微凸起织构化PDMS表面静摩擦特性研究

贾洪铎, 于海武, 唐火红, 李德宝, 李 蓉

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学院 合肥物质科学研究院,江苏 常州 213164)

微凸起织构化PDMS表面静摩擦特性研究

贾洪铎1, 于海武2, 唐火红1, 李德宝1, 李 蓉2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学院 合肥物质科学研究院,江苏 常州 213164)

为研究微凸起织构对聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体材料表面静摩擦特性的影响,文章分别设计了圆柱形、六边形、密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构4种类型的微凸起表面织构,并进行静摩擦实验研究。结果表明:相同的实验载荷下,同一试样在干燥条件下所获得的静摩擦力大于湿润条件下的静摩擦力;无论干燥与湿润,相同类型的织构化表面所产生的静摩擦力均随表面微凸起面积率的增大而增大;与圆柱形及六边形织构化试样相比,具有密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构的织构化试样,其静摩擦力随表面微凸起面积率的变化更加剧烈,表现出表面微凸起面积率的微小增加将导致静摩擦力的大幅增加。

弹性体微织构化表面;静摩擦力;微凸起形状;微凸起尺寸参数;润滑条件

0 引 言

随着弹性体材料在社会各行各业中日益广泛的应用,该材料的摩擦学问题变得越发重要,如汽车轮胎的纹理分析[1]、手动剃须刀润滑框设计[2]等,都与弹性体材料的摩擦学问题相关。

表面织构技术已被证明是一种改善材料表面摩擦特性的有效手段,近年来得到了越来越多的学者及工程技术人员的关注,其在硬质材料上用于减小摩擦及降低磨损的研究较多[3-5],如在轴承表面加工凹槽等[6]。文献[7]在金属表面加工了规则圆形凹坑和单向沟槽,结果表明规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有更低的摩擦系数。表面织构技术同时也被用于改善弹性体材料表面摩擦学性能,其织构形式不仅表现为微凹坑结构[8-10],同时也表现为微凸起结构[11]。文献[11]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面分别制作圆柱形及六边形微凸起织构,并对比分析了2种织构对材料表面摩擦性能的影响,研究发现，与圆柱形微凸起织构相比,六边形微凸起织构具有增大材料表面摩擦力的效果。类似的研究灵感大多来源于对树蛙足垫微结构的分析,这些研究中的微结构均借鉴于成年体树蛙足垫的六边形微结构。然而,树蛙在由幼体成长为成年体过程中,足垫微结构是不断发生变化的[12],如图1所示。由图1可看出，幼体树蛙足垫的微结构表现为六边形裙边阵列结构,而成年体树蛙的足垫则表现为独立的六边形阵列结构,这些六边形被一条浅沟槽隔离。

图1 树蛙足垫微结构

为了系统性探索弹性体表面微凸起形状、尺寸参数以及组成形式对其摩擦学性能的影响规律,本文分别参考幼体树蛙及成年体树蛙足垫微结构特征,分别设计了圆柱形、六边形、密封六边形裙边结构以及非密封六边形裙边结构微织构,并利用实验方法研究表面微织构对材料表面静摩擦特性的影响。

1 实验方法

1.1 试样制备

本文选用低弹性模量的PDMS材料,运用光刻转印技术在其表面制作出微凸起织构,其主要过程包括:

(1) 旋转涂胶。利用SC-1B匀胶机,将BN308-450紫外负性光刻胶均匀涂于玻璃基片上,胶膜厚度达5～8 μm。

(2) 烘干。在恒温烘箱内烘干后取出自然冷却至室温。

(3) 曝光。利用JKG-2A型光刻机,将涂有光刻胶的玻璃基片进行紫外光辐照处理。

(4) 显影和清洗。分别在负胶显影剂和清洗剂中均匀浸泡,被光辐照部分的光刻胶被清洗脱落,得到制作所需图案。

(5) 坚膜。将显影清洗后的玻璃基片放入烘箱内进行烘干,以坚固显影后留于玻璃基板上的光刻胶。

(6) 表面织构转印。坚膜后的玻璃基板作为转印模板,将搅拌均匀的PDMS液体倒入玻璃基板表面并固化,固化后脱模得到具有表面微凸起织构的试样表面。

试样表面三维形貌如图2所示。

图2 试样表面三维形貌

1.2 试样微织构参数设计

表面微凸起织构的主要设计参数有凸起形状、面积率等,本文主要设计的微织构的形状有圆柱形、六边形、密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构,其外形轮廓和特征参数如图3所示。

