可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方法

1.本发明涉及机械工程及材料科学领域，特别是涉及一种可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方法。


背景技术：

2.多孔储液介质内部具有一定的孔隙率用于储存润滑介质，从而保证了良好的自润滑性能。在外部载荷的刺激下，润滑介质能够从孔隙中析出并在摩擦副间隙形成流体动压润滑油膜，也能够在内部毛细管力的驱动下自发地实现表面润滑油的回吸，从而形成循环智能润滑系统。但值得注意的是，润滑介质也能够在油膜压力的作用下渗入多孔基体，从而使润滑油膜厚度降低，油膜承载能力下降，这意味着多孔储液介质的自润滑性能和油膜承载能力难以平衡。
3.然而良好的油润滑条件往往需要较高的孔隙率，而较高的孔隙率会降低多孔储液介质基体的机械性能；润滑介质的过早、过多渗出，或者不充分回收也会造成多孔储液介质服役寿命的下降。此外，目前的多孔储液介质多采用模压成型的工艺制备，难以满足自润滑复杂构件的制备需求，从而限制了多孔储液介质的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方法，可实现孔隙结构和润滑效果的调控。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种可编程自润滑储液介质，包括：多孔储液层和微结构表层；
7.微结构表层设置在多孔储液层上；
8.所述多孔储液层中的孔隙为孔隙直径、孔隙率均可调的单层或复层微孔隙；所述孔隙储存有润滑介质；
9.所述微结构表层为结构形态参数、分布状态均可调的微纳织构，所述微结构表层用于促进润滑介质的泵送循环以及流体动压润滑效应。
10.一种可编程自润滑储液介质的制备方法，包括：
11.构造可编程自润滑储液介质的数字模型；
12.根据所述数字模型，采用增材制造技术自下而上依次制备多孔储液层和微结构表层；
13.采用真空热浸渍工艺将润滑介质引入多孔储液层的孔隙中，形成可编程自润滑储液介质。
14.一种可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法，包括：
15.基于雷诺方程，建立考虑内部孔隙结构的可编程自润滑储液介质的流体运动方程；
16.对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程；
17.根据期望的润滑效果，预设多组结构参数；所述结构参数包括多孔储液层的孔隙直径、多孔储液层的孔隙率、微结构表层的孔隙直径、微结构表层的孔隙深度和微结构表层的多孔层厚；
18.根据每组结构参数，采用有限差分法对无量纲的reynolds方程进行离散迭代，获得每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布；
19.将每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布与期望的润滑效果所对应的表面流体升力分布进行比较，确定最优的一组结构参数，作为可编程自润滑储液介质的结构参数。
20.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
21.本发明公开一种可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方法，多孔储液层中的孔隙为孔隙直径、孔隙率均可调的单层或复层微孔隙，微结构表层为结构形态参数、分布状态均可调的微纳织构，可根据期望的润滑效果，调控孔隙分布和结构参数，达到了孔隙结构可控和润滑效果可控的目的。
22.在可编程自润滑储液介质的制备方法中，采用增材制造技术制备多孔储液介质，克服了现有采用模压成型工艺难以满足自润滑复杂构件的制备需求，限制多孔储液介质的应用范围的缺陷。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例1提供的一种可编程自润滑储液介质的结构示意图；
25.图2为本发明实施例2提供的一种可编程自润滑储液介质的制备方法的流程图；
