1 引言

通過在材料以及工具表面設(shè)計(jì)微納織構(gòu)以調(diào)控其摩擦性能在研磨工具、切削工具、成形模具以及巖石鉆探工具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這些織構(gòu)化的表面具有多重作用：1）表面微小織構(gòu)可以作為蓄油池，保證在擠壓的情況下，輸運(yùn)或釋放蓄含的潤滑液，使之仍然彌散在接觸區(qū)形成混合膜潤滑；2）表面微小織構(gòu)可以吸附磨損下來的微粒，從而抑制磨損和犁溝摩擦；3）當(dāng)微小織構(gòu)設(shè)計(jì)合理、密度足夠時(shí)，還可以提高表面對潤滑液的潤濕性，有利于潤滑液膜的形成；4）在較高的摩擦速度、充足的潤滑液條件下，表面織構(gòu)可以作為流體動(dòng)力高壓囊，產(chǎn)生流體動(dòng)力壓差，從而減小摩擦阻力。目前，表面織構(gòu)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域以改善機(jī)械部件的摩擦學(xué)性能，如機(jī)械密封面、氣缸/活塞、軸承、切削刀具、磁儲(chǔ)存設(shè)備和微機(jī)電系統(tǒng)等。

目前，利用電解加工、電火花加工、磨料噴射加工、振動(dòng)沖擊加工、反應(yīng)離子束刻蝕、光刻蝕、各向異性刻蝕及激光表面織構(gòu)化等技術(shù)都可以在材料表面制備出微納織構(gòu)。與其他技術(shù)相比，激光微納加工技術(shù)具有加工速度快，環(huán)境友好以及易于控制被加工圖案的尺寸和形狀等優(yōu)點(diǎn)。特別是超快激光(皮秒激光和飛秒激光)表面織構(gòu)化技術(shù)已經(jīng)成為摩擦應(yīng)用領(lǐng)域中最具前景的微納織構(gòu)制備方法之一。這是由于超快激光極短的脈寬和超高的峰值功率使其可以加工幾乎任何材料，同時(shí)在加工過程中最大程度地避免了材料表面的熱熔化和熱損傷，具有很高的加工精度。這里我們介紹超快激光表面織構(gòu)化調(diào)控材料摩擦性能的研究進(jìn)展及潛在應(yīng)用。

2超快激光表面織構(gòu)化調(diào)控材料摩擦性能進(jìn)展

2.1 飛秒激光制備表面微米織構(gòu)調(diào)控材料摩擦學(xué)性能研究

激光的脈沖寬度對織構(gòu)化表面的摩擦性能具有重要影響。2014年，R. Bathe等研究了不同類型激光織構(gòu)化表面對鑄鐵干摩擦行為的影響。他們利用毫秒激光、納秒激光和飛秒脈沖激光在鑄鐵表面制備出微坑型表面織構(gòu)。從圖1的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，微坑型表面織構(gòu)起到了減小摩擦系數(shù)和降低磨損率的作用。同時(shí)在所有測試試樣中，飛秒激光織構(gòu)化表面具有最低的穩(wěn)定摩擦系數(shù)和磨損率。一方面，飛秒激光燒蝕后的表面幾乎不存在重熔顆粒。在滑動(dòng)摩擦過程中，金屬表面重熔的顆粒很容易脫落轉(zhuǎn)變成為磨屑，這會(huì)對摩擦性能造成負(fù)面影響。另一方面，飛秒激光制備出的微坑可以有效捕獲摩擦過程產(chǎn)生的磨屑以降低材料表面的犁溝效應(yīng)。因此，飛秒激光織構(gòu)化的表面具有最低的穩(wěn)定摩擦系數(shù)和磨損率。

圖1 不同脈沖寬度激光織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能(a)激光織構(gòu)化表面與未織構(gòu)表面的穩(wěn)定摩擦系數(shù), (b) 激光織構(gòu)化表面與未織構(gòu)表面的磨損率

圖片來源：Laser surface texturing of gray cast iron for improving tribological behavior. Appl. Phys. A-Mater. 2014; 117(1): 117-123.