軟硬相間仿生材料的摩擦過程及減阻機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)在生物體中普遍存在，以此為靈感設(shè)計(jì)的軟硬相間仿生材料表現(xiàn)出了出眾的減阻、耐磨性能。本項(xiàng)目研究軟硬相間仿生材料摩擦性能，以經(jīng)典的粘著摩擦理論為基礎(chǔ)，結(jié)合“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學(xué)模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機(jī)理，探索其摩擦過程的多因素協(xié)同影響特點(diǎn)，提出基于摩擦學(xué)性能的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，并針對軟硬相間材料特點(diǎn)，應(yīng)用化學(xué)共價共混、3D打印、激光加工等方法制備軟硬相間仿生材料。擬解決三項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)問題：建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學(xué)模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機(jī)理，提出基于摩擦學(xué)特性的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目研究可以為基于摩擦學(xué)特性的軟硬相間仿生材料的制備與應(yīng)用提供拓展性思路。

根據(jù)粘著摩擦理論，結(jié)合“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立軟硬相間仿生材料摩擦過程數(shù)學(xué)模型，探究軟硬相間仿生材料摩擦機(jī)理。軟硬相間仿生材料表面的“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)使其摩擦過程較單一材料摩擦過程復(fù)雜的多。在粘著的產(chǎn)生階段，軟、硬材料在接觸峰點(diǎn)均會產(chǎn)生粘著，由于軟、硬材料粘著產(chǎn)生與擴(kuò)展條件不同，會導(dǎo)致載荷的重新分布。最終軟、硬材料粘著會協(xié)同產(chǎn)生與協(xié)同擴(kuò)展。在粘著點(diǎn)剪切階段，由于軟、硬材料的粘著情況不同且軟、硬材料被切向力剪斷的條件不同，因此產(chǎn)生的粘著摩擦力也更復(fù)雜。本項(xiàng)目探索軟、硬材料之間的協(xié)同作用，建立軟硬相間仿生材料摩擦過程數(shù)學(xué)模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機(jī)理，并通過摩擦試驗(yàn)驗(yàn)證提出理論的準(zhǔn)確性。同時建立軟硬相間仿生材料摩擦過程有限元模型，研究摩擦過程中軟硬相間仿生材料的摩擦特點(diǎn)。最終根據(jù)提出的摩擦理論及摩擦性能多因素協(xié)同影響特點(diǎn)，基于實(shí)際工況中對材料摩擦性能的需求，提出軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

有桿抽油泵（簡稱“抽油泵”）是我國油田高耗能和易磨損的主要裝備之一，目前的抽油泵研究尚未理想地解決柱塞和泵筒摩擦副的減阻和耐磨問題。本項(xiàng)目針對抽油泵工作時柱塞磨損的主要問題，選取東方沙蚺和紅尾蚺作為仿生研究的生物模本，設(shè)計(jì)仿生六邊形織構(gòu)表面，利用仿真模擬研究仿生六邊形織構(gòu)在抽油泵柱塞耐磨、減阻、密封方面的作用，并搭建多個加工和檢測裝置，開展試驗(yàn)驗(yàn)證和相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，基于仿生非光滑理論解決抽油泵柱塞表面的耐磨、減阻、密封三個關(guān)鍵問題，形成相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，拓展仿生非光滑理論的應(yīng)用。 生物模板研究結(jié)果表明，形狀近似于六邊形的紅尾蚺與東方沙蚺體表鱗片從外至內(nèi)存在硬度梯度，且單一鱗片的前端和后部也存在硬度變化，蛇體表具有軟硬相間的特性，而鱗片表面形貌特征與材料力學(xué)特性對摩擦學(xué)性能具有耦合作用。耦合機(jī)制的提出，合理地解釋了蛇體表鱗片具有良好耐磨減阻性能的自然現(xiàn)象。 基于生物模板特征，利用聚亞胺開發(fā)出仿生軟硬相間材料，證實(shí)了軟硬相間的復(fù)合材料具有協(xié)同效應(yīng)，可以表現(xiàn)出比單一材料更為優(yōu)異的機(jī)械性能與摩擦性能。利用激光淬火技術(shù)制備的仿生六邊形織構(gòu)樣件，從外至內(nèi)存在硬度梯度變化，且在干摩擦條件下比傳統(tǒng)淬火技術(shù)加工的光滑表面樣件具有更為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。這些結(jié)果佐證了生物模板研究中提出的協(xié)同效應(yīng)和耦合機(jī)制，發(fā)展了仿生耦合理論。 本項(xiàng)目將仿真模擬分析與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合，證明了在混合摩擦與全潤滑摩擦狀態(tài)下仿生六邊形織構(gòu)樣件具有比光滑表面樣件更低的摩擦系數(shù)、更小的磨損量和更優(yōu)的密封性能，豐富和發(fā)展了非光滑理論，開發(fā)了新型密封技術(shù)。 此外，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的多種新型設(shè)備和裝置可滿足摩擦磨損和密封性試驗(yàn)的需求，而仿生抽油泵柱塞的實(shí)際應(yīng)用則推動了新技術(shù)的推廣和普及，促進(jìn)了科研成果的轉(zhuǎn)化和利用。 綜上，本項(xiàng)目已完成了項(xiàng)目計(jì)劃書的研究內(nèi)容及目標(biāo)，本研究推動了仿生科學(xué)與工程知識體系的構(gòu)建和完善，促進(jìn)了新理論與新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

