材料研究学报(中文版)  2018 , 32 (3): 191-199 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.270

研究论文

织构表面在油和水中的润湿性及摩擦学性能

马明明, 连峰, 姜康, 张会臣

大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 大连 116026;

Wettability and Tribological Performance of Texture Surface in Oil and Water

MA Mingming, LIAN Feng, JIANG Kang, ZHANG Huichen

College of Transporation Equipments and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;

中图分类号:  TG146

文章编号:  1005-3093(2018)03-0191-09

通讯作者:  通讯作者 连峰,教授, lianfeng1357@163.com, 研究方向为摩擦与润滑和先进制造技术

收稿日期: 2017-04-20

网络出版日期:  2018-03-25

版权声明:  2018 《材料研究学报》编辑部 《材料研究学报》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金(51275064和50975036),中央高校基本科研业务费专项资金(3132016354),辽宁省工业公关计划(2012220006)

作者简介:

作者简介 马明明, 男, 1989年生, 硕士生

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摘要

为研究织构形貌对表面润湿性和摩擦学性能的影响,建立凹坑表面流体动压润滑数学模型,计算底面为正方形的棱柱和圆台形凹坑表面的润滑膜动压承载力。计算结果表明,凹坑面积率为19.6%时,圆台形凹坑表面的流体动压润滑膜承载力是棱柱凹坑表面的2.4倍。利用激光加工技术,在5083船用铝合金表面加工与数学模型一致的棱柱形和圆台形凹坑织构,利用低表面能修饰和溶胶凝胶法涂敷SiO2改变表面润湿性能。接触角测试显示,棱柱形凹坑表面的接触角比圆台形凹坑表面大2°~4°。摩擦实验显示,将织构和化学组分相结合的双疏表面可以显著地提高摩擦学性能。圆台形凹坑表面的摩擦学性能优于棱柱形凹坑表面,与计算结果相符。凹坑形貌对表面摩擦学性能的影响大于对表面润湿性的影响。

关键词: 材料表面与界面 ; 摩擦学性能 ; 织构 ; 润滑膜承载力 ; 润湿性 ; 润滑介质

Abstract

In order to study the effect of the form of surface texture on the wettability and tribological performance of materials in oil and water, a theoretical model of hydrodynamic lubrication of textured surface is established to calculate the carrying capacity of the hydrodynamic lubricating film for material with surface texture composed of prism- and cone frustum- like concaves. The calculated results indicate that the carrying capacity of the hydrodynamic lubricating film of the surface with cone frustum-like concaves is 2.4 times larger than that with prism-like ones in case of the area ratio of concaves is 19.6%. According to the above theoretical mode, surface texture composed of prism- and cone frustum-like concaves respectively was established on 5083 Al-alloy via laser processing and then was surface modified with sol-gel SiO2 coating of low-surface energy. The test result shows that the contact angle of the surface with prism-like concaves is 2°~4° bigger than that with cone frustum-like ones. While with two surface textures plus amphiphobic coating, the tribological performance the 5083 Al-alloy can be significantly enhanced. Besides, the tribological performance of the 5083 Al-alloy with surface texture of cone frustum-like concaves is better than that of prism ones, which is consistent with the calculation results. Finally, the effect of the shape of concaves on the tribological performance is greater than that on the wettability.

Keywords: surface and interface in the materials ; tribological performance ; texture ; lubricating film carrying capacity ; wettability ; lubricant

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马明明, 连峰, 姜康, 张会臣. 织构表面在油和水中的润湿性及摩擦学性能[J]. 材料研究学报(中文版), 2018, 32(3): 191-199 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.270

MA Mingming, LIAN Feng, JIANG Kang, ZHANG Huichen. Wettability and Tribological Performance of Texture Surface in Oil and Water[J]. Chinese Journal of Material Research, 2018, 32(3): 191-199 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.270

表面织构能够十分有效地增加流体动压效应[1]。Tonder[2]认为表面织构产生流体动压效应的原因是织构产生类似Rayleigh轴承的阶梯效应,并阻碍压力区内润滑油的流动。表面织构导致摩擦副构件间的润滑膜厚度产生一系列规律性的变化,在织构边缘处形成收敛的锲形间隙,使润滑膜产生流体动压效应而具有一定的承载力,进而改善润滑作用,提高表面摩擦学性能[3,4]。Wang等[5]研究了水润滑条件下表面织构对承载力的影响,实验得到的织构参数对承载力的影响规律与按流体动压理论得到的理论规律类似,说明即使在水润滑条件下,通过表面织构获得的流体动压润滑效果也是显著的。Ma等[6]为研究织构参数在动压润滑条件下对摩擦系数的影响,建立了动压润滑模型仿真求解摩擦系数。求得的摩擦系数大约在0.02~0.08之间。在仿真结果的基础上,建立了最优参数设计模型,对凹坑尺寸进行优化计算,并通过摩擦实验进行验证。尽管实验测得的摩擦系数大约在0.1~0.25之间,最大值可达0.55,但摩擦系数随织构参数变化的趋势与仿真研究结果相符。他们的研究表明,通过动压润滑模型优化设计织构参数是可行的,它可以提供对表面织构摩擦学设计的理论参考。

