摘 要

摩擦存在于生活的各个地方，随着科技的发展，摩擦的研究也从宏观发展到微观研究，通过查阅大量资料发现，表面微凸织构对摩擦副摩擦学性能有着重大影响。

首先对摩擦磨损材料超高分子量聚乙烯使用精密数控进行表面形貌加工，共设计3种表面微凸形貌和一种原始形貌。然后选择锡青铜做为对磨副，在自制轴系磨损机CBZ-1试验机上进行对磨试验，选择其中一种试验工况进行分析研究。根据试验机和LI激光干涉位移表面轮廓仪上得到的摩擦系数和磨损形貌及计算得出的磨损量等数据，对4种形貌的摩擦磨损情况进行了比较分析，所得结果对不同表面微凸织构对摩擦副摩擦学性能的影响研究具有重要的指导意义。

论文主要研究了超高分子量聚乙烯不同表面微凸形貌在同一工况下的摩擦磨损规律与机理。

研究结果表明：并不是越光滑的表面摩擦磨损性能越好，在一定情况下，具有特定表面织构的表面具有更好的摩擦磨损性能，本文中在转速50r/min载荷为0.4Mpa的工况下具有正方形三排的表面织构具有更好的摩擦磨损性能。

关键词：表面织构、摩擦、磨损、摩擦系数、表面形貌、超高分子量聚乙烯

Abstract

Friction exists in every place of life. With the development of science and technology, the research of friction has developed from macro to micro research. By consulting a lot of data, it is found that the surface micro-convex texture has a significant impact on the tribological performances of the friction pairs.

First, the surface morphology of the friction and wear material ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) was processed using the precision CNC, and 3 kinds of surface micro-convex morphology and one kind of original morphology were designed. Then, tin bronze was selected as the grinding pair, and the CBZ-1 tester was used to carry out the tests under the different textures and running conditions. One of the test condition was selected to analyze the tribological properties. According to the friction coefficient, wear morphology and the calculated wear amount obtained on the test machine and the LI laser interferometric displacement surface profilometer, the friction and wear conditions of the 4 shapes are compared and analyzed. It has important guiding significance to study the influence of the different surface micro convex texture on the tribological properties of the friction pairs.

In this paper, the friction and wear behaviors and mechanisms of UHMWPE under different surface textures were studied.

The results show that it is not the more smooth surface lead to the better performance of the friction and wear . in certain cases, the friction pair with a specific surface texture has better friction and wear performance. In this paper, the surface texture with a square three row has better friction and wear properties under the running condition of 50r/min and 0.4Mpa.

Key word：Surface texture, Friction, Abrasion, Friction coefficient, Surface topography, Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 仿生摩擦学的研究现状 2

1.2.2 仿生表面织构的研究现状 2

1.2.3 基于表面织构的摩擦磨损研究现状 4

1.3 研究内容 6

第2章 试验设备及内容 7

2.1 试验设备 7

2.1.1 摩擦磨损设备 7

2.1.2 实验设备的使用方法及注意事项 8

2.2 实验目的 9

2.3 试验原理 10

2.3.1 摩擦系数 10

2.3.2 磨损量 10

2.4试验设计 11

2.4.1 试验内容 11

2.4.2 数据采集 11

2.5本章小结 11

第3章 试验材料选择 12

3.1 磨损材料选择及试验前处理 12

3.1.1 摩擦配对副材料选择 12

3.1.2 设计表面形貌 12

3.1.3 实验前处理 13

3.2 磨损材料实验后处理 16

3.2.1 处理仪器介绍 16

3.2.2 实验材料处理 16

3.3 本章小结 17

第4章 实验数据处理及分析 18

4.1 摩擦系数分析 18

4.2 磨损量分析 20

（a）磨损量 21

（b）平均磨损量 21

4.3 磨损形貌分析 22

4.4 本章小结 26

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 研究展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

目的及意义

生活处处有摩擦。天空中飞翔的鸟儿，流水中游动的鱼儿，铁轨上飞驰的火车，世界上没有绝对静止的物体，所有物体都是运动的，只要运动就会伴随着摩擦的作用。

事物都有两面性，摩擦也是，人类利用摩擦的同时也在克服不利摩擦，以此来完成生活所需和社会生产。如果没有摩擦，人类的生活则无法继续；但是，过度摩擦就会造成资源和能源的浪费。现在研究的主要任务是在日常的生产生活中如何控制摩擦，以便人类利用摩擦。

