碳化硅陶瓷的水润滑特性
王晓雷1 韩文非1 加藤康司2
1.南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京,210016
2.日本东北大学，日本仙台
摘要：采用在碳化硅(SiC )陶瓷表面加工表面织构的方法来提高水润滑下SiC 陶瓷的承载能力。表面织构由两种直径不同的凹坑阵列混合而成，目的在于利用不同的凹坑阵列分别促进表面间流体动压
力的产生和表面跑合的进程。制作了直径为350
μm 和边长为40μm 的凹坑以及由它们混合而成的表面织构，对SiC 陶瓷表面的摩擦学特性进行了测试，并以摩擦因数突然上升时的载荷作为指标评价了上述几种表面的承载能力，结果表明，混合有不同尺寸凹坑的织构与具有单一尺寸凹坑的织构相比，承载能力显著提高。 关键词：表面织构；承载力；水润滑；摩擦；碳化硅中图分类号:T H117 文章编号:1004—132X (2008)04—0457—04Surface T exture Optimal Design for Silicon C arbide under W ater Lubrication
Wang Xiaolei 1 Han Wenfei 1 Kato K oji 2
1.Jiangsu Key Laboratory of Precision &Micro -manufact uring Technology ,
Nanjing U niversity of Aeronautics &Ast ronautics ,Nanjing ,210016
2.Tohoku University ,Sendai ,J apan
Abstract :Surface text uring was used to increase t he load carrying capacity of silicon carbide sliding in water.A surface text ure pattern ,which combined two kind of dimples ,was proposed to increase t he load carrying capacity by imp roving bot h hydrodynamic effect and running p rocess of
contacting surfaces.The patterns of dimples wit h dimension of 350
μm ,40μm ,and t heir mixt ures were fabricated ;t ribological experiment s were carried out ;and t he load at which f riction coefficient increases rapidly was used as t he index to evaluate t he load carrying capacity of each surface.The result s show t hat t he surface wit h t he text ure pattern combined wit h t he two kind of dimples has obviously higher load carrying capacity compared to t he ot hers.
家庭供暖系统K ey w ords :surface text ure ;load carrying capacity ;water lubrication ;f riction ;SiC
收稿日期:2006—12—18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50675101)
0 引言
世界在能源、航空航天、运输等领域仍然面临着效率、可靠性、耐久性以及环境保护等方面的挑战。1999年美国能源部披露，美国车辆发动机及传动系统因减少摩擦与磨损，每年可节约1200亿美元，因此摩擦与磨损仍然是影响世界经济的重要因素。
通过人工表面织构(surface text ure )改善表面摩擦学特性的设计思想源于20世纪60年代,Hamilton 等[1]提出了利用表面的凸起来产生附加动压润滑效果的想法，即凸起的一边与摩擦副的另一面之间形成收敛楔而产生流体动压力，而凸起的另一边的发散楔产生的负压由于气穴(cavity )的产生而得到了限制，最终为相对滑动表面产生了额外的承载能力。近年来，随着加工技