26.图3为本发明实施例3提供的一种可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法的流程图；
27.图4为本发明实施例4提供的截面光学显微图；
28.图5为本发明实施例4提供的两种样品的sem图；图5中的(a)为一种样品的sem图，图5中的(b)为另一种样品的sem图；
29.图6为本发明实施例4提供的两种样品的表面润滑升力分布示意图；
30.图7为本发明实施例4提供的不同表面微结构样品的摩擦系数分布示意图；
31.图8为本发明实施例4提供的可编程自润滑储液介质的润滑机理示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的目的是提供一种可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方
法，可实现孔隙结构和润滑效果的调控。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.实施例1
36.如图1所示，本发明实施例提供了一种可编程自润滑储液介质，其包括：多孔储液层和微结构表层。微结构表层设置在多孔储液层上。所述多孔储液层中的孔隙为孔隙直径、孔隙率均可调的单层或复层微孔隙；所述孔隙储存有润滑介质。所述微结构表层为结构形态参数、分布状态均可调的微纳织构，所述微结构表层用于促进润滑介质的泵送循环以及流体动压润滑效应。
37.可编程自润滑储液介质还包括：底层。所述底层设置于多孔储液层的下方。所述底层用于阻止润滑介质的泄漏。
38.多孔储液层对应图1中的b层(多孔储液介质内部含油多孔层)，微结构表层对应图1中的a层(多孔储液介质表层结构层)，底层对应图1中的c层(多孔储液介质底层)。
39.多孔储液层和微结构表层可以选用同系列/不同系列的材料制备，但可一次成型。
40.在一个示例中，多孔储液层的微孔隙为复层微孔隙，具体的优选为单层或双层不同孔隙率、孔隙直径的结构复合，多孔储液层中孔隙的直径取值范围为1μm～500μm，孔隙率小于30％。
41.微结构表层可采用增材制造技术在里层微孔隙结构上直接成型；微结构表层的结构参数服从设计方法，有利于促进流体动压润滑效应。
42.本发明提供的一种可编程自润滑储液介质具有孔隙结构可调、润滑效果可控的特点，并且多孔储液介质的形态可按需设计。
43.本发明提供的一种可编程自润滑储液介质具体用于制备工程机械中供油困难、不便润滑的核心装备零部件。并且具有摩擦系数低、定点给油、润滑性能可控的特点，且制备工艺简单、材料范围广，在机械工程领域具有广泛的应用前景。
44.实施例2
45.本发明实施例提供了一种可编程自润滑储液介质的制备方法，如图2所示，包括：
46.步骤s1，构造可编程自润滑储液介质的数字模型。
47.通过cad软件直接构造可编程自润滑储液介质数字模型，整体结构形态以及表层微结构的形貌、分布状态可按需设计。
48.步骤s2，根据所述数字模型，采用增材制造技术自下而上依次制备多孔储液层和微结构表层。
49.增材制造技术可以为熔融沉积、光固化、墨水直写中的一种，即增材制造技术可以为光固化3d打印、熔融沉积3d打印、直写3d打印中的一种。制备过程中先选用含有造孔剂成分的材料制备里层孔隙结构，随后选用不含有造孔剂成分的材料制备表层结构。所以，用于制备自润滑储液介质的原材料需满足光固化3d打印、熔融沉积3d打印、直写3d打印中的一种或多种需求，此外对基体材料种类没有特殊要求。
50.在制备多孔储液层时采用的原材料含有同一或不同含量的造孔剂；所述造孔剂在原材料中的含量为小于40wt％。
51.在制备微结构表层时采用不含有造孔剂成分的材料。
52.步骤s3，采用真空热浸渍工艺将润滑介质引入多孔储液层的孔隙中，形成可编程自润滑储液介质。
53.真空热浸渍工艺的真空度小于-75kpa，浸渍温度为25℃-90℃，浸渍时间为2h-72h。在一个示例中，真空热浸渍工艺具体优选为真空度-80kpa，浸渍温度为40℃，浸渍时间为72h。
54.润滑介质优选包括全氟聚醚、液体石蜡、二甲基硅油和聚α烯烃中的一种或多种，在本发明实施例中所述润滑介质具体优选为二甲基硅油。
55.制备的可编程自润滑储液介质需通过后处理去除致孔剂，优选致孔剂可采用水洗去除或高温去除，水洗时间为0h～72h，高温处理温度为30℃～300℃，高温处理时间为0h～72h。
56.实施例3