摩擦不仅体现在宏观物体上，微观上面也存在着微观上的摩擦，目前随着科学技术发展越来越快，一些细微零件越来越精细，保护也需要越来专心，而这些零件的主要损伤来源于摩擦。而且摩擦也是一些能源的损耗大部分的只要来源。在金属塑性成形加工中，模具与材料之间存在着摩擦。摩擦在塑性成形中是一种十分常见的现象，它不仅影响成形力的能耗和大小，还会影响零件的表面质量，由于世界上没有绝对光滑的表面，即使金属表面经过加工处理，也不可能是理想的光滑平面，如果使用显微镜观察仍然是粗糙的，仔细观察可以发现表面是由许许多多的凸槽和凹槽组成的凹凸不平的摩擦面^[1]。这就是表面微织构。

大部分零件的报废也是由于摩擦和磨损造成的，所以材料表面的耐磨性能决定了零件的使用寿命。随着机械技术工业的不断发展，对机械零件的要求也越来越高，不仅要求能有较长的工作寿命而且还能在一些特定的条件下稳定工作，比如：高温、高压、高速、高摩擦或者在各种腐蚀条件下。通过查阅资料我们发现：就磨损来说，每年因磨损造成的巨大经济损失，其中材料磨损的消耗量占材料年产量的7%到8%^[2],在资源日趋短缺的情况下，这种损失是一个巨大的问题，所以应尽量减少这类损失。温度、湿度、相对滑动速度、表面粗糙度、法向载荷、磨屑颗粒以及表面形貌等诸多因素都会影响界面的摩擦磨损^[3]。摩擦界面^[4]接触状态的变化会对摩擦磨损产生重大影响，而表面织构化处理会改变表面的几何形貌从而改变摩擦界面，因此表面织构对界面的摩擦学性质有着重要的影响。

国内外研究现状

仿生摩擦学的研究现状

自然选择和适者生存是生物体35亿年来进化过程所遵从的规律，为了适应环境，它们形成了许多优异的生物摩擦学特性，比如人体关节之间的关节液就是为了关节运动而起到了润滑的作用；“出淤泥而不染”的荷叶；土壤类生物为了减小其在土壤之间的摩擦阻力而在表面分泌出的特殊液体；壁虎和苍蝇等动物脚底板的具有极强和脱附能力的超细绒毛结构能够使它们在极陡的物体上如履平地；鸟类的流线型的翅膀形状和光滑的羽毛结构有助于减少飞行过程中的空气阻力；鱼类鱼鳞和鱼皮的特殊结构也可以邮箱的减小游动时的海水阻力，等等。研究由这些微生物演变而来的独特的摩擦学特性有着很大的乐趣。

随着社会的不断进步，仿生技术也不断发展，尤其是对生物摩擦的研究，人们根据一些生物的特有的摩擦学特性，将其进行移植模仿，应用到医学生物技术、航空航天技术、材料科学以及日常的生活生产。摩擦学研究生物系统的结构、性状、原理、行为及相互作用，并应用到日常的生活生产，为人类所利用，目前已成为了摩擦学的发展前沿。

仿生摩擦学是基于仿生应用的前提，并将摩擦学的理论和方法转化为生物运动过程的接触、摩擦、磨损和润滑等结构原理和材料特性的研究，并将其基本理念转化为仿生结构或新材料的研究开发为了解决实际工程问题^[5]。随着仿生摩擦学研究的深人，仿生摩擦的应用越来越广泛，如生命科学、医学、机械科学、材料科学、物理学、化学、力学等多门学科。如何利用生物摩擦学的研究成果，结合人类需求进行工程结构、材料、设计 、加工等理论和实践的仿生转化技术研究，必将成为今后摩擦学的重要研究方向之一。

