上海理工大學(xué)江小輝教授團(tuán)隊(duì)：一種魚鱗織構(gòu)的微納陶瓷3D打印工藝優(yōu)化及摩擦性能研究 | AMF論文推薦

引用論文

Xiaohui Jiang, Jirui Liu, Yan Wang, Zishan Ding, Mengcan Yao, Li Ji, Dongdong Xu, Jie Liu. Optimization of Micro/Nano Ceramic 3D-Printing Process for Scale-Textured Surfaces for Enhanced Tribological Performance. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200244.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200244.

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1研究背景及目的

在高性能功能結(jié)構(gòu)表面處理中，減小摩擦和磨損是提升部件性能的關(guān)鍵。研究表明，在表面引入仿生織構(gòu)可有效改善潤滑狀態(tài)，提升減摩效果。魚鱗仿生結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的流體調(diào)控能力受到關(guān)注。本文旨在基于微納增材制造技術(shù)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化魚鱗狀表面織構(gòu)，通過參數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在陶瓷構(gòu)件上的減摩性能，以期為高性能表面工程提供新思路與技術(shù)支持。

2論文亮點(diǎn)

(1) 仿生設(shè)計(jì)創(chuàng)新：引入魚鱗仿生織構(gòu)，首次應(yīng)用于陶瓷材料摩擦學(xué)表面，具有自然減阻啟發(fā)。

(2) 參數(shù)優(yōu)化分析：通過仿真與實(shí)驗(yàn)耦合，明確面積率、深度、夾角等參數(shù)對減摩性能的影響。

(3) 先進(jìn)制造工藝：采用微納陶瓷3D打印，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜織構(gòu)的高精度加工。

(4) 減摩效果顯著：優(yōu)化結(jié)構(gòu)使摩擦系數(shù)降低約15%，具有良好應(yīng)用前景。

圖1 織構(gòu)形成與減摩原理

3試驗(yàn)方法

本文采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對魚鱗仿生織構(gòu)的減摩性能進(jìn)行研究。首先，利用流體動(dòng)力潤滑仿真模型，分析不同織構(gòu)參數(shù)（面積率、深度、夾角）對油膜壓力分布和承載性能的影響，篩選出最佳參數(shù)組合。隨后，采用微納陶瓷3D打印技術(shù)在陶瓷基體上制備出優(yōu)化后的魚鱗織構(gòu)結(jié)構(gòu)，并對樣件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)處理。最后，通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測試其在潤滑條件下的摩擦系數(shù)與磨損行為，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證仿生織構(gòu)在實(shí)際工況下的減摩效果。

4結(jié)果

本研究對仿生魚鱗結(jié)構(gòu)面積率、深度和魚鱗夾角影響摩擦情況進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨面積率增加先減后增，面積率20%時(shí)最小，比15%的織構(gòu)表面摩擦系數(shù)降約17.5%，比25%的降約7.2%?？棙?gòu)深度對摩擦系數(shù)有顯著影響，深度從100μm增至200μm時(shí)，摩擦系數(shù)先減后增，150μm時(shí)最低。與100μm的織構(gòu)摩擦系數(shù)相比降低約18%，比200μm的降低約6.8%。摩擦系數(shù)隨α夾角增加先減后增，α夾角在30°時(shí)最低，相比20°的織構(gòu)摩擦系數(shù)降約11%，比40°的降約21%。夾角過大或過小，摩擦系數(shù)都會(huì)增加。

圖2(a)不同Sp值織構(gòu)的摩擦系數(shù)曲線；(b)不同深度織構(gòu)的摩擦系數(shù)曲線；(c)不同α角織構(gòu)的摩擦系數(shù)曲線；（(d)）不同參數(shù)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)對比示意圖

5結(jié)論

本研究基于魚鱗仿生幾何構(gòu)建了陶瓷表面的微納3D打印織構(gòu)，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)耦合分析其減摩機(jī)制。結(jié)果表明，魚鱗織構(gòu)相比常見幾何結(jié)構(gòu)，在相同工況下可使摩擦系數(shù)降低約15%，潤滑性能更優(yōu)。在面積率固定時(shí)，α夾角決定織構(gòu)的縱橫比例，夾角越小，織構(gòu)越細(xì)長，有助于壓力積聚，提升承載能力。進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)得出，當(dāng)面積率為20%、深度為150μm、α夾角為30°時(shí)，魚鱗織構(gòu)表現(xiàn)出最佳的減摩效果，展示了其在高性能陶瓷摩擦副中的良好應(yīng)用前景。

6前景與應(yīng)用

魚鱗仿生織構(gòu)通過優(yōu)化潤滑狀態(tài)，顯著提升陶瓷摩擦副的減摩性能，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。其結(jié)合微納增材制造技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于高性能機(jī)械零部件、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，推動(dòng)功能表面精密化與智能化發(fā)展。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

江小輝（通訊作者），上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副院長、教授、博士生導(dǎo)師，入選上海市東方英才計(jì)劃，現(xiàn)擔(dān)任航空航天先進(jìn)制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，新能源先進(jìn)制造技術(shù)研究所所長，美國俄亥俄州立大學(xué)訪問學(xué)者，中國圖學(xué)學(xué)會(huì)智能工廠專業(yè)委員會(huì)委員、上海市增材制造協(xié)會(huì)監(jiān)事長、上海航天工藝與裝備工程技術(shù)研究中心技術(shù)委員會(huì)委員、上海市復(fù)雜金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)中心專家技術(shù)委員會(huì)委員，獲上海理工大學(xué)五四青年個(gè)人/團(tuán)體獎(jiǎng)?wù)碌?。主持國家級?xiàng)目6項(xiàng)(國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)、國家自然科學(xué)基金面上/青年項(xiàng)目等)、省部級項(xiàng)目7項(xiàng)及企業(yè)委托課題20余項(xiàng)?，F(xiàn)擔(dān)任《金剛石與磨料磨具工程》期刊編委、AMF期刊青年編委，第一作者/通訊作者身份發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利13項(xiàng)。獲中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、中國產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新成果獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、中國發(fā)明協(xié)會(huì)創(chuàng)新二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

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責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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