摩擦現象在自然界中普遍存在，與日常生活息息相關。但摩擦給人們生活帶來便利的同時，也會導致能源浪費和機器失效報廢。因此，降低因表面摩擦系數過大導致的能源浪費、儀器穩定性下降和使用壽命損耗是許多研究人員的首要任務之一。
表面微結構能夠作為磨屑收集器、儲存潤滑劑并降低真實接觸面積，從而具有極好的減摩效果。表面精密加工技術(如激光加工、反應離子刻蝕、金剛石壓印等)的發展，促進了表面幾何微結構在摩擦學方向的發展。如發動機氣缸上的45°網紋結構不僅可以儲存潤滑油，且能增大承載能力，改善潤滑狀態，從而延長使用壽命。
根據實驗要求，所采用的非晶合金須有良好的抗氧化性、高的熱穩定性、較低的玻璃轉變溫度和較高的脆度。選擇Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金作為研究對象。
采用X射線衍射儀對電弧熔煉的Zr35Ti30Cu8.25Be26.75合金進行結構分析，并選用差示掃描量熱儀標定其熱力學參數。
圖1:Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金的XRD圖譜(a)和DSC曲線(b)
圖1a、圖1b分別是Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金試樣XRD、DSC實驗結果。圖1a中XRD圖分析只在2θ≈38°附近有一寬的非晶彌散峰，且沒有表征晶體相的Bragg衍射尖峰出現，表明該合金為單一的非晶相。DSC測得玻璃化轉變溫度Tg為305℃，晶化溫度Tx為465.8℃，過冷液相區范圍ΔT=Tx-Tg為160.8℃。
鑒于自然界中，蜂窩具有六邊形結構，節約材料的同時可以使得空間得以最大化利用，這種結構能使六邊形表面微結構在干、濕接觸時更有效地穩定摩擦。因此，設計出正六邊形蜂窩狀結構，壁厚W=8μm，深度H=100μm，相鄰蜂窩中心間距P=35.5～195μm。
將蝕刻好的硅模與非晶合金片疊放于夾具中(防止非晶態合金在熱壓成形時向四周流動而降低其復制性)，放置在設定溫度390℃的測試平臺。待溫度回升至設定溫度并保溫1～3min后開始壓印，時間12min。實驗完成后，迅速打開加熱箱門，立刻放入池中水冷而分開熱壓成形夾具。
圖2:不同蜂窩間距下Zr基非晶合金成形后SEM形貌圖
(a)P=35.5μm(b)P=75.5μm(c)P=155μm(d)P=195μm
硅模腐蝕在質量分數為30%的NaOH溶液中進行。待樣品超聲干凈，干燥后，采用X衍射分析儀測試其表面是否晶化，采用掃描透射電鏡SEM進行形貌分析(圖2)，采用激光共聚焦三維輪廓儀測量結構的深度是否符合實驗要求，平均深度均達到100μm。
圖3:摩擦磨損試驗機銷-平面接觸示意圖(a)和不同尺寸結構俯視圖(b)
選擇摩擦磨損試驗機進行摩擦性能測試。采用銷-平面接觸、線性往復摩擦程序，原理如圖3所示。選用材質為Si3N4(Φ2.6mm×2cm)陶瓷作為磨銷，接觸載荷選為4和10N，滑移速度選為10mm·s-1，摩擦時間選為900s。通過滴管以滴液方式在微結構表面覆蓋一層水層模擬濕摩擦。每組實驗重復3次以保證數據可靠性。
（1）干摩擦條件
圖4:不同P值的摩擦系數和時間的關系(a)及不同P值微結構的平均摩擦系數(b)
圖4為不同尺寸非晶合金表面幾何微結構的摩擦系數和時間的關系。從圖4a可以看出，表面光滑樣品的摩擦系數曲線呈現明顯的上下波動，波動范圍0.8～1.3，平均摩擦系數穩定在1.07，這是由于摩擦產生的磨屑未能排出摩擦區域，在反復摩擦過程中，導致三體摩擦而產生多次摩損，使得摩擦系數曲線波動很大。而具有表面幾何微結構樣品的摩擦系數則呈現明顯的下降，并且波動明顯減少，這是由于微孔結構能夠收集摩擦磨損產生的磨屑，減少三體接觸；P=155和195μm的摩擦系數曲線都是先迅速增加，然后到達穩定值0.60和0.68，整體趨勢很相似，而P=35.5μm的摩擦系數曲線波動很大，最終穩定在0.75；P=75.5μm的摩擦系數開始迅速增加，后減小，最終穩定在0.43。從圖4b可以看出，隨著蜂窩間距P的增加，摩擦系數呈現先快速減小后緩慢增加的趨勢，并且在P=75.5μm時摩擦系數取得最小值，相對于光滑平面摩擦系數降低了60.0%。