仿生表面织构的研究现状

随着社会的不断进步和发展，我国的高铁设施也越来越完善，高速列车速度越来越快，但是列车在高速行驶的时候列车与空气会产生剧烈摩擦，不仅对列车的表面产生影响还会产生噪声影响。严重影响了铁路沿线人民的日常生活。目前国内外队高铁残剩的噪声影响都是从宏观考虑，优化车厢结构，改变列车形状等。而我国陈仕洪^[6]则是从仿生方面研究分析，他通过研究发现有仿生表面织构可以减小摩擦，他通过两种表面织构来研究分析列车的空气摩擦声。第一种表面织构是根据鲨鱼的表皮织构在列车上设计了类似鲨鱼皮的菱形表面织构，然后使用Gambit软件进行网格划分，然后结合Fluent软件建立计算模型。最后通过计算区域算区的速度分布、湍动能分布以及噪声分布等，从而得出菱形表面织构的降噪机理。并且进一步通过对菱形表面织构的对角线比、菱形织构的深边比和列车运行速度的研究分析了队空气摩擦噪声的影响。第二种根据雪花的分形织构，在列车表面设计了一层Koch雪花表面织构，同样利用Gambit软件和Fluent软件进行网格划分和建立计算模型。也是通过计算得出计算区域内的噪声分析、速度场分析以及湍动能分布等。并且进一步设计了多样的Koch雪花表面织构，结合圆坑表面织构设计了复合的表面织构，从多角度分析了Koch雪花表面织构对空气摩擦噪声的影响。

近年来，表面沟槽织构的应用也越来越广泛^[7]，例如：风机的风能转换效率可以通过沟槽织构的减阻作用来提高；研究沟槽织构表面在压缩发动机叶片上的作用性能及相对应的表面污染问题；Buttner对于沟槽织构应用于飞机发动机叶片上进行了研究，并测试了其减阻效果。

大量研究成果表明，织构表面的研究已经有了一定的基础，并且应用非常广泛，有着很大的应用潜力。但是对于表面织构的研究难点也只是刚起步，还有很多难点比如：微观织构与湍流的相互作用，其机理比较复杂，还需要更深入的研究；另外，当微织构表面应用于不同的技术复核应用时，其作用机理是否又会发生变化，也是今后值得研究的一个问题。在其应用领域，不同的使用地方要使用怎样的微织构，如何保证其形状精度和材料性能，也是值得研究的问题。

基于表面织构的摩擦磨损研究现状

近年来，国内外许多学者对具有表面织构的摩擦副的摩擦学性能进行了大量研究，并且得到了相关的结论：Buscaglia^[8]指出，特定的最优表面织构在一定工况下（载荷、转速）能够使得摩擦副摩擦学性能最优，所以作者认为对表面织构进行优化设计队摩擦副的减摩耐磨性的优化有着很深的影响。Yu^[9-10]研究分析了单坑模型理论，研究发现不同的坑的形状和方向对共形接触面的摩擦性能也有影响，并且得出凹坑形状和方向对摩擦副的承载能力有很大影响的结论。邓海顺^[11]使用数值分析法研究了表面织构对轴向柱塞泵配对流副低压区的油膜承载力的影响，并且得出结论: 微凹坑的深度和直径对承载力的影响较大较大；凹坑的面积率对承载力也有着很大影响，当面积率为12%~18%时最为合理。

丁行武的研究表明^[12]：不同截面类型的圆形凹坑在不同凹坑相同面积比下呈现出的摩擦系数变化规律相似。通过计算结果可以分析得出各类截面圆形凹坑都存在1个最优织构半径使得摩擦副摩擦系数最低。几种截面凹坑在想同工况下性能表现最优的是矩形截面类圆凹坑，表现性能最差的是三角形截面凹坑。通过增加矩形截面类圆凹坑底面的倾斜度使得摩擦系数显著降低和织构区域的承载力显著增加，并且随着倾斜角度的增大，效果更明显。不同表面形状的矩形截面凹坑通过实验比较可知，长方形、椭圆和三角形类表面具有更优异的摩擦学性能。所以综合来看，摩擦学性能最优的是具有倾斜织构的三角形表面微凹坑。

目前大多数的试验都是针对的对称分布的表面织构，多项研究表明，这些对称的表面织构能有效地降低摩擦系数，因为它们能够有效地减小剪应力和法向支撑力。赵帅和王晓雷^[13]在316不锈钢基体上制备了矩形阵列的圆形凹坑织构使用了光刻电解技术，研究表面织构对5种不同弹性模量的高分子材料磨损性能的影响，试验表明：表面织构表现出的耐磨作用随着毛分子材料的弹性模量的增大耐磨作用越好。

