类型a：学术研究报告
作者及机构
本研究由Ying Wang（北京理工大学机械工程学院）、Tianfeng Zhou（北京理工大学机械工程学院/北京理工大学重庆创新中心）、Oltmann Riemer（德国莱布尼茨材料工程研究所-iwt）、Julian Heidhoff（德国莱布尼茨材料工程研究所-iwt/不来梅大学MAPEX材料与工艺中心）、Min Li（德国莱布尼茨材料工程研究所-iwt）、Bernhard Karpuschewski（德国莱布尼茨材料工程研究所-iwt/不来梅大学MAPEX材料与工艺中心）、Stanislav N. Gorb（基尔大学动物学院功能形态与生物力学组）、Clemens F. Schaber（基尔大学动物学院功能形态与生物力学组）合作完成。研究成果发表于2022年6月的《Tribology International》期刊（Volume 176, 107708）。
学术背景
本研究属于摩擦学（tribology）领域，聚焦多尺度纹理表面（micro/meso/macroscopic textured surfaces）在不同法向力（normal force）、相对速度（relative velocity）和滑动方向（sliding direction）下的摩擦机制。工程应用中，纹理表面可降低金属成型模具的能耗并优化摩擦性能，但实际工况（如载荷、速度变化）对摩擦行为的影响尚未系统研究。已有文献表明，纹理尺度（纳米、微米、介观、宏观）会显著改变摩擦模式（如粘着摩擦adhesive friction向磨粒摩擦abrasive friction的转变），但缺乏综合考虑表面形貌（asperity effect）与工况条件的预测模型。因此，本研究旨在建立摩擦系数的理论预测模型，并通过球-盘往复滑动实验验证其适用性。
研究流程
1. 理论模型构建
- 表面形貌效应：基于非高斯分布的确定性接触模型（deterministic contact model），分析单个粗糙峰（asperity）的受力（图1）。将摩擦系数分解为上升段（ascending part，斜率θ>0）和下降段（descending part，θ），推导出整体摩擦系数公式（式4），其中关键参数k（峰谷面积比）和tanθ（表面斜率均方根sdq）通过白光干涉仪测量。
- 工况条件效应：引入真实接触面积（real contact area, Ar）和塑性变形层厚度（t）的关系（式9-12）。法向力和速度通过改变Ar影响摩擦系数，其中速度导致的接触面积扩展通过经验系数α=9修正（式8）。
主要结果
1. 模型有效性：理论值与实验值在抛光（S-1）和微观纹理（S-2）表面高度吻合（图7），误差<5%。介观纹理（S-3）在Fn≤150 mN或v≤5 mm/s时适用，但宏观纹理（S-4）因磨屑效应偏差显著（最高174%）。 2. **摩擦机制转变**： - **法向力影响**：Fn=100 mN时，S-3仅表现粘着摩擦（μ=0.7）；Fn=150 mN时，磨屑出现导致μ下降28.8%（图10）。 - **速度影响**：v=4 mm/s时S-3无磨屑；v=5 mm/s时磨屑使μ降低50%（图12）。宏观纹理（S-4）因磨屑持续存在，μ随速度增加下降31%。 3. **滑动方向效应**：纹理不对称性导致正向/反向滑动摩擦系数差异，斜率差>2时差异显著（δμ_S-4=-0.0799）（图14-15）。
结论与价值
1. 科学价值：提出首个融合表面形貌与工况条件的摩擦系数预测模型，阐明多尺度纹理下粘着-磨粒摩擦的转变机制。
2. 应用价值：为金属成型模具的纹理设计提供指导——微观纹理（S-2）在低载/低速下可降低摩擦54%，而宏观纹理需避免高载高速以避免磨屑失控。
3. 方法论创新：通过塑性变形层厚度（t）反推真实接触面积的算法（式9-12）为摩擦接触力学提供新思路。
研究亮点
1. 多尺度系统性：首次覆盖微观-介观-宏观纹理的摩擦行为对比。
2. 模型普适性：模型在粘着摩擦主导区（S-1/S-2）表现优异，为后续磨粒摩擦建模奠定基础。
3. 实验设计：结合白光干涉仪与金相切片，定量关联表面形貌与亚表层损伤。
其他发现
- 磨屑的润滑效应强于粗糙峰的增摩效应，是宏观纹理摩擦系数异常下降的主因（图8c vs 图12c）。
- 温度循环会小幅提升摩擦系数（图14a），建议后续研究引入热力学耦合模型。