圖5:不同P值非晶合金表面磨損SEM形貌圖
(a)光滑表面(b)P=35.5μm(c)P=75.5μm(d)P=155μm(e)P=195μm
圖5為摩擦試樣的SEM圖，從圖5b可以看出，磨損區域的微結構都已經被完全破壞，微孔都被磨損產生的磨屑和表面產生的塑性變形所覆蓋，這說明在P=35.5μm條件下，微結構極易被破壞，不能持續提高摩擦性能。光滑表面和P=35.5μm的表面由于實際接觸面積較大，在硬質摩擦副的作用下，都有粘附現象發生。隨著P值的增加，其表面形貌變化趨勢基本一致，圖5c中發現存在一些微孔已經被磨屑填滿，微結構磨損的高度也隨著P值的增加先減小后增加，和摩擦系數的變化保持一致。當P=195μm時，如圖5e，其磨損形貌表現為，蜂窩壁寬度增加了近一倍，有明顯的塑性變形，而在磨損邊緣也有摩擦產生的碎片。總體而言，在干摩擦條件下，表面微結構除了能夠減少摩擦副的接觸面積、收集摩擦產生的磨屑，還可以有效的減輕犁溝效應，將光滑平面產生連續的犁溝割裂成小段。
（2）濕摩擦條件
圖6:4N(a)和10N(b)水潤滑載荷下，不同P值非晶合金表面的摩擦系數曲線圖和所對應的平均摩擦系數(c)
圖6為4N載荷下不同P值微結構表面的摩擦系數關系圖。由圖可知，光滑表面的樣品的摩擦系數曲線波動大，波動范圍0.939±0.095，較干摩擦條件下有輕微減弱，這主要是由于水潤滑的作用。具有微結構的樣品的摩擦系數趨勢基本一致；開始隨著摩擦時間的增加，摩擦系數迅速增加；到達最高點后摩擦系數又緩慢減小，300s后開始穩定下來，最終達到穩定狀態。P=35.5μm摩擦系數曲線存在幾個突出、不穩定的點；P=155和195μm的摩擦系數曲線均值穩定在0.58和0.60左右，整體略低于干摩擦條件；值得注意的是，P=75.5μm在所有微結構中的摩擦系數曲線最低，平均摩擦系數相對于光滑表面下降了46.8%；總體摩擦系數變化形狀和干摩擦一致，而波動程度都比干摩擦條件下的稍微減少。
圖6b為10N下水潤滑摩擦系數曲線圖。隨著載荷的增加，其摩擦系數曲線出現了不穩定性。具有表面微結構的摩擦系數曲線在到達500s后都表現出穩定狀態，平均摩擦系數依次為0.811、0.608、0.463、0.569和0.582，且摩擦系數隨著載荷的增加而減少，這是由于實際接觸面積與載荷為非線性關系，使得摩擦系數降低，符合摩擦二項式定律。
圖6c為不同P值對應的平均摩擦系數，可以看出，隨著載荷的增加，微結構同樣能夠穩定和減小摩擦系數，但是不同P值表面微結構對摩擦系數的影響也將變弱。為了研究濕摩擦條件下的磨損機理，本研究通過SEM掃描水潤滑條件下(載荷4N)的磨損形貌，如圖7所示。結果發現P=35.5μm的磨損區域大部分被覆蓋，只有少許可以看出微孔的結構，但表面都有不同程度的粘附現象和明顯的犁溝槽發生。P=155和P=195μm的磨損表面相對于干摩擦下，表面塑性變形減弱。P=75.5μm的磨損表面只有輕微的犁溝現象，磨損表面呈現平整狀態，這與其摩擦系數最小和磨損速率最慢相一致。同樣由于水潤滑的作用，相同結構的表面摩擦行為所呈現出的是更平穩的摩擦系數。
（1）在干摩擦和水潤滑條件下，摩擦系數隨著表面蜂窩結構中心間距的增加先減小后增大。
（2）在干摩擦條件下，摩擦系數相對于光滑表面最多下降了60.0%，在水潤滑條件下，摩擦系數最多下降了46.8%。
（3）理論分析表明：摩擦力正比于真實接觸面積。隨著相鄰蜂窩中心間距的增加，真實接觸面積降低，從而減小了摩擦系數，同時表面微結構還能夠收集磨屑、儲存潤滑劑、提高承載能力；當相鄰蜂窩中心間距進一步增加時，減小真實接觸面積同時顯著增加了接觸應力，使得犁溝效應增強，從而摩擦系數增加，因此摩擦系數隨蜂窩間距增大呈先減小后增加趨勢。
來源：塑性工程學報 2018年第25卷第5期 李寧 徐二江 柳林 王新云 李建軍《非晶合金表面熱壓印微結構的摩擦性能研究》
