具备可控防爬能力的表面织构设计方法技术

本发明专利技术提供了一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，采用微细加工技术，在固体表面制备不同尺度的表面织构，通过设计表面织构的几何形状、特征尺寸（宽度和深度）、排布形式等参数的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位；在此基础上，将具备不同阻碍特性的微结构有机组合，最终构造出具备可控防爬能力的表面织构。本发明专利技术在蠕爬发生阶段，对其有效减缓、抑制；而在平稳铺展阶段，引导流失的润滑油回流聚集到目的区域，实现润滑油蠕爬的主/被动调控，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。

Surface Texture Design Method with Controllable Anti-creep Ability

The invention provides a surface texture design method with controllable anti-creep ability. Different scale surface textures are prepared on solid surface by micro-processing technology. The wettability of solid surface is regulated by designing gradient characteristics of surface texture parameters such as geometric shape, characteristic size (width and depth), layout form, and so on, so as to realize the direction guidance and orientation of lubricating oil flow. On this basis, the micro-structures with different hindrance properties are organically combined to construct the surface texture with controllable anti-creep ability. The invention can effectively slow down and restrain the creep during the creep occurrence stage, while in the stable spreading stage, the lubricant returning flow is guided to gather in the target area, and the main/passive control of the creep is realized, which fundamentally solves the problem of the creep loss of lubricant under the action of temperature gradient, and provides guarantee for the durable local lubrication under extreme conditions.