图3 PDMS表面微织构形状及特征参数

面积率指微凸起织构面积占总面积的百分比,由不同微织构的特征参数决定。图3中4种结构面积率的计算公式分别如下。

圆柱形的面积率r为:

六边形的面积率r为:

r=3d2/(4L2)；

密封六边形裙边结构的面积率r为:

非密封六边形裙边结构的面积率r为:

其中,n为密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构中的微小圆柱的个数；d在单一表面结构中为织构外接圆直径，组合结构中为内部圆柱凸超织构直径；L为织构间中心距；H为壁厚；D为内部大六边形外接圆直径；B为间隙宽度。

通过以上的设计,变量参数的取值范围选用见表1所列,共制作30种试样。

表1 微织构特征尺寸参数

1.3 试验装置及测试方法

光刻转印制作出的带有表面微织构的PDMS试样,为了更加详细地分析其表面微织构在不同条件下对试样静摩擦特性的影响,设计的润滑条件分为干燥、湿润,载荷条件为50 g预载荷和100 g预载荷,共4种外界实验条件变量。实验装置采用的TYPE12多功能表面性能测量仪如图4所示。

实验的基本过程为:

(1) 试样粘结在测试仪平台上。

(2) 用调平旋钮将测量杆调平至平衡指示灯全部熄灭。

(3) 旋转上下调节旋钮使上试样与下试样接触至显示屏数字有变化。

(4) 施加预载荷砝码;

(5)采集数据;

(6) 启动移动平台。

所有的试样分别在50 g预载荷干燥条件、50 g预载荷湿润条件、100 g预载荷干燥条件和100 g预载荷湿润条件下测试,上下试样为面面接触,测试过程中湿润条件采用注射器向摩擦副上试样和下试样之间注射30 μL的水实现。为满足静摩擦测试的需要,测试过程中两接触面之间的相对切向运动速度为0.1 mm/s,运动距离设定为3 mm,摩擦力采样间隔为0.1 ms,测试结束后将结果中的最大值定为静摩擦力。实验测试过程中每种情况测试3次,取3次测量值结果的平均值作为所得的静摩擦力。

图4 TYPE12多功能表面性能测量仪

2 实验结果与讨论

预载荷50 g,干燥及湿润2种条件下,试样静摩擦力与微凸起面积率之间的关系如图5所示。从图5可以看出,圆柱形、六边形、密封六边形裙边结构、非密封六边形裙边结构的微织构化试样,其静摩擦力均随着面积率的增大而增大。对于任何类型的微凸起表面织构,同一试样在湿润条件下产生的静摩擦力均小于干燥条件下产生的静摩擦力,这说明注射的30 μL水在两摩擦试样表面间起到了液体润滑的作用。分别在干燥及湿润条件下,对比外接圆直径为150 μm的圆柱形和六边形表面微凸起织构,可以发现六边形微凸起的静摩擦力大于圆柱形微凸起的静摩擦力。这是由于六边形微凸起的棱角部分较圆柱形微凸起,更易于与接触表面的粗糙峰与谷之间形成锁合或卡(lock or snap)的现象造成的。与圆柱形及六边形织构化试样相比,具有密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构的织构化试样,其静摩擦力随表面微凸起面积率的变化更加剧烈,表现出表面微凸起面积率的微小增加将导致静摩擦力的大幅增加,这是由于裙边对载荷力的支撑作用,使得裙边内部的微凸起不易产生变形,而增强了微凸起与接触面粗糙峰与谷之间的锁合或卡的作用强度。

图5 预载荷50 g试样静摩擦特性

预载荷100 g,干燥及湿润2种条件下,试样静摩擦力与微凸起面积率的关系如图6所示。

图6 预载荷100 g试样静摩擦特性

从图6可以看出,文中所设计的所有类型的微凸起织构化试样,其静摩擦力随微凸起面积率的变化规律与图5中预载荷为50 g时的变化规律相同,即试样的静摩擦力随微凸起面积率的增大而增大。同时,具有密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构的织构化试样,与圆柱形及六边形织构化试样相比,其静摩擦力随表面微凸起面积率增大而增大的幅度更大。对比图5和图6可知,无论在干燥及湿润条件下,所有试样的静摩擦力随着预载荷的增大而增大。

由图5、图6可以看出,所有类型的织构化试样,其在预载荷为100 g时的静摩擦力均大于预载荷为50 g时的静摩擦力,即随着预载荷的增大,静摩擦力也在增大。无论同种类型的织构化试样之间,还是不同类型的织构化试样之间,在面积率相同的条件下,其静摩擦力的差值也随着预载荷的增大而增大,体现出随着预载荷的增大,所有类型的织构化试样的静摩擦力受微凸起参数变化的影响程度也在增大,即越容易通过改变微凸起参数控制试样的静摩擦力变化。

