采用激光微加工技術(shù)制作不同孔徑與密度的表面織構(gòu)的摩擦副試樣，設(shè)計制造一對可產(chǎn)生均勻梯度磁場的亥姆霍茲線圈，將其安置于改造后的UMT3 摩擦試驗機中，使摩擦副能在均勻梯度磁場內(nèi)進行摩擦試驗。以磁性流體為潤滑油，考察不同載荷、運動頻率下，不同表面織構(gòu)的摩擦副試樣在均勻梯度磁場作用下的摩擦性能。結(jié)果表明：適當(dāng)孔徑與密度的表面織構(gòu)能提高磁性流體的摩擦性能； 摩擦副表面織構(gòu)在均勻梯度磁場作用下抗磨性能和極壓性能明顯提高；摩擦因數(shù)隨均勻梯度磁場強度的增大而顯著減小。

　　隨著能源、機械、通訊電子和航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，由摩擦磨損導(dǎo)致的工業(yè)設(shè)備零件表面損壞、失效和材料損耗等問題日益突出，嚴重制約了經(jīng)濟的快速發(fā)展。因此改善材料的摩擦磨損性能和機器零件的潤滑狀態(tài)，延長機器設(shè)備使用壽命，提高能源利用效率已是廣大摩擦學(xué)工作者面臨的重要挑戰(zhàn)。

　　由納米級的鐵磁性顆粒、表面活性劑和載液(潤滑油) 構(gòu)成的磁性流體(Magnetic fluid) ，早已在密封等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。磁性流體實際上是一種由表面活性劑修飾的納米級顆粒作添加劑的特殊的潤滑油，其具有普通潤滑油所沒有的磁控特性，在外加磁場作用下可以被控制、定位和移動，已被成功應(yīng)用于計算機驅(qū)動硬盤的軸承潤滑、機器人關(guān)節(jié)潤滑等方面。因此，研究磁性流體在不同外加磁場作用下，對不同摩擦副的潤滑性能具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。

　　不同類型的磁場(梯度磁場、均勻磁場、均勻梯度磁場等) 對磁性流體作用的效果不一樣，所產(chǎn)生的摩擦學(xué)性能也不一樣。目前，國內(nèi)外學(xué)者開展磁場作用下磁性流體的潤滑性能以及應(yīng)用的基礎(chǔ)研究工作，涉及的只是梯度磁場、均勻磁場，而關(guān)于均勻梯度磁場作用下的磁性流體的摩擦性能的研究則少見報道，其影響機制遠未明確。

　　為了揭示磁場調(diào)控磁性流體摩擦學(xué)性能的內(nèi)在機制，本文作者設(shè)計定制了一對能產(chǎn)生均勻梯度磁場的亥姆霍茲線圈，將其安置于改造后的UMT3 摩擦試驗機中，考察激光表面織構(gòu)摩擦副在磁性流體潤滑下的摩擦學(xué)性能。激光表面織構(gòu)摩擦副使磁性流體能更好地吸附成膜；均勻梯度磁場使磁性流體各處受力均等，使磁性流體潤滑膜處的磁場強度和磁性流體潤滑膜的摩擦因數(shù)、承載力等得以準確測量。

1、實驗部分

　　1.1、實驗材料

　　1.1.1、磁性流體的制備

　　以油酸為表面活性劑修飾納米Fe3O4，用超聲波將其充分分散于聚α - 烯烴合成油中，制備出納米顆粒在潤滑油中保持長期分散穩(wěn)定的磁性流體。其顆粒直徑為30 nm 左右，在20 ℃時的黏度為68 mPa·s，飽和磁化強度為48 kA/m，密度為1.388 g /cm³。將制備的磁性流體在H1650R 高速離心機上進行穩(wěn)定性檢驗，轉(zhuǎn)速為15 000 r /min，相對離心力為163.50 N，時間為8 h。試驗未發(fā)現(xiàn)沉淀分離現(xiàn)象，能滿足在重力場中長期使用的要求。

　　1.1.2、激光表面織構(gòu)摩擦副試樣的加工

　　上試樣選擇直徑為3 mm 的Gr15 鋼球，硬度為HRC60。下試樣選用T7A 碳素工具鋼，尺寸規(guī)格為：12.01 mm × 9.00 mm × 3.00 mm，硬度為HRC55。激光表面織構(gòu)加工：將下試樣T7A 的表面研磨拋光至表面粗糙度約為Ra0.05 μm；在丙酮中超聲波清洗干凈后，選用波長為1 064 nm，YLP20 型號的激光器進行激光織構(gòu)加工；用激光清洗以清除微坑附近的毛刺，得到微坑直徑大小分別為50、75 和100μm，微坑深度均為12 μm 的試樣，相應(yīng)的織構(gòu)面積密度分別為10%、20%和30%。

　　1.2、試驗測試裝置的改造

　　1.2.1、UMT3 摩擦試驗機夾具的改造

　　采用美國產(chǎn)的UMT3 多功能摩擦磨損試驗機進行往復(fù)運動實驗。為了消除磁場對試驗機傳感器的影響，采用無磁性的304 不銹鋼0Cr18Ni9 材料改制了試驗機上用于固定上試樣的夾具、傳力桿及用于固定下試樣的V 形塊。

　　1.2.2、均勻梯度磁場的構(gòu)建

　　如圖1 所示，將2個半徑和匝數(shù)完全相同的線圈，同軸繞制在無磁性的鋁合金框架上，設(shè)計并制作了一個能產(chǎn)生均勻梯度磁場的亥姆霍茲線圈。其中：漆包線的直徑為0.44 mm，線圈匝數(shù)ω = 3 500 匝，線圈半徑為R，兩線圈間距h =槡3R = 90 mm，上下線圈的電流方向相反，電流強度I 為0.5 ～2.5 A 可調(diào)。

圖1 產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈示意圖

　　其摩擦機制在于：

　　(1) 將摩擦副表面進行織構(gòu)，構(gòu)建了磁極陣列，有效提高磁性液體聚集處的磁場強度，增強了潤滑膜的形成，均勻梯度磁場使磁性流體的極壓性能得以提高，提高了均勻梯度磁場對存儲在表面織構(gòu)的磁性液體潤滑。

　　(2) 相對于無織構(gòu)試樣，微坑存儲的磁性流體潤滑油，及時補充因磨損而流失的潤滑油，從而更有效地將磁性流體保持在摩擦副中，提高潤滑效果。

　　(3) 在磨損過程中，表面織構(gòu)中存儲磁性流體在摩擦力的驅(qū)動下被擠出，所產(chǎn)生流體擠壓效應(yīng)，提高了磁性流體在摩擦副表面形成納米油膜的作用力，避免干摩擦的發(fā)生，降低了磨損。

　　(4) 摩擦過程中產(chǎn)生的磨�？梢詢Υ嬖诒砻婵棙�(gòu)中，避免磨屑的二次磨損。

3、結(jié)論

　　(1) 適當(dāng)孔徑與密度的表面織構(gòu)能提高磁性流體的摩擦性能。

　　(2) 摩擦副表面織構(gòu)在均勻梯度磁場作用下抗磨性能和極壓性能明顯提高； 摩擦因數(shù)隨均勻梯度磁場強度的增大而顯著減小。