抽油泵是我國油田機(jī)采的主要方式，也是油田高耗能和易磨損的主要裝備，而油田開發(fā)后期的高含水量和高含砂量工況加劇了抽油泵柱塞和泵筒間的磨損。目前的抽油泵研究尚未理想地解決柱塞和泵筒摩擦副的減阻和耐磨問題，而仿生非光滑表面理論為其減阻和耐磨研究開辟了新的方向。本研究擬針對抽油泵工作時的磨損問題和失效的主要形式，借鑒自然界中新疆巖蜥體表鱗片的近六邊形結(jié)構(gòu)，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型、力學(xué)模型和流體力學(xué)模型，并通過理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬等手段開展幾何學(xué)分析、力學(xué)分析和流體力學(xué)分析，揭示六邊形非光滑結(jié)構(gòu)的減阻和耐磨機(jī)理與規(guī)律，同時探索六邊形非光滑結(jié)構(gòu)在近抽油泵工況下對抽油泵密封性的影響，從而確立運(yùn)動副非光滑表面形貌對其耐磨、減阻、密封三個功能影響的基礎(chǔ)研究理論，并通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)臺和模擬井下實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。在保證和提高現(xiàn)有抽油泵密封性的前提下，應(yīng)用仿生非光滑理論解決抽油泵柱塞表面減阻和耐磨問題，形成六邊形非光滑表面結(jié)構(gòu)的密封、減阻和耐磨的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，拓展仿生非光滑理論的應(yīng)用。

本項(xiàng)目研究基于理論數(shù)值模擬來指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)來達(dá)到制造用于海洋環(huán)境的仿生減阻抗污涂層。數(shù)值模擬方面，參考了自然界減阻的例子，具體研究了具有肋條平板減阻，三角形溝槽圓管減阻以及正在研究超疏水減阻的效果及原理，討論了非光滑表面的微米結(jié)構(gòu)的形狀，大小和排布等對減阻效果的影響和其減阻原理。根據(jù)模擬結(jié)果，探索了制備減阻抗污涂層的材料，制造方法及測試方法，具體研究了各種大規(guī)模制造微米級別非光滑表面的方法，以及如何測試涂層在海洋環(huán)境下的減阻和抗污能力，海洋環(huán)境對涂層的各種性能的影響。本項(xiàng)目共發(fā)表SCI文章5篇，ＥＩ文章４篇及中文核心文章６篇，參加國際學(xué)術(shù)會議９次，獲得相關(guān)項(xiàng)目支持２項(xiàng)，并培養(yǎng)學(xué)生５人。