表面织构直接影响表面润湿性,将表面织构和润湿性有机结合的超疏水表面以其在摩擦学领域表现出的卓越性能而备受关注[7]。Li等[8]通过化学刻蚀和水浴处理制备微结构,结合涂覆硬脂酸获得了超疏水的铝合金表面。在干摩擦条件下的摩擦实验表明,超疏水的铝合金表面具有优异的减摩性能。Wang等[9]采用喷涂烧结技术将低表面能物质涂覆在铝合金表面,获得了即疏水又疏油的双疏表面。以油田产出水为润滑介质的摩擦实验结果显示,随着试样表面疏水性能的提高,其表面摩擦学性能也明显提高。严诚平等[10]采用微细掩膜脉冲电解加工技术在锡青铜表面制备微结构,并辅以低表面能处理得到不同润湿性表面,油润滑条件下的摩擦实验表明,微结构化的低润湿性表面具有优异的摩擦学性能。

铝合金是工业中应用最广泛的有色金属材料,广泛应用在航空航天、机械电气、海洋工程等领域[11,12],研究其在各种润滑介质中的摩擦学性能具有重要意义[13,14]。本研究利用MATLAB软件建立流体动压润滑模型,计算棱柱形和圆台形凹坑织构表面的动压润滑膜承载力,为优化凹坑形貌提供理论依据。采用激光加工技术在5083船用铝合金表面制备棱柱形和圆台形的表面凹坑织构,利用涂覆SiO2和化学修饰改变表面润湿性,分别在水、海水和油介质中进行摩擦实验,探讨凹坑形貌对表面润湿性和摩擦学性能的影响。

1 数学计算模型

基于流体力学中的Reynolds方程,采用Half-Sommerfeld边界条件,利用MATLAB数值计算的方法计算织构动压润滑膜承载力。仅考虑动压效应项的Reynolds方程如公式(1)所示:

xh3px+yh3py=6hx(1)

式中,xy为二维坐标系;p为润滑膜的压力(Pa);η为润滑介质的动力黏度(Pas);h为润滑膜厚度(m);U为摩擦副相对运动速率(m/s)。

分别建立棱柱形和圆台形凹坑的织构润滑模型,如图1所示。设每个微凹坑均处于边长为L的棱柱形单元内,则在织构单元内摩擦副构件间润滑膜厚度可由公式(2)计算。

h=h(x,y)h0(x,y)Atextureelse(2)

式中,h(x, y)为点(x, y)在织构坐标系中润滑膜的厚度;h0为最小润滑膜厚度;Atexture为凹坑区域。

图1   摩擦副和织构单元示意图

Fig.1   Schematic diagrams of friction pair and texture cell: (a) prism, (b) cone frustum

以润滑膜无量纲平均压力Pa作为衡量润滑膜承载力大小的指标,Pa值越大说明动压润滑膜承载能力越大,摩擦学性能越好。Pa可由公式(3)计算:

Pa=P(x,y)dxdyAcell(3)

式中,P(x, y)为(x, y)处的压力值;Acell为计算单元的面积。

激光加工的圆台形凹坑的上半径R为50 μm,此时的凹坑面积率sp(凹坑面积占织构单元面积的百分比)为19.6%。在面积率相同的条件下,激光加工棱柱形凹坑的边长为89 μm。计算单元边长L=200 μm,深度hp=30 μm,圆台形织构的下半径r=35 μm。最小润滑膜厚度h0为2 μm[15,16],工况参数U=0.05 m/s,油(正十六烷)介质的动力粘度η为0.003720 Pas。

Acell单元内的无量纲流体动压分布如图2所示。图中虚线部分为织构表面的凹坑轮廓,在计算单元右侧的润滑膜压力为正,且在凹坑右侧边缘处出现压力最大值。这是由于在滑动速度方向上,凹坑右侧与摩擦副之间形成收敛。相应地,由于发散锲的作用,在织构单元左侧部分出现了负的压力分布。根据流体动压润滑成膜理论,负压力区会发生空化现象,由于空化现象的存在导致发散锲处负压力的产生受到抑制,避免了润滑膜正负压力抵消,从而使润滑膜产生额外的承载力。因此,在计算Pa时只考虑了正压力。

