摩擦无处不在，它影响着人们的生活，乃至整个社会和经济的发展。在工业设备中，摩擦介面是传递运动、能量以及信息的重要途径，同时摩擦是关系到机械设备可靠性、耐久性以及能量利用率的主要因素；在日常生活中，摩擦也无处不在。例如人造关节中的摩擦学问题一直是困扰关节置换的主要因素，其直接影响患者的日常生活。因此，改善摩擦副的摩擦润滑状况成为各国科研人员研究的热点，研究者们主要在材料改性、表面镀层处理及润滑剂改良等方面进行了深入而又广泛的研究。但在某些工况条件下，现有研究可能无法解决其摩擦学问题，例如发动机中活塞缸套的摩擦学问题、人工关节的磨损问题、空间特殊环境下的润滑问题等等。

         通过数百万年的进化，生物表面形成了各种不同形态的表面微结构，从而适应不同的生存环境。例如荷叶表面的自清洁效应、蜣螂体表的微结构具有防粘降阻的功能、鲨鱼皮表面微结构的减阻作用等等。神奇的自然界给科研人员带来了新的启发，人们开始从仿生学的角度研究自然界中动植物表面神奇的减摩效果，并由此衍生出表面织构技术，为摩擦学的研究开辟了新的方向，成为近些年来研究的热点。

         表面织构（纹理）技术，即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形貌的阵列（如微小凹坑或是沟槽等），以其优异的降低摩擦、减小磨损和提高承载能力等特性，被证明是改善摩擦副表面摩擦学特性的一种有效手段。

         在工业应用方面，表面织构技术已有悠久的历史，如人们所熟知的表面织构最早的工业应用是在发动机气缸壁上加工45°的平行交叉珩磨条纹。目前，国际上已有多家公司将表面织构技术应用于产品性能的提升，如美国表面技术公司（Surface Technologies Ltd.,USA）推出的激光表面织构化的止推轴承和机械密封，因其运转时的小摩擦力矩而得到成功的推广；在计算机磁存储介质领域，表面织构技术作为微机电系统中防止静摩擦粘附的手段，起着降低磁盘盘片与磁头在接触起停（CSS）阶段的粘附力、减小摩擦和延长产品使用寿命的作用等等。此外，在人们的日常生活中，表面织构技术也有其广泛的应用。例如ATOMIC滑雪板，其凹凸不平的表面织构板面显著地降低了阻力系数，改善了高速滑行时的平顺性，最大程度地增加了短尺寸系列滑雪板滑行时的稳定性和操控性。

图1 表面织构技术在工业方面的应用

 南京航空航天大学机电学院在表面织构的设计加工方面已有十多年的研究积累。曾先后主持和承担国家863，国家自然科学基金项目，江苏省自然科学基金的研究工作。并在表面仿生织构加工、表面织构润滑机理方面积累了丰富经验，发表有关表面工程的文章90余篇，被SCI检索期刊引用近300余次。研究了不同工作条件下表面织构的减摩机理，以及表面织构对陶瓷轴承、发动机缸套-活塞-活塞环系统、柱塞泵配流副、橡胶、人工关节摩擦学性能的影响。

         一、本团队利用反应性离子刻蚀技术（RIE）、激光技术以及纳米压痕技术在陶瓷表面加工出50~650μm以及纳米级微坑。并首次提出了不同接触条件下的表面织构设计优化的思想，通过实验考察了水润滑条件下表面织构对摩擦副表面摩擦性能的影响。实验结果表明：表面织构化的SiC陶瓷最大承载力相对于无织构SiC陶瓷至少可以提高2.5倍[1,2]。

Fig.2 Friction coefficient m versus load W for SiC cylinder/SiC textured disk in water at rotational speed of 1200rpm

  二、在金属材料表面织构优化设计方面，本团队对点、面接触条件下，金属材料表面织构优化设计进行了大量的研究，并通过理论计算对表面织构进行了优化设计。结果表明：除凹坑深径比外，凹坑面积率对表面织构摩擦学性能也有着巨大的作用[3,4]。

Fig.3 Area ratio effect of surface texture on average friction coefficient

三、本研究室对表面织构的形状以及分布进行了大量的工作，并取得较大进展。首次通过理论计算及实验证明了表面织构形状、分布对硬质材料表面摩擦学性能有较大影响，是面积率、深度、直径之外的另外两个重要的影响因素。同时证明当运动方向垂直于椭圆长轴方向时，产生最大的承载力[5,6]。

Fig.4 The effect of dimple shapes on friction reduction at different normal load

四、为研究微沟槽型表面织构减摩机理，本团队首次从流体动压、润滑液流动、接触压力三个方面对其减摩机理进行了新的解释，提出在设计微沟槽型表面织构应考虑以上三个因素[7]。

Fig.5 Surface profile of the micro-grooves on specimen obtained by non-contact optical interferometer ADE MicroXAM ,and simulation results of lubricant flow and contact stress

 五、在工程应用方面，为研究表面织构对发动机缸套-活塞-活塞环系统摩擦学性能的影响，以及表面织构对柱塞泵配流副摩擦磨损性能的影响，本团队自行研制了往复式摩擦磨损试验机以及偏载型摩擦磨损试验机 模拟活塞环与缸套、活塞裙部与缸套，以及柱塞泵配流副的接触及运动情况。为改善发动机缸套-活塞-活塞环系统摩擦学性能，以及柱塞泵配流副摩擦磨损性能提出了新的思路[8-10]。

图6 织构化活塞环表面形貌照片

与本研究相关的论文：

1.Wang XL, Kate K, Adachi K, and Aizawa K. The effect of laser texturing of SiC surface on the critical load for the transition of water lubrication mode from bydrodynamic to mixed. Tribol Int 2001; 34: 703-711.

2.Wang XL, Kate K, Adachi K, and Aizawa K. Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribol Int 2003; 36: 189-197.

3.Yan DS, Qu NS, Li HS, and Wang XL. Significance of dimple parameters on the friction of sliding surfaces investigated by orthogonal experiments. Tribol Trans 2010; 5: 703-712.

4.Wang XL, Liu W, Zhou F, and Zhu D. Preliminary investigation of the effect of dimple size on friction in line contacts. Tribol Int 2009; 42: 1118-1123.

5.Yu HW, Wang XL, Zhou F. Geometric shape effects of surface texture on the generation of hydrodynamic pressure between conformal contacting surfaces. Tribol lett 2010; 37: 123-130.

6.Yu H, Deng H, Huang W, and Wang X. The effect of dimple shapes on friction of parallel surfaces. Proc. IMechE, Part J: J. Engineering Tribology 2011; 225: 693-703.

7.Yuan S, Huang W, and Wang X. Orientation effects of micro-grooves on sliding surfaces. Tribol Int 2011; 44: 1047-1054.

8.于海武, 袁思欢, 孙造, 王晓雷. 微凹坑形状对试件表面摩擦特性的影响. 华南理工大学学报：自然科学版, 2011, 39(1): 106-111.

9.袁明超, 钱双庆, 刘一静, 王晓雷. 利用表面织构提高活塞环/缸套摩擦性能的实验研究. 机械科学与技术, 2009, 28(12): 1630-1638.

10.祁胜, 邓海顺, 张恩阳, 王晓雷. 织构化轴向柱塞泵配流副的摩擦特性试验研究. 液压与气动, 2011, 9: 105-107.