术的发展，表面织构在计算机硬盘、轴承和密封、
发动机系统中得到了成功的应用，对织构的工作机理也不断有了新的发现[2Ο4]。20世纪90年开始，我国学者陆续发表了利用超声和激光实现表面织构加工以改善摩擦副表面特性的文章[5Ο8]，显示出我国在人工表面织构设计和加工方面已取得骄人的业绩。
陶瓷的水润滑技术研究开始于20世纪80年代后期。对于硅系陶瓷而言，一方面作为陶瓷原材料的硅和作为润滑剂的水是自然界最丰富的绿材料，另一方面，水润滑条件下，硅系陶瓷表面的摩擦化学反应对陶瓷表面存在超平滑化效应[9,10]，从而产生了极低的摩擦因数。日立公司已经将碳化硅(SiC )陶瓷应用于大型水泵的轴承系统，省去了复杂的油润滑系统，对简化系统结构、保护环境具有重要意义。
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754・
1 研究目的
制作智能卡我们曾利用表面织构对提高水润滑下SiC 陶瓷的承载能力进行了尝试性研究[11]，获得了表面织构的几何特征对表面摩擦学特性的影响规律，发现不同的润滑条件需要不同几何特征的表面织构才能取得良好的效果。在充分润滑条件下，凹坑点阵的几何特征对表面承载能力的影响如图1a 所示。图中最佳织构的几何特征为，凹坑深度
直径比h/d =01015，凹坑所占表面积为5%左右。
这个特征与按流体润滑机理进行的理论模拟结果相似。如图1b 所示，在不充分润滑条件下，相对较深以及占有较大面积的凹坑点阵具有较好的效果，显示出润滑液存储能力在不充分润滑条件下的重要性。
根据以上结果，为提高水润滑下SiC 陶瓷的承载能力，本文采用不同尺寸和分布的凹坑以兼顾流体动压力的产生和良好的润滑液存储能力,
并通过实验进行验证。
(a抗菌膜
)充分润滑条件下
(b )不充分润滑条件下
图1 水润滑下SiC/SiC 表面织构几何特征及其影响
2 实验方法
2.1 试件
试件的外观如图2所示。环状和盘状试样分别作为上下试件，其端面为摩擦试验面。环状试样的中心孔和端面上的两个凹槽用于将水导流至摩擦面上。上下试件的材料均为平均粒径为2
变速箱取力器
μm 的常压烧结SiC 。研磨及抛光加工后端面的平均表面粗糙度R a 在23nm 左右。实验中采用精制水(离子交换法处理)作为润滑液。2.2
表面织构加工
在盘状试件的摩擦面上加工出由凹坑组成的
图2试件外观
点阵，加工流程如图3所示:①清洁试件表面;②
利用离子溅射在SiC 表面上制作1
μm 厚Cr 保护膜;③涂光刻胶;④使用预先制作的掩膜板曝光、显像;⑤使用湿腐蚀方法将感光膜上的图形转印至Cr 膜上;⑥去除光刻胶膜;⑦采用反应性离子刻蚀(RIE )在SiC 表面加工织构;
⑧除去表面Cr 膜。
(
a )(
b )(
c )(
d )
(e )(f )(g )(h )
图3表面织构制作流程
表1和图4显示了本研究设计的三种不同的
表面织构。1号表面织构由直径350
μm 的凹坑组成，是文献[11]中的最佳织构，其凹坑深度直径比和面积率位于图1a 中最优特征区域之内。2
号表面织构由边长40
μm 的矩形凹坑构成，由于单位面积内凹坑的数量巨大，在制作掩膜板时采
用矩形代替圆形以节约大量的计算时间。3号表面织构是1号表面织构和2号表面织构的组合。
表1 三种表面织构的几何特征
1号
2号3号直径(边长)(μm )350(40)350(40)深度(
μm ) 2.7～7.9 2.6～7.0 3.4～8.0面积率(%)
4.9
气门绞刀4.0
7.7
(a )1号织构
(b )2号织构
(c )3号织构
图4三种表面织构的光学显微镜照片
图5是织构细部的SEM 照片，显示了凹坑内部由于反应性离子刻蚀产生的表面形貌。2.3实验前的跑合过程
为获得稳定状态下的摩擦学特性，在实验前所有试件均进行了充分的跑合。图6显示了其中典型的跑合过程。在800r/min 的转速下，采用步进加载的方法，每当摩擦力达到稳定后，增加载荷980N ，直至加载后摩擦力不再有减小的趋势，此
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图5凹坑细部特征的SEM 照片
时表示表面接触条件不再有改善的趋势，跑合过程结束
。
图6实验前的跑合过程
(转速800r/min ，供水流速60mL/min ，水温20℃)
3 实验结果
3.1
水润滑特性以及跑合过程的影响