图2   油介质中的无量纲润滑膜压力分布

Fig.2   Dimensionless lubricating film pressure distributions in oil: (a) prism, (b) cone frustum

对比图2a和b可见,凹坑形貌对润滑膜动压力的大小和分布具有很大影响。油润滑条件下,棱柱形和圆台形凹坑表面润滑膜的无量纲平均压力Pa分别为1.47和3.59。圆台形凹坑产生的润滑膜无量纲平均圧力约是棱柱形凹坑的2.4倍。

2 实验材料及方法

2.1 织构的制备

采用厚度3mm的5083船用铝合金板为基材,化学成分(质量分数,%)为:Mg 4.0~4.9、Si 0.40、Fe 0.40、Cu 0.10、Mn 0.40~1.0、Zn 0.25、Cr 0.05~0.25、Ti 0.05~0.25,Al 余量。将铝合金板切割成20 mm×20 mm的棱柱形试样,精磨并抛光获得抛光试样(以下简称polishing)。采用HGL-LSY50F激光打标机加工表面凹坑织构(激光波长λ=1064 nm,输出功率P=50 W,频率f=5 kHz)。对激光加工表面飞溅物进行抛光处理,获得空白织构试样。

2.2 表面润湿性的改变

为改变表面润湿性需要配置3种溶液。环氧树脂溶液(依次向50 mL丙酮中滴加5 mL环氧树脂、1 mL聚酰胺树脂及0.1 mL促进剂(2, 4, 6-三二甲氨基甲基苯酚,95%)并搅拌均匀);SiO2分散液(50 mL无水乙醇中加入0.5 g粒径20 nm 的SiO2微粒,滴加0.25 mL偶联剂(α-氨丙基甲基二乙氧基硅烷,97%),超声分散3 h);低表面能溶液(100 mL无水乙醇中加入0.5 mL的1H, 1H, 2H, 2H-全氟烃基三乙氧基硅烷(PFO,97%),并搅拌均匀)。

低表面能修饰试样的制备方法是:将空白织构试样浸没于低表面能溶液中,取出后置于100℃的干燥箱烘干5 h。涂覆SiO2试样的制备方法是:利用旋涂仪将环氧树脂溶液均匀地旋涂于试样表面(旋涂仪的转速2500 r/min,旋转时间10 s),室温下风干30 min后,浸涂SiO2分散液,取出后置于100℃的干燥箱烘干5 h。然后按照上述低表面能修饰试样的制备方法完成低表面能修饰。

2.3 试样的表征

采用LEXT OLS4000 3D激光共聚焦显微镜表征试样表面形貌。采用GX51金相显微镜观察织构的横截面形貌。采用Easy-Drop型接触角测量仪测量试样表面对水(蒸馏水)、海水(人工配制[17],105 g/L NaCl+12.55 g/L MgCl2+12.15 g/L CaSO42H2O+7.7 g/L MgSO47H2O+0.5 g/L CaCO3)和油(正十六烷)的接触角。采用可读式手动角位台,测量试样表面对水、海水和油的滚动角。利用GB285型运动粘度测试仪测定蒸馏水、海水和油的运动粘度分别为0.001005 Pas、0.001045 Pas和0.003720 Pas。采用TM3000台式电子显微镜观察磨痕。采用SUPRA 55 SAPPHIRE场发扫描电子显微镜进行能谱分析。

2.4 摩擦性能实验

采用HSR-2M型高速往复摩擦试验机进行摩擦学性能测试。实验温度为室温,环境相对湿度为40%~45%,载荷为5 N,配偶件为ϕ4 mm的Si3N4球,往复行程为5 mm,往复频率为5 Hz,摩擦时间为20 min。润滑介质分别为水(蒸馏水)、海水(人工配制)和油(正十六烷)。磨损体积可由公式(4)计算。

ΔV=S×l-V(4)

式中,ΔV为磨损体积;S为磨痕轮廓横截面积(由LEXT OLS4000 LEXT自带软件测得); l为磨痕长度(5 mm); V为磨痕中凹坑所占的体积。

3 结果与讨论

3.1 表面形貌

按照前述数学计算的凹坑几何参数进行激光加工。图3为激光加工后的试样表面形貌。可以看出,经激光加工的试样表面呈现规则的阵列分布。图4为激光加工的凹坑横截面形貌。结合图3和4可以看出,激光加工的凹坑形状分别为底面是正方形的棱柱和上大下小的圆台形。