张东亚^[14]制备了发射线阵列和矩形阵列2种圆形凹坑织构在锡基巴氏合金基体上，研究在不同工况下的2种织构的摩擦系数，试验结果表明：具有矩形阵列织构的基体摩擦学性能更优异。王斌等人^[15]对使用激光处理技术后表面织构化的45^#钢试样进行了试验研究分析，试验结果表明：金属材料的磨擦学性能有着显著提高，原因是因为激光处理后的表面织构化可以显著提高表面硬度。Nanbu等^[16]研究了在3种不同的相对运动（表面织构润滑、织构表面运动、无织构表面等）下油膜厚度，实验结果表明，在快速移动表面织构上的织构运动中膜厚最大。

胡天昌等^[17]通过试验研究了表面微凹坑化的GCr15钢试样在不同润滑条件下表现出的摩擦磨损性能，试验结果表明：在干摩擦的条件下，虽然织构化试样的摩擦系数较高，但是表现出耐磨性能较好；在贫油条件下，织构化试样在磨损量和摩擦系数的表现均优于光滑表面试样。李媛等人^[18-19]分别对钢-钢、钢-铜两种表面织构摩擦副进行了磨损试验，分析研究了两种摩擦副配对材料摩擦学性能在不同工况、织构参数和润滑方式下摩擦学性能的表现，试验结果表明：在油润滑的条件下，表面织构的摩擦学性能优于脂润滑，钢-钢表面织构摩擦副的摩擦系数变化比较平稳。马晨波等^[20]研究了分别在摩擦副的上、下表面布置表面织构时的润滑与摩擦磨损性能，试验发现：在贫油条件下当上试样或者下试样具有表面织构时摩擦副的摩擦系数能有效的减小，但下试样具有表面织构时比上试样具有表面织构时效果更好；在富油条件是效果相反；当上下试样均具有表面织构时，在不同的润滑条件下，摩擦系数反而会增大。目前表面织构的研究多集中在金属材料摩擦副，而对于高分子材料与金属材料配对副表面织构以及在水润滑条件下的研究较少。

国内的邓宝清^[21]和国外的Kanafi^[22]的研究发现，非光滑表面织构的摩擦因数在干摩擦条件下不会降低，如图1^[22]所示为光滑表面和凹坑表面织构表面织构的表面摩擦因数和摩擦力与滑动周期关系图。

图1 干摩擦因数和摩擦力与滑动周期的关系

研究内容

本文主要研究具有4种形貌的超高分子量聚乙烯在移动转速和载荷下与锡青铜盘进行对磨，然后分析对比4种形貌下的摩擦磨损情况。

第一章：主要从仿生摩擦、仿生织构以及基于表面织构的摩擦磨损研究等方面介绍了目前国内外学者的研究现状以及取得的成就；

第二章：介绍了磨损试验装置、试验目的、试验原理和试验设计；

第三章：说明了试验选材的原因、对材料的试验前后的处理以及处理仪器的介绍；

第四章：对试验后得到的数据进行处理和分析，从磨擦系数、磨损量以及磨损形貌等方面进行了分析；

第五章：根据试验的数据以及表格和图得出结论。

第2章 试验设备及内容

2.1 试验设备

2.1.1 摩擦磨损设备

在实际中，往往通过实验模拟的方法研究环盘摩擦磨损原理，武汉理工大学船舶机械研究所均建有自己的船舶轴承磨损试验机，由于以下原因：

1. 时间比较短，实验过程能够持续观察参数，保证工况稳定，加快实验进度；
2. 试验机是自己制作所以经济效益高，试验可以通过模拟相似的原理对摩擦学问题进行研究；
3. 本试验机可以在控制可以控制一个或多个影响因素的情况下进行模拟试验；
4. 试验可重复进行多次，数据真实可靠。所以本论文将在自行设计的CBZ-1船舶轴系摩擦磨损试验机进行模拟实验，如图2-1^[23]所示，磨损实验开始后首先主机旋转系统开始工作，然后通过旁边的传感器将实时的数据反映到控制与采集系统，面板就会显示一系列数据。

试样摩擦试验在武汉理工大学CBZ-1型船舶轴系摩擦磨损试验机上进行，所有参数均为在线测量，每隔1秒钟采集一次摩擦系数、转速、扭矩、功率和载荷等。CBZ-1船舶轴系摩擦磨损试验机的转速范围为50r/min~1000 r/min，载荷范围为0~500 N，最大测试扭矩为20N·m，载荷测是精度为±1%，扭矩测试精度为±5%，速度测试精度为±1%。

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