57.本发明实施例提供了一种可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法，侮辱3所示，包括：
58.步骤1：基于雷诺方程，建立考虑内部孔隙结构的可编程自润滑储液介质的流体运动方程。
59.流体运动方程为
[0060][0061]
式中，h为流体间隙，t为多孔层厚，p为流体压力，η为流体运动粘度，u为摩擦副移动速度，(x,y)为两个摩擦副表面间的任意点坐标，k
p
为动态渗透率；
[0062][0063]
其中，φ0为多孔储液层的孔隙率，εv为应变，δp为压力差，ks为经验参数，d为骨架平均半径。
[0064]
动态渗透率k
p
的推导过程如下：
[0065]
假定多孔储液介质初始固相骨架体积为vs，其动态变化体积为δvs；多孔储液介质初始表征体积为vb,其动态变化为δvb；多孔储液介质初始孔隙体积为v
p
，其动态变化体积为δv
p
；多孔储液介质初始孔隙率为φ0，且多孔储液介质各项同性。根据孔隙率的定义则有：
[0066][0067][0068][0069]
[0070]
考虑固相骨架为弹性变形，则有因外部压力引起固相骨架体积变化为：
[0071]
δvs/vs＝-δp/ksꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
将式5代入式4则有：
[0073][0074][0075]
其中φ为动态孔隙率，φ0为初始孔隙率，e为固相骨架材料的弹性压缩模量，εv为应变，v为泊松比；ks为颗粒体积模量，由式(7)计算。
[0076]
渗透率是指在一定的压差下，固相结构允许流体通过的能力，其直接决定了多孔储液介质的介质泵送循环行为。实际上，孔隙率的变化会导致孔隙结构的变化，因而往往也会引起渗透率的改变。现有的研究中常用于描述孔隙结构与流体压力变化的孔隙模型主要有kozeny-carman方程和imay方程。kozeny-carman方程也称球体方程，被广泛应用于层流状态下的流体动力学计算，根据kozeny-carman方程则有：
[0077][0078]
其中φ孔隙率，d骨架平均半径，k为经验参数，一般为5；考虑动态孔隙率则有：
[0079][0080]
步骤2：对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程。
[0081]
具体包括：
[0082]
构建两个摩擦副表面间的任意点膜厚为式中，h为两个摩擦副表面间的任意点(x,y)的膜厚，h
p
为微结构表层的孔隙深度，h0为摩擦副的初始间隙，δ为特定区域，(x,y)为无量纲的(x,y)；
[0083]
定义无量纲参数式中，l为单元区域长度，p0为大气压力，ψ为中间函数；
[0084]
根据定义的无量纲参数，对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程为式中，∧为中间函数，∧＝(6*u*η'*l)/(p0*h
02
)，η'为润滑剂粘度，u为摩擦副相对滑移速度。
[0085]
步骤3：根据期望的润滑效果，预设多组结构参数；所述结构参数包括多孔储液层的孔隙直径、多孔储液层的孔隙率、微结构表层的孔隙直径、微结构表层的孔隙深度和微结构表层的多孔层厚。
[0086]
步骤4：根据每组结构参数，采用有限差分法对无量纲的reynolds方程进行离散迭代，获得每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布。
[0087]
步骤5：将每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布与期望的润滑效果所对应的表面流体升力分布进行比较，确定最优的一组结构参数，作为可编程自润滑储液介质的结构参数。
[0088]
实施例4
[0089]
本实施例中所采用的的基本墨水(btht)配方如表1所示。可编程自润滑储液介质的制备原材料如表2所示，其中本实施例采用去离子水作为致孔剂，采用光固化3d打印技术自下而上的完成样品制备，模型示意图如图1所示。不同打印阶段的墨水配方如表3所示，当模型打印完成过后，取出样品用乙醇超声清洗10.00min后，放置于紫外灯下固化处理15.00min，完全固化后得到3d打印的多孔储液介质预制样品。将预制的多孔储液介质样品放入烘箱中去除水分，温度为100℃，整个后处理过程持续48小时。采用二甲基硅油为润滑介质，将经过热处理的多孔储液介质试样浸入装有二甲基硅油的真空容器中，维持浸渍环境温度40.00℃，保持-80.00kpa的真空环境72.00h，使得多孔储液介质内部孔隙被二甲基硅油浸润。