图3   表面织构的三维形貌

Fig.3   3D topographies of surface textures (a) prism and (b) cone frustum

图4   凹坑的横截面形貌

Fig.4   Cross-section topographies of dimples:
(a) prism, (b) cone frustum

3.2 表面的润湿性能

空白织构试样、低表面能修饰试样和涂覆SiO2试样对水、海水和油的接触角和滚动角如表1所示。

表1   试样的接触角和滚动角

Table 1   Contact angle and rolling angle of specimens (°)

DropletPolishingBlank textureLow energyWith SiO2
PrismCone frustumPrismCone frustumPrismCone frustum
Contact angleRolling angleContact angleRolling angleContact angleRolling angleContact angleRolling angleContact angleRolling angleContact angleRolling angleContact angleRolling angle
Water71.8<5<5/158.0/154.8/163.32.1160.72.5
Sea-water65.3<5<5/146.1/144.2/155.83.5153.84.4
Oil53.3<5<5/118.2/114.6/128.7/125.2/

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表1可以看出,低表面能修饰和涂覆SiO2制备出了即疏水又疏油的双疏铝合金表面,且棱柱形凹坑表面的接触角大于圆台形凹坑表面的。滚动角测量结果表明,液滴在空白试样和低表面能修饰试样表面均不滚动,说明试样表面符合Wenzel状态[18],接触角可由公式(5)计算:

cosθw=rwcosθe(5)

式中,θw为Wenzel模式下的表征接触角;θe为固有接触角;rw为粗糙度因子(粗糙表面的实际接触面积与垂直投影面积之比)。

根据图1,棱柱形织构和圆台形织构表面的粗糙度因子rwsrwc分别如公式(6)和(7)所示。

rws=L2+4(ahp)L2(6)

rwc=π(R+r)(R-r)2+hp2+L2+π(r2-R2)L2(7)

计算得到棱柱形织构和圆台形织构表面的粗糙度因子rwsrwc分别为1.27和1.12。测得低表面能修饰抛光试样表面的水、海水和油的接触角(即固有接触角θe)分别为122.6°、116.5°和100.7°。利用公式(5)计算出低表面能修饰的棱柱形织构表面对水、海水和油的表征接触角分别为133.2°、124.5°和103.7°,圆台形织构表面对水、海水和油的接触角分别为127.1°、120.0°和102.0°。理论计算的棱柱形织构表面对水、海水和油的接触角均大于圆台形织构表面,与实验结果相符。由于实际加工的织构表面为粗糙表面,因此实际测量的表面接触角大于计算的接触角。

而涂覆SiO2则使试样表面对水和海水产生了很小的滚动角,且棱柱形凹坑的滚动角小于圆台形凹坑的,说明表面符合Cassie状态[19],表征接触角可根据公式(8)和(9)计算。

cosθc=-1+ϕs1+cosθe(8)

ϕs=1-AtextureL2(9)

式中,θc表示Cassie模式下的表征接触角; ϕs表示液滴与固体的接触面积占复合界面的面积分数。根据公式(9)可以计算出棱柱形和圆台形织构表面的 ϕs均为0.80。测得涂覆SiO2抛光试样表面的水、海水和油的接触角(即固有接触角θe)分别为147.8°、141.5°和109.3°。计算的棱柱形和圆台形织构表面的接触角均为151.3°、145.7°和117.7°。但由于棱柱形凹坑的体积大于圆台形凹坑的,更有利于截留空气,因此实测接触角更大。

3.3 表面的摩擦系数

各试样在水、海水和油介质中的摩擦系数曲线如图5所示。由图5可以看出,在水、海水和油3种润滑介质中,抛光试样的摩擦系数最大,低表面能修饰试样的摩擦系数减小,涂覆SiO2试样的摩擦系数最小,圆台形凹坑表面的摩擦系数小于棱柱形凹坑表面的。

图5   棱柱形和圆台形凹坑表面在不同介质中的摩擦系数

Fig.5   Friction coefficients of the surfaces with the texture of prism (a, c, e) and cone frustum (b, d, f) in water (a, b), sea water (c, d) and oil (e, f)

将各试样的平均摩擦系数列于表2。与单纯的织构表面即空白织构试样相比,将织构和表面化学组分相结合的双疏表面可以更加显著地减小摩擦系数。涂覆SiO2表面的摩擦系数小于低表面能修饰表面的。海水介质中的摩擦系数小于水介质中的,油介质中的摩擦系数最小。圆台形凹坑表面的摩擦系数小于棱柱形凹坑表面的。

