软硬相间仿生材料的摩擦过程及减阻机理研究

根据粘着摩擦理论，结合“软—硬”相间结构特点，确立软硬相间仿生材料摩擦过程数学模型，探究软硬相间仿生材料摩擦机理。软硬相间仿生材料表面的“软—硬”相间结构使其摩擦过程较单一材料摩擦过程复杂的多。在粘着的产生阶段，软、硬材料在接触峰点均会产生粘着，由于软、硬材料粘着产生与扩展条件不同，会导致载荷的重新分布。最终软、硬材料粘着会协同产生与协同扩展。在粘着点剪切阶段，由于软、硬材料的粘着情况不同且软、硬材料被切向力剪断的条件不同，因此产生的粘着摩擦力也更复杂。本项目探索软、硬材料之间的协同作用，建立软硬相间仿生材料摩擦过程数学模型，揭示软硬相间仿生材料减阻、耐磨机理，并通过摩擦试验验证提出理论的准确性。同时建立软硬相间仿生材料摩擦过程有限元模型，研究摩擦过程中软硬相间仿生材料的摩擦特点。最终根据提出的摩擦理论及摩擦性能多因素协同影响特点，基于实际工况中对材料摩擦性能的需求，提出软硬相间仿生材料的系统化设计方法。

“软—硬”相间结构在生物体中普遍存在，以此为灵感设计的软硬相间仿生材料表现出了出众的减阻、耐磨性能。本项目研究软硬相间仿生材料摩擦性能，以经典的粘着摩擦理论为基础，结合“软—硬”相间结构特点，建立软硬相间仿生材料摩擦过程的数学模型，揭示软硬相间仿生材料减阻、耐磨机理，探索其摩擦过程的多因素协同影响特点，提出基于摩擦学性能的软硬相间仿生材料的系统化设计方法，并针对软硬相间材料特点，应用化学共价共混、3D打印、激光加工等方法制备软硬相间仿生材料。拟解决三项关键科学问题：建立软硬相间仿生材料摩擦过程的数学模型，揭示软硬相间仿生材料减阻、耐磨机理，提出基于摩擦学特性的软硬相间仿生材料的系统化设计方法。项目研究可以为基于摩擦学特性的软硬相间仿生材料的制备与应用提供拓展性思路。

有杆抽油泵（简称“抽油泵”）是我国油田高耗能和易磨损的主要装备之一，目前的抽油泵研究尚未理想地解决柱塞和泵筒摩擦副的减阻和耐磨问题。本项目针对抽油泵工作时柱塞磨损的主要问题，选取东方沙蚺和红尾蚺作为仿生研究的生物模本，设计仿生六边形织构表面，利用仿真模拟研究仿生六边形织构在抽油泵柱塞耐磨、减阻、密封方面的作用，并搭建多个加工和检测装置，开展试验验证和相关参数优化，基于仿生非光滑理论解决抽油泵柱塞表面的耐磨、减阻、密封三个关键问题，形成相应关键技术，拓展仿生非光滑理论的应用。 生物模板研究结果表明，形状近似于六边形的红尾蚺与东方沙蚺体表鳞片从外至内存在硬度梯度，且单一鳞片的前端和后部也存在硬度变化，蛇体表具有软硬相间的特性，而鳞片表面形貌特征与材料力学特性对摩擦学性能具有耦合作用。耦合机制的提出，合理地解释了蛇体表鳞片具有良好耐磨减阻性能的自然现象。 基于生物模板特征，利用聚亚胺开发出仿生软硬相间材料，证实了软硬相间的复合材料具有协同效应，可以表现出比单一材料更为优异的机械性能与摩擦性能。利用激光淬火技术制备的仿生六边形织构样件，从外至内存在硬度梯度变化，且在干摩擦条件下比传统淬火技术加工的光滑表面样件具有更为优异的摩擦学性能。这些结果佐证了生物模板研究中提出的协同效应和耦合机制，发展了仿生耦合理论。 本项目将仿真模拟分析与实际试验相结合，证明了在混合摩擦与全润滑摩擦状态下仿生六边形织构样件具有比光滑表面样件更低的摩擦系数、更小的磨损量和更优的密封性能，丰富和发展了非光滑理论，开发了新型密封技术。 此外，本项目设计开发的多种新型设备和装置可满足摩擦磨损和密封性试验的需求，而仿生抽油泵柱塞的实际应用则推动了新技术的推广和普及，促进了科研成果的转化和利用。 综上，本项目已完成了项目计划书的研究内容及目标，本研究推动了仿生科学与工程知识体系的构建和完善，促进了新理论与新技术的发展与应用。

抽油泵是我国油田机采的主要方式，也是油田高耗能和易磨损的主要装备，而油田开发后期的高含水量和高含砂量工况加剧了抽油泵柱塞和泵筒间的磨损。目前的抽油泵研究尚未理想地解决柱塞和泵筒摩擦副的减阻和耐磨问题，而仿生非光滑表面理论为其减阻和耐磨研究开辟了新的方向。本研究拟针对抽油泵工作时的磨损问题和失效的主要形式，借鉴自然界中新疆岩蜥体表鳞片的近六边形结构，建立相关的数学模型、力学模型和流体力学模型，并通过理论推导和计算机模拟等手段开展几何学分析、力学分析和流体力学分析，揭示六边形非光滑结构的减阻和耐磨机理与规律，同时探索六边形非光滑结构在近抽油泵工况下对抽油泵密封性的影响，从而确立运动副非光滑表面形貌对其耐磨、减阻、密封三个功能影响的基础研究理论，并通过摩擦磨损实验台和模拟井下实验装置实验验证和优化相关参数。在保证和提高现有抽油泵密封性的前提下，应用仿生非光滑理论解决抽油泵柱塞表面减阻和耐磨问题，形成六边形非光滑表面结构的密封、减阻和耐磨的基础理论和关键技术，拓展仿生非光滑理论的应用。

本项目研究基于理论数值模拟来指导实际实验来达到制造用于海洋环境的仿生减阻抗污涂层。数值模拟方面，参考了自然界减阻的例子，具体研究了具有肋条平板减阻，三角形沟槽圆管减阻以及正在研究超疏水减阻的效果及原理，讨论了非光滑表面的微米结构的形状，大小和排布等对减阻效果的影响和其减阻原理。根据模拟结果，探索了制备减阻抗污涂层的材料，制造方法及测试方法，具体研究了各种大规模制造微米级别非光滑表面的方法，以及如何测试涂层在海洋环境下的减阻和抗污能力，海洋环境对涂层的各种性能的影响。本项目共发表SCI文章5篇，ＥＩ文章４篇及中文核心文章６篇，参加国际学术会议９次，获得相关项目支持２项，并培养学生５人。