[0090]
所制备的可编程自润滑储液介质截面光学照片及sem照片分别如图4、图5所示，不同样品的基本性能如表4所示。根据计算方法，不同表面微结构的及内部孔隙结构样品的表面润滑升力分布如图6所示。基于实施例3的制备方法，不同表面微结构的样品的摩擦系数分布如图7所示。
[0091]
可编程自润滑储液介质的润滑机理如图8所示，在不受外部环境刺激的情况下，润滑介质储存在多孔储液介质内部含油层的孔隙中，受到外部载荷作用后，多孔储液介质孔隙受压变形，润滑介质从内部含油层挤压渗出至表面微结构层；随着摩擦副的运动，润滑介质在多孔储液介质表面铺展成膜，并在表面微结构的诱导下产生流体动压润滑效应，表面微结构的分布可控，从而实现储液介质自润滑效果的可编程控制；当多孔储液介质不受外部载荷作用时，多孔储液介质内层孔隙扩张，摩擦副表面的润滑介质回流渗入内部孔隙储存。图8中surface microstructure layer表示微结构表面层，internal porous oil-containing layer表示多孔储液层，origin no load表示原点空载；loading表示附加，frictionpair表示摩擦副，extrusion表示挤压，deformed with load表示负载变形；lubricating medium表示润滑介质，porous framework表示多孔骨架，surface microstructure表示表面微观结构；squeeze effective表示挤压有效，pumping表示泵送；seepage表示渗透，recoverywithoutload表示无负载恢复，rubbing withload表示带负荷摩擦。
[0092]
表1基本墨水(btht)配方
[0093][0094][0095]
表2光固化墨水配方
[0096]
编号btht(wt％)去离子水(wt％)l-0100.000.00l-1882.0018.00l-2872.0028.00
[0097]
表3不同样品的墨水配方
[0098]
编号a层b层c层对比例1l-0l-0l-0实施例1l-18l-18l-18实施例2l-28l-28l-28实施例3l-0l-28l-0
[0099]
表4不同样品的基本性能
[0100]
编号摩擦系数孔隙率含油率保油率对比例10.1220％0％-实施例10.10813.5％8.37％90.45％实施例20.094321.0％17.01％88.12％
[0101]
本发明的有益效果如下：
[0102]
(1)可编程自润滑储液介质的微结构表层孔隙可按需设计，能够促进流体动压润滑效应；能够在更好的析出与回收润滑介质，也能实现按需定点润滑，避免润滑介质的浪费；
[0103]
(2)可编程自润滑储液介质的多孔储液层孔隙结构参数可动态调控，不同孔隙结构参数的复合可以形成梯度结构，能够在保证含油率的同时，避免机械性能的过度损耗；
[0104]
(3)可编程自润滑储液介质可根据界面润滑效果的要求，结合设计方法实现孔隙分布、结构参数的调控；也可根据使役环境、形态特征的需求，实现复杂形状含油自润滑器件的一体化成型。
[0105]
(4)可编程自润滑储液介质的多孔储液层与微结构表层可采用同系列或不同系列的材料制备；表层可选用硬度较高的材料以减小磨损，里层可选用杨氏模量较小的材料以利于润滑介质的析出。