表2   试样的平均摩擦系数

Table 2   Average friction coefficients of specimens

LubricantsPolishingBlank textureLow energyWith SiO2
PrismCone frustumPrismCone frustumPrismCone frustum
Water0.7140.6770.6160.6390.5870.5760.496
Sea-water0.6870.6340.5780.5960.5500.5170.448
Oil0.1900.1680.1390.1460.1250.1240.097

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3.4 试样的磨损量

涂覆SiO2试样在水、海水和油介质中的磨痕如图6所示。在3种润滑介质中,棱柱形凹坑表面的磨痕宽度和深度均大于圆台形凹坑表面的。海水介质中的磨痕宽度和深度大于水中的,油介质中的磨痕最窄,且仍保留有部分凹坑织构。

图6   涂覆SiO2试样的磨痕图

Fig.6   Grinding crack pictures of SiO2 coated specimens with the textures of prism (a, c, e) and cone frustum (b, d, f) in water, sea-water and oil, respectively

试样的磨损量(体积)如表3所示。可以看出,与单纯的织构表面相比,将织构和表面化学组分相结合的双疏表面可以显著地减小磨损量。涂覆SiO2试样比低表面能修饰试样的磨损量更小。棱柱形凹坑表面的磨损量大于圆台形凹坑表面的。分析认为,由于棱柱形凹坑表面的接触角比圆台形凹坑表面的大2°~4°(表1),因此,棱柱形凹坑表面的双疏性能优于圆台形凹坑表面的,但差别并不很大。而润滑膜承载力计算结果显示,圆台形凹坑产生的润滑膜无量纲平均圧力是棱柱形凹坑的2.4倍。因此圆台形凹坑表面的摩擦性能优于棱柱形凹坑表面的。同时说明,凹坑形貌对润滑膜动压承载力的影响大于对表面润湿性的影响。

表3   试样的磨损量

Table 3   Wear losses of the specimens (×108µm3)

LubricantsPolishingBlank textureLow energyWith SiO2
PrismCone frustumPrismCone frustumPrismCone frustum
Water2.5102.4372.3572.3062.1132.1611.983
Sea-water2.6962.5772.3952.3242.2042.2812.012
Oil0.3550.2610.2280.2330.2060.2170.182

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空白织构试样在水、海水和油润滑介质中的磨屑如图7所示。水介质中的磨屑多为颗粒状,海水介质中的磨屑为大块的片状剥落,油介质中多为细小的粉末状磨屑。EDS分析表明,海水中比水中多了Na、Cl、C、S、Ca等元素,且Mg和S元素的含量显著增加,说明有海水腐蚀物的存在。

图7   空白织构试样的磨屑和EDS分析

Fig.7   Wear debris and corresponding EDS results of blank specimen in water (a), sea water (b) and oil (c)

图8示出了空白织构试样在水、海水和油介质中的磨痕形貌。水介质中的磨痕呈现出与滑动方向平行的沟槽痕迹,但是深度和宽度均较小。海水介质中的磨痕的切槽深度较深,宽度也较大且多剥落坑,沟脊上有纵横交错的微裂纹。油介质中仅为轻微平滑的磨痕。可见,海水腐蚀物减小了凹坑表面在海水介质中的摩擦系数,但却增大了磨损量。

图8   空白织构试样的磨痕

Fig.8   Grinding crack morphologies of blank texture specimen in water (a), sea water (b) and oil (c)

4 结论

(1) 动压润滑膜承载力计算结果表明,当凹坑面积率为19.6%时,圆台形凹坑产生的润滑膜无量纲平均圧力约是棱柱形凹坑的2.4倍。

(2) 接触角测量结果表明,棱柱形凹坑表面的接触角比圆台形凹坑表面的大2°~4°,因此,前者的双疏性能略优于后者的。

(3) 摩擦实验结果表明,将织构和化学组分相结合的双疏表面可以显著地提高摩擦学性能。相比棱柱形凹坑表面,圆台形凹坑表面的摩擦学性能更优。

(4) 凹坑形貌对润滑膜动压承载力的影响显著,但对表面润湿性的影响较小。即凹坑形貌对摩擦学性能的影响大于对表面润湿性的影响。

(5) 海水腐蚀物减小了摩擦系数,但却增大了磨损量,对摩擦学性能具有双重效应。

The authors have declared that no competing interests exist.


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