【技术实现步骤摘要】
具备可控防爬能力的表面织构设计方法
本专利技术涉及润滑系统领域，具体是一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，可用于航空航天领域特殊工况中的润滑系统设计。
技术介绍
液体润滑油浸润在温度不均匀的固体表面时，会由高温区域向低温区域缓慢流动。这种不受外力作用的定向扩展现象，即为热驱动蠕爬。随着航空航天技术的飞速发展，蠕爬导致的润滑损耗问题变得尤为突出。在航天领域，NASA的研究报告(FusaroRL.PreventingSpacecraftFailuresDuetoTribologicalProblems.NASA/TM-2001-210806.2001)明确指出：润滑油蠕爬损耗是空间机构丧失润滑能力的主要原因之一。在空间微重力环境下，表面张力是作用在液体上最主要的力，且航天器的环境温度一般在-150~150℃间变化(刘维民,翁立军,孙嘉奕.空间润滑材料与技术手册.北京:科学出版社;2009)。对于采用液体润滑的空间部件（如卫星动量轮、陀螺仪），轻微的温度扰动就会引发润滑油的蠕爬流失(RobertsEW,ToddMJ.Spaceandvacuumtribology.Wear.1990;136:157-167)。鉴于空间机构中润滑油总体含量少，补给困难，且缺乏回流机制，润滑油一旦蠕爬流失，将严重影响机械部件的在轨寿命。在航空领域，现代武装直升机因润滑系统故障或油箱被击中等原因丧失正常的供油能力时，传动系统会进入贫油润滑甚至无油润滑的工况，即干运转工况。此时，传动系统核心接触区域温度会显著升高，残留的润滑油会向非接触区（低温区）极速蠕爬，其流失速度将直接决定直升机传动系统的干运转能力。可见，润滑油防爬研究对上述特殊工况下润滑系统设计具有重要的理论意义和实用价值。DaiQW,HuangW,WangXL.Insightsintotheinfluenceofadditivesonthethermalgradientinducedmigrationoflubricant.LubrSci.2017;29:17-29中提出降低润滑油的表面张力可延缓蠕爬流失。JonesWR,JansenMJ.Tribologyforspaceapplications.ProcInstMechEngPartJJEngTribol.2008;222:997-1004指出在润滑区域涂覆具有超低表面能的涂层，弱化基体与液体分子间的相互作用，能够促使润滑油聚集在润滑部位，达到防爬的目的。KlienS,SurbergCH,StehrW.Temperaturedivenlubricantmigrationontribologicalsurface.InProceedings-ECOTRIB2007,Ljubljana,Slovenia.2007:637-647中提出采用喷丸、或磨削技术对表面粗糙化处理后，可获得良好的防爬能力。DaiQW,HuangW,WangXL.Micro-groovesdesigntomodifythethermo-capillarymigrationofparaffinoil.Meccanica.2017;52:171-181中发现在摩擦副表面加工微结构后，润滑油在其表面的蠕爬速度有所下降。总的来看，上述技术手段在一定程度上实现了防爬目的，并获得应用。究其本质是被动防护，对已发生的蠕爬起到减缓作用，并不能完全抑制。随着时间的推移或工况的突变，润滑油的蠕爬流失仍无可避免。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。本专利技术采用微细加工技术，主要包括反离子刻蚀（RIE）、准LIGA技术、激光加工、微细电解加工、喷射粒子流等技术，在固体表面制备不同尺度的表面织构，通过设计表面织构的几何形状、特征尺寸（宽度和深度）、排布形式等参数的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位；在此基础上，将具备不同阻碍特性的微结构有机组合，最终构造出具备可控防爬能力的表面织构。本专利技术有益效果在于：在蠕爬发生阶段，对其有效减缓、抑制；而在平稳铺展阶段，引导流失的润滑油回流聚集到目的区域，实现润滑油蠕爬的主/被动调控，从根本上解决温度梯度作用下润滑油蠕爬流失的难题，为极端工况下持久定域润滑提供保障。附图说明图1为两类典型的温度分布形式示意图。图2为流向引导型表面织构流向引导机理示意图。图3为微沟槽阵列示意图。图4为一种具备可控防爬能力的表面织构想象示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。本专利技术一种具体实施步骤如下：1、采用红外热像仪，精准识别摩擦副表面的温度分布规律。以两种典型的温度梯度形式为例：①单方向温度梯度，即摩擦副一端是高温区，另一端是低温区，高低温区域间形成的单一方向的温度梯度；②全方向温度梯度，即摩擦副中间是高温区，四周是低温区，中心和四周形成了全方向的温度梯度。图1所示为热像仪采集的上述两种类型的温度分布图。分析润滑油在此种类型温度梯度作用下的蠕爬特性，阐明蠕爬较严重区域（高温区）和润滑油最终的流失区域（低温区）。2、设计具备不同防爬能力的表面织构：2.1、对于被动阻碍型表面织构，合理设计其基本尺寸参数。被动阻碍型表面织构是指在表面设计并制备具有固定形状、尺寸和排列规则的微结构阵列，其形状主要包括微沟槽、正方形、圆形凹坑或凸起等微结构中的一种或多种，微结构几何尺寸相同，相邻微结构间距离相同。一般而言，微结构深度越深，面积率越大，被动阻碍效果越明显。在本专利技术专利中，可以设计以下几种典型的被动阻碍型表面织构：①微沟槽阵列，深度为10μm，宽度为100μm，面积率为20%；②微凹坑阵列，深度25μm，直径（宽度）为200μm，面积率为30%；③六边形微凸起阵列，深度40μm，直径（宽度）为300μm，面积率为40%。2.2、流向引导型表面织构是一种梯度表面织构，其特殊之处在于微结构形状和位置特征的变化性，通过在不同维度上构建渐进或周期变化的尺寸和排布特征，从而赋予其流向引导的特殊功能。图2简要概述了其流向引导机理。本质上，梯度织构化表面各处浸润特性不同，液体三相界面处会发生不同程度的弯曲，在液体左右两端形成压力差(P1>P2)，从而驱使其由左向右自发流动。构建可控流向引导能力的梯度表面织构的关键是合理设计其梯度特征。在本专利技术专利中，例如可设计一种流向引导型梯度微沟槽阵列：①沟槽基本宽度为10μm，深度为20μm，相邻沟槽间距为8μm；间距梯度△d为5μm，即相邻沟槽的间距逐渐变大（8μm、13μm、18μm、23μm…），如图3所示。可进一步引入深度梯度特征：②沟槽基本宽度为10μm，深度为20μm，相邻沟槽间距为8μm；间距梯度△d为5μm，深度梯度△h为2μm，即相邻沟槽的间距逐渐变大（8μm、13μm、18μm、23μm…），深度也逐渐加深（20μm、22μm、24μm、26μm…）。除此只外，还可引入基本形状的梯度特征（宽度、直径）和排布角度的梯度特征（0°~90°）。根据实际需求，将上述梯度参数的一种或一种以上进行组合设计，即可获得流向引导型功能表面织本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于包括以下步骤：1) 识别摩擦副表面的温度分布规律, 区分蠕爬严重区域和润滑油最终的流失区域；2）设计具备不同防爬能力的表面织构，包括被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构；3）结合步骤1）和步骤2），根据真实工况下润滑油的蠕爬流失行为，将被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构进行组合，在蠕爬严重区域构建被动阻碍型表面织构，而在润滑油最终的流失区域，构建流向引导型表面织构，通过设计表面织构的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位。

【技术特征摘要】
1.一种具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)识别摩擦副表面的温度分布规律,区分蠕爬严重区域和润滑油最终的流失区域；2）设计具备不同防爬能力的表面织构，包括被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构；3）结合步骤1）和步骤2），根据真实工况下润滑油的蠕爬流失行为，将被动阻碍型表面织构和流向引导型表面织构进行组合，在蠕爬严重区域构建被动阻碍型表面织构，而在润滑油最终的流失区域，构建流向引导型表面织构，通过设计表面织构的梯度特征，调控固体表面的浸润性，实现润滑油的流向引导与定位。2.根据权利要求1所述的具备可控防爬能力的表面织构设计方法，其特征在于：步骤2）所述的被动阻碍...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆文，纪亚娟，黄巍，王晓雷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32