无织构及有织构表面跑合前后的水润滑特性如图7所示。所有曲线显示出在低载荷条件下SiC 的摩擦因数可以达到01002的低水平。当载荷增加到一个特定值以后，摩擦因数开始急剧上升，如载荷进一步增加，可导致接触面的损坏，故此时摩擦因数开始急剧上升的载荷可作为摩擦表面能够承受的极限载荷，并可用于表面承载能力的评价。如图7中，载荷W c4即为3号织构跑合的极限载荷
。
1.无织构、无跑合
2.无织构、跑合
3.3号织构、无跑合
4.3号织构、跑合
图7水润滑特性及跑合过程的影响
图7显示，没有织构的表面经过跑合以后其
极限载荷仍可以提高2倍以上，并且其低摩擦阶段的摩擦因数可以降低25%，由此显示出对于水润滑下的SiC 表面，跑合过程十分重要。将控制跑合过程列入表面设计内容是提高SiC 表面摩擦学性能的一条有效途径。
3.2水润滑特性及表面织构的影响
图8所示为具有上述三种表面织构及不含织
构的试件的水润滑特性实验结果。所有试件均经
过上述实验前的跑合过程。实验中有一些过小和过大的数据由于仪器温飘和记录速度的原因没有正确纪录在图中，如1号织构、2号织构在低载荷时的数据以及1号织构随载荷急剧上升时的数据
。
图8 水润滑下四种试件的摩擦学特性(滑动速度
0.63m/s ，供水流速60mL/min ，水温20℃
)实验结果表明，表面织构能够有效地降低水润滑下SiC 陶瓷的摩擦因数，扩大产生低摩擦的载荷范围。根据图8得出的各表面的极限载荷如图9所示，按极限载荷由小到大的排列顺序是：无织构表面、2号织构、1号织构和3号织构。混合有两种凹坑的3号织构表面的极限载荷和无织构表面相比，提高了约214倍，和文献[11]中的最佳织构(1号织构)相比，极限载荷提高了116倍，证明了采用大小凹坑的混合设计对提高水润滑下SiC 的承载能力是有效的
。
图9 四种试件的极限载荷(SiC/SiC ，水润滑)
4 讨论
试样跑合前后的表面粗糙度如图10所示。经过跑合，无论表面有无织构，表面粗糙度都得到了改善，跑合过程对表面的平坦化效果显著。表面粗糙度由大到小顺序的排列顺序是：无织构表面、1号织构、3号织构和2号织构。可见，表面织构能够促进SiC 表面的跑合进程，特别是像2号织构，虽然面积率只有4%，但均匀地分散在整个表面的“微细”织构能够达到最佳的跑合效果，其原理可能是此织构能够向整个表面均匀供水，以满足表面摩擦化学的需求。
和文献[11]中的结果类似，虽然1号织构在
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图10 跑合前后表面粗糙度(SiC/SiC ，水润滑)
表面的平坦化方面不如2号织构，但1号织构的参数满足图1a 所示的最佳几何特征，能够有效产生流体动压力，所以，其极限载荷明显高于2号织构和无织构表面的极限载荷。
3号表面织构综合了1号表面织构和2号表面织构的优点，既含有能够产生有效流体动压力的较大的凹
坑，也具有能够均匀地向接触面供水的微细织构，虽然其跑合后的表面粗糙度值比2号织构的表面粗糙度值要大，但较1号织构有了明显的改善。根据流体润滑理论，表面流体润滑的形成与否与流体膜厚和表面粗糙度的比值相关，所以，具有产生显著流体动压力能力和平坦化表面的3号织构获得了本实验中最高的极限载荷。
除此之外，对于水润滑下硅系陶瓷的摩擦化学反应，研究者们仍在争论的话题是摩擦化学的产物是否有助于产生流体润滑。如图11所示，摩擦化学的产物经水合后形成胶体状的物质(silica gel )，其粘度远高于水，对促进流体润滑的形成可能会有积极的作用。而类似2号织构这样能够不断向接触面供水的织构对保持表面胶体物质的存在具有积极作用，这也许是另一种减摩机理
。
(a )表面平滑效果(b )“胶状”层效果
图11表面摩擦化学及织构的影响
5 结论
为提高水润滑下SiC 陶瓷的承载能力，本文在已有实验结果的基础上，提出从提高流体动压力和促进表面跑合进程的角度实现表面织构优化
的思路。实验结果表明，混合有直径350
μm 的凹坑和边长40
μm 的凹坑的表面织构获得了良好的效果，其极限载荷比无织构表面提高了214倍，与以往单一尺寸的最佳织构表面相比，极限载荷提高了116倍。
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(编辑 苏卫国)
作者简介：王晓雷，男,1963年生。南京航空航天大学机电学院设计工程系教授、博士。研究方向为微纳米表面工程和微纳米摩擦学。获国家发明三等奖1项、省部级科技进步一等奖2项。发表论文40余篇。韩文非，男,1969年生。南京航空航天大学机电学院设计工程系讲师。加藤康司，男,1943年生。日本东北大学工学部教授。
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