3 结 论

本文通过设计圆柱形、六边形、密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构4种表面微凸起织构,研究了微凸起形状、尺寸参数等对PDMS弹性体表面静摩擦力的影响规律,并得到如下结论:

(1) 相同的实验载荷,本文设计的所有类型的织构化试样在干燥条件下所获得的静摩擦力大于湿润条件下的静摩擦力。

(2) 无论干燥与湿润,相同类型的织构化表面所产生的静摩擦力均随表面微凸起面积率的增大而增大。

(3) 与圆柱形及六边形织构化试样相比,具有密封六边形裙边结构和非密封六边形裙边结构的织构化试样,其静摩擦力随表面微凸起面积率的变化更加剧烈,表现出表面微凸起面积率的微小增加将导致静摩擦力的大幅增加。

[1] ROBERTS A D,LANE J D.Friction of rubber on ice in the presence of salt [J].Journal of Physics D:Applied Physics,1983,16(3):275-285.

[2] TSIPENYUK A,VARENBERG M.Use of biomimetic hexagonal surface texture in friction against lubricated skin [J].Journal of the Royal Society Interface,2014,11(94):20140113-7.

[3] YU Haiwu,WANG Xiaolei,ZHOU Fei.Geometric shape effects of surface texture on the generation of hydrodynamic pressure between conformal contacting surfaces[J].Tribology Letters,2010,37(2):123-130.

[4] WAKUDA M,YAMAUCHI Y,KANZAKI S,et al.Effect of surface texturing on friction reduction between ceramic and steel materials under lubricated sliding contact [J].Wear,2003,254(3/4):356-363.

[5] YU X Q,HE S,CAI R L.Frictional characteristics of mechanical seals with a laser-textured seal face [J].Journal of Materials Processing Technology,2002,129(1/2/3):463-466.

[6] ETSION I.State of the art in laser surface texturing [J].Journal of Tribology,2005,127:248-253.

[7] 杨本杰,刘小君,董磊,等.表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响 [J].摩擦学学报,2014,34(5):553-560.

[8] LI Jinfeng,ZHOU Fei,WANG Xiaolei.Modify the friction between steel ball and PDMS disk under water lubrication by surface texturing[J].Meccanica,2011,46(3):499-507.

[9] WANG Kun,HE Bin,SHEN Runjie.Influence of surface roughness on wet adhesion of biomimetic adhesive pads with planar microstructures[J].Micro & Nano Letters,2012,7(12):1274-1277.

[10] HUANG Wei,JIANG Liang,ZHOU Chuanxi,et al.The lubricant retaining effect of micro-dimples on the sliding surface of PDMS[J].Tribology International,2012,52:87-93.

[11] HUANG Wei,WANG Xiaolei.Biomimetic design of elastomer surface pattern for friction control under wet conditions[J].Bioinspiration & Biomimetics,2013,8(4):46001-46006.

[12] BA-OMAR T A,DOWNIE J R,BARNES W J P.Development of adhesive toe-pads in the tree-frog (phyllomedusa trinitatis)[J].Journal of Zoology,2006,250(2):267-282.

(责任编辑 闫杏丽)

Research on static friction performances of textured surface of PDMS with micro convexes

JIA Hongduo1, YU Haiwu2, TANG Huohong1, LI Debao1, LI Rong2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Changzhou 213164, China)

To study the influence of micro-convex surface texture on static friction performances of polydimethylsiloxane(PDMS) surface, four micro-convex textures were selected, including cylindrical structure, hexagonal structure, sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure, and the tests were carried out. The results show that at the same test load, the static friction of a fixed sample obtained under dry conditions is greater than that under wet conditions; the static friction increases with the increase of micro-convex density under both dry and wet conditions for the same type samples; compared with the samples with cylindrical and hexagonal micro-convex texture, the static friction obtained by the samples with sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure increases with the micro-convex density more obviously, which means that a small density increment can result in a great static friction increment.

elastic micro-textured surface; static friction; micro-convex shape; micro-convex size parameter; lubrication condition

2015-07-17；

2015-10-14

国家自然科学基金资助项目(51305425)

贾洪铎(1990-),男,辽宁辽阳人,合肥工业大学硕士生; 于海武(1982-),男,内蒙古赤峰人,博士,中国科学院副研究员,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.006

TH117.1

A

1003-5060(2016)12-1614-05