[0106]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0107]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种可编程自润滑储液介质，其特征在于，包括：多孔储液层和微结构表层；微结构表层设置在多孔储液层上；所述多孔储液层中的孔隙为孔隙直径、孔隙率均可调的单层或复层微孔隙；所述孔隙储存有润滑介质；所述微结构表层为结构形态参数、分布状态均可调的微纳织构，所述微结构表层用于促进润滑介质的泵送循环以及流体动压润滑效应。2.根据权利要求1所述的可编程自润滑储液介质，其特征在于，还包括：底层；所述底层设置于多孔储液层的下方；所述底层用于阻止润滑介质的泄漏。3.根据权利要求1所述的可编程自润滑储液介质，其特征在于，所述多孔储液层中孔隙的直径取值范围为1μm～500μm，孔隙率小于30％。4.一种可编程自润滑储液介质的制备方法，其特征在于，包括：构造可编程自润滑储液介质的数字模型；根据所述数字模型，采用增材制造技术自下而上依次制备多孔储液层和微结构表层；采用真空热浸渍工艺将润滑介质引入多孔储液层的孔隙中，形成可编程自润滑储液介质。5.根据权利要求4所述的可编程自润滑储液介质的制备方法，其特征在于，在制备多孔储液层时采用的原材料含有同一或不同含量的造孔剂；所述造孔剂在原材料中的含量为小于40wt％；在制备微结构表层时采用不含有造孔剂成分的材料。6.根据权利要求5所述的可编程自润滑储液介质的制备方法，其特征在于，采用真空热浸渍工艺将润滑介质引入多孔储液层的孔隙中，形成可编程自润滑储液介质，之后还包括：采用水洗或高温去除造孔剂，水洗时间为0h～72h，高温去除温度为30℃～300℃。7.根据权利要求4所述的可编程自润滑储液介质的制备方法，其特征在于，所述真空热浸渍工艺的真空度小于-75kpa，浸渍温度为25℃-90℃，浸渍时间为2h-72h。8.一种可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法，其特征在于，包括：基于雷诺方程，建立考虑内部孔隙结构的可编程自润滑储液介质的流体运动方程；对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程；根据期望的润滑效果，预设多组结构参数；所述结构参数包括多孔储液层的孔隙直径、多孔储液层的孔隙率、微结构表层的孔隙直径、微结构表层的孔隙深度和微结构表层的多孔层厚；根据每组结构参数，采用有限差分法对无量纲的reynolds方程进行离散迭代，获得每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布；将每组结构参数对应的可编程自润滑储液介质表面流体升力分布与期望的润滑效果所对应的表面流体升力分布进行比较，确定最优的一组结构参数，作为可编程自润滑储液介质的结构参数。9.根据权利要求8所述的可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法，其特征在于，所述流体运动方程为
式中，h为流体间隙，t为多孔层厚，p为流体压力，η为流体运动粘度，u为摩擦副移动速度，(x,y)为两个摩擦副表面间的任意点坐标，k
p
为动态渗透率；其中，φ0为多孔储液层的孔隙率，ε
v
为应变，δp为压力差，ks为经验参数，d为骨架平均半径。10.根据权利要求9所述的可编程自润滑储液介质的结构参数确定方法，其特征在于，对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程，具体包括：构建两个摩擦副表面间的任意点膜厚为式中，h为两个摩擦副表面间的任意点(x,y)的膜厚，h
p
为微结构表层的孔隙深度，h0为摩擦副的初始间隙，δ为特定区域，(x,y)为无量纲的(x,y)；定义无量纲参数式中，l为单元区域长度，p0为大气压力，ψ为中间函数；根据定义的无量纲参数，对所述流体运动方程进行无量纲处理，获得无量纲的reynolds方程为式中，∧为中间函数，∧＝(6*u*η'*l)/(p0*h
02
)，η'为润滑剂粘度，u为摩擦副相对滑移速度。

技术总结
本发明公开一种可编程自润滑储液介质及其制备方法、结构参数确定方法，属于机械工程及材料科学领域。多孔储液层中的孔隙为孔隙直径、孔隙率均可调的单层或复层微孔隙，微结构表层为结构形态参数、分布状态均可调的微纳织构，可根据期望的润滑效果，调控孔隙分布和结构参数，达到了孔隙结构可控和润滑效果可控的目的。采用增材制造技术制备多孔储液介质，克服了现有采用模压成型工艺难以满足自润滑复杂构件的制备需求，限制多孔储液介质的应用范围的缺陷。围的缺陷。围的缺陷。


技术研发人员：王晓龙 郭蕊 徐行 姬忠莹 周峰
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/22