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织构化表面PDMS摩擦副的摩擦与润滑特性:微观机理与应用研究
一、引言
1.1研究背景与意义
在现代工业生产中,机械设备广泛应用于各个领域,然而,摩擦和磨损问题却始终是制约其性能和寿命的关键因素。据统计,世界上的能源消耗中约有1/3-1/2是由于摩擦和磨损造成的,这不仅导致了大量能源的浪费,还增加了生产成本。与此同时,机械设备中约有80%的零件因磨损而失效报废,频繁的设备维修和更换不仅影响了生产效率,还带来了高昂的经济损失。因此,降低摩擦副的摩擦阻力和提高其承载能力,对于改善机械设备的服役性能、提高工作寿命具有重要意义。
表面织构技术作为一种新兴的表面处理方法,通过在摩擦副表面加工出具有一定形貌的微凹坑或微凹槽,能够有效地改善摩擦表面的润滑能力、降低摩擦力以及提高润滑油膜承载能力。这种技术可以减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损,为解决摩擦和磨损问题提供了新的途径。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种常见的有机硅材料,具有优异的化学稳定性、生物相容性、低表面能和良好的柔韧性等特点,被广泛应用于微流控芯片、生物医学、微机电系统等领域。在这些应用中,PDMS与其他材料组成的摩擦副的摩擦与润滑性能直接影响着设备的性能和使用寿命。因此,研究织构化表面PDMS摩擦副的摩擦与润滑特性,对于进一步拓展PDMS的应用领域、提高相关设备的性能具有重要的理论和实际意义。
1.2国内外研究现状
表面织构技术在改善摩擦学性能方面的研究由来已久,国内外众多学者对此进行了大量的研究工作。在表面织构的加工技术方面,已经发展出了激光表面造型技术、表面喷丸处理技术、反应离子刻蚀技术、LIGA技术、电火花加工技术、超声波加工技术、光刻技术、电子束刻蚀和压刻技术等多种方法。其中,激光表面造型技术由于其加工速度快、可在大气环境下进行、无污染、制作简单无需掩膜、加工成本较低、加工方便、效率高、应用范围广等优点,得到了最为广泛的应用。
在织构化表面对摩擦副润滑性能的影响方面,大量研究表明,表面织构能够在流体润滑下增强流体动压力,促进摩擦副表面形成流体动压润滑,进而提高摩擦副表面的承载力和润滑油膜刚度,实现减摩耐磨的作用。在边界润滑下,织构中的油液在表面磨损和变形时流出,形成挤压膜,起到润滑作用;在干摩擦下,织构能够储存和容纳磨屑,减少磨屑的犁沟作用,降低摩擦磨损。此外,表面织构还能减少摩擦副表面间的实际接触面积,减少固体表面的直接接触和粘着,降低摩擦、减小磨损。
然而,目前的研究主要集中在硬质材料,如陶瓷、钢等摩擦副,对于低弹性模量的软材料(如PDMS)摩擦副的研究相对较少。对于PDMS摩擦副,其表面织构因发生接触形变引起润滑液流动,从而对润滑特性产生影响的规律尚不完全清楚。在不同润滑条件下,织构化表面PDMS摩擦副的摩擦与润滑特性的研究还存在许多空白,这限制了表面织构技术在PDMS材料相关领域的进一步应用。
1.3研究内容与方法
本文主要研究织构化表面PDMS摩擦副的摩擦与润滑特性,具体研究内容包括:首先,采用合适的加工技术在PDMS表面制备具有不同几何参数(如形状、尺寸、排列密度等)的织构;其次,利用摩擦试验机,在不同的润滑条件(如干摩擦、液体润滑等)和工况条件(如不同的载荷、转速等)下,对织构化表面PDMS摩擦副的摩擦系数、磨损率等摩擦学性能进行测试和分析;然后,通过数值模拟的方法,建立织构化表面PDMS摩擦副的润滑模型,分析润滑液在织构中的流动特性和压力分布,探讨织构化表面对PDMS摩擦副润滑性能的影响机制;最后,综合实验和模拟结果,优化织构参数,以获得最佳的摩擦与润滑性能。
在研究方法上,本文采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方式。实验研究方面,通过设计并进行一系列的摩擦学实验,获取织构化表面PDMS摩擦副的实际摩擦与润滑性能数据;数值模拟方面,运用计算流体力学(CFD)等方法,对润滑液在织构化表面的流动和润滑过程进行模拟,深入了解其内在机制;理论分析方面,结合流体力学、摩擦学等相关理论,对实验和模拟结果进行分析和解释,为织构化表面PDMS摩擦副的性能优化提供理论依据。
二、相关理论基础
2.1PDMS材料特性
聚二甲基硅氧烷(PDMS),其化学式为[(CH?)?SiO]?,是一种以硅氧键(Si-O)为主链、甲基(-CH?)为侧链的线性有机硅高分子聚合物。这种独特的分子结构赋予了PDMS一系列优异的特性,使其在众多领域得到广泛应用。
PDMS具有低弹性模量,通常在1-10MPa之间,相比金属、陶瓷等传统材料,其弹性模量极低。这使得PDMS在受到外力作用时,容易发生弹性变形,能够较好地适应各种复杂的表面形状。在微流控芯片中,PDMS
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