形密封、人工关节、仿生机器人等"软摩擦"接触面的织构设计提供依据。

近二十年来，随着人类对表面微观物理及化学现象的理解的深入，随着先进制造技术的发展，表面织构作为一种改善表面摩擦学特性的有效手段，已在汽车发动机、端面密封等领域得到广泛的应用，成为实现机械设备高效、小型化、以及高可靠性的一个有效途径。除陶瓷、金属等硬质材料之外，低弹性模量材料，如橡胶、高分子材料等，也是机械设备和摩擦副中使用的一类重要材料。如橡胶可用于流体机械中的唇型密封，超高分子量聚乙烯常用于人工关节等。与金属、陶瓷等材料相比，橡胶和高分子材料具有较低的弹性模量和硬度，并且表面特性较为复杂，缺乏表面织构的设计理论和方法。所以，开展针对低弹性模量材料表面织构设计的研究具有重要的理论意义和实用价值。..橡胶和高分子材料除弹性模量较低之外，其表面能和表面浸润性与金属差异较大，所以其表面织构设计和硬质材料相比，需考虑更多的因素。课题的研究过程中，首先，重点对PDMS（聚二甲基硅氧烷）和UHMWPW（超高分子量聚乙烯）等低弹性模量材料的表面织构设计开展研究，并与金属等硬质材料进行了对比，提出了低弹性模量材料的表面织构设计除考虑流体动压效应、润滑液存储效应之外、需要考虑表面接触应力/形变、表面浸润性、液体的蠕爬及铺展等多种效应的观点，并总结了其影响规律；其次，在开展广泛需求的减小摩擦和磨损的表面织构设计理论研究的基础上，首次开展了蝾螈的足掌结构及攀爬能力的研究，并从蝾螈的足掌结构获得灵感，开展了可以增加摩擦的表面织构的研究工作, 分析了其影响机理，获得了影响其摩擦学性能的关键因素，归纳总结了表面织构的设计方法；随后，为满足多种材料表面织构化的需求，开展了表面微细织构的加工技术研究，提出了多相磨粒射流的加工方法；最后，利用创新技术理论对表面织构的发展进行了总结和展望。