本發(fā)明屬于仿生材料領(lǐng)域，具體的說是一種基于摩擦性能的軟硬相間形貌仿生材料的制備方法。

背景技術(shù)：

自然界生物在億萬年的協(xié)同進化中，為滿足生存需求而不斷適應(yīng)環(huán)境，其結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)達到近乎完美的程度。體表是生物與外界交換能量和物質(zhì)的重要器官，同時保護生物免于外部環(huán)境的侵害。生物體根據(jù)所處環(huán)境，在進化中不斷調(diào)整體表形態(tài)，造就出了各種各樣的軟硬相間形貌及結(jié)構(gòu)，被賦予了優(yōu)良的減阻、耐磨特性。天然生物材料，如竹材、潮間帶貝類和蛇腹鱗等的摩擦學(xué)特性遠遠超出人們的想象。

軟硬相間形貌仿生材料是以生物體特性為原型將彈性模量不同的兩種材料在一定配比下有序或無序排列而形成的材料，通過模仿天然生物材料的形貌、結(jié)構(gòu)、材料配比、尺寸、分布規(guī)律等因素進行仿生設(shè)計。采用激光、3d打印、物理共混方法，在模具表面制備出具有一定分布規(guī)律的軟硬相間仿生結(jié)構(gòu)，可以有效地降低模具與鑄件間的粘附力，并兼具耐磨、抗熱疲勞等特性，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，同時，采用激光加工技術(shù)在材料表面加工軟硬相間仿生形貌，提高了材料的強韌性、耐磨性、潤滑性等。我們定義彈性模量小的材料為軟材料，彈性模量大的材料為硬材料,軟硬相間形貌仿生材料設(shè)計涉及多個方面，軟硬材料屬性、“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)形式、軟硬材料配比、軟硬材料基本尺寸等方面的不同均會影響軟硬相間形貌仿生材料的摩擦屬性，合理的設(shè)計是保證軟硬相間形貌仿生材料具有相應(yīng)特性的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代工業(yè)中，摩擦具有兩面性，既有有害的一面，又有有益的一面。通常認為摩擦是有害的，因為摩擦必然伴隨磨損，生產(chǎn)設(shè)備的失效60％是由摩損導(dǎo)致的，而且摩擦?xí)拇罅康哪芰?，世界能源?/2—1/3是由于摩擦浪費掉的。但是摩擦也有有益的一面，工程中存在諸多利用摩擦、增加摩擦為人類服務(wù)的例子，如摩擦傳動、制動閥門、離合器、車輛的驅(qū)動輪、螺栓螺母等。因此，工程實際中合理的設(shè)計材料的摩擦系數(shù)至關(guān)重要。因此，根據(jù)所需的摩擦系數(shù)制備出軟硬相間形貌仿生材料也是值得研究的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于摩擦性能的軟硬相間形貌仿生材料的制備方法，通過設(shè)計兩種不同彈性模量的軟材料與硬材料的配比及其不同表面形式，制造出來的軟硬相間形貌仿生材料表現(xiàn)出了可控的摩擦性能，解決了現(xiàn)有市場上設(shè)計軟硬相間新貌仿生材料的空白。

本發(fā)明技術(shù)方案結(jié)合附圖說明如下：

一種基于摩擦性能的軟硬相間形貌仿生材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、確定彈性模量不同的兩種材料的配比；定義彈性模量小的材料為軟材料，彈性模量大的材料為硬材料；根據(jù)期望的軟硬相間形貌仿生材料的材料屬性及所需的摩擦系數(shù)，軟硬材料的配比可根據(jù)以下公式計算：

其中，c％為軟材料的體積百分比；f為軟硬相間仿生材料的摩擦系數(shù)；在某種工況下，fs為軟材料的摩擦系數(shù)，es為軟材料的彈性模量；fh為硬材料的摩擦系數(shù)；eh為硬材料的彈性模量；

步驟二、確定彈性模量大的材料的基本體尺寸；根據(jù)期望的軟硬相間形貌仿生材料具體形式和表面形貌尺寸即可得出；

步驟三、根據(jù)步驟一和步驟二得出的彈性模量不同的兩種材料的配比和基本體尺寸采用激光加工、3d打印、物理共混的方法在與步驟一相同的工況條件下制備出軟硬相間仿生材料。

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料的彈性模量大的材料為點狀排列，即在彈性模量小的材料(軟材料)上均勻分布著一系列點狀的彈性模量大的材料(硬材料)，定義硬材料之間的橫向距離為a1，縱向距離為b1，根據(jù)經(jīng)驗a1與b1的范圍在1-2mm之間。點狀硬材料半徑r的計算方法包含以下步驟：

21)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。局部區(qū)域內(nèi)材料的表面積為a1b1，軟材料的表面積為a1b1-πr²。根據(jù)上式確定的軟材料百分比，有：

22)計算硬材料基本體的半徑。硬材料基本體的半徑表示為：

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料為軟硬相間條紋狀排列，條紋間距為a2，根據(jù)經(jīng)驗a2的范圍在1-2mm之間。條狀硬材料的條紋寬度b2的計算方法包含以下步驟：

31)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

32)計算硬材料基本體的寬度?？梢詫⒂膊牧匣倔w的寬度表示為：

b2＝a2-c％*a2

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料的硬材料為網(wǎng)格狀排列，網(wǎng)格間距為a3，根據(jù)經(jīng)驗a3的范圍在1-2mm之間。硬材料的網(wǎng)格寬度的b3計算方法包含以下步驟：

41)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

42)計算硬材料基本體的寬度?？梢詫⒂膊牧匣倔w的寬度表示為：

b3＝a3-sqrt(a3*a3-0.8462a3*a3)

所述的彈性模量不同的兩種材料同為高分子材料或金屬材料。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明制備的軟硬相間形貌仿生材料方法簡單。其中以蜣螂、蚯蚓等土壤動物體表為原型，表面分布有一定規(guī)律的仿生耦合單元體的仿生材料，表現(xiàn)了可控的摩擦性能，并用于工程實際中，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1a為一種軟硬相間形貌仿生材料的表面示意圖；

圖1b為另一種軟硬相間形貌仿生材料的表面示意圖；

圖1c為第三種軟硬相間形貌仿生材料的表面示意圖；

圖2為軟硬相間形貌仿生材料微觀凹凸不平表面示意圖；

圖3為軟硬相間形貌仿生材料在摩擦過程中摩擦副接觸情況示意圖；

圖4為軟硬相間結(jié)構(gòu)相互作用示意圖；

圖5為一種軟硬相間形貌仿生材料的基本尺寸示意圖；

圖6為另一種軟硬相間形貌仿生材料的基本尺寸示意圖；

圖7為第三種軟硬相間形貌仿生材料的表面示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提及的軟硬相間形貌仿生材料是指彈性模量不同的兩種材料，定義彈性模量小的材料為軟材料，彈性模量大的材料為硬材料。

參閱圖1a—圖1c，圖1a—圖1c是幾種常見的軟硬相間形貌仿生材料。本發(fā)明涉及的軟硬相間形貌仿生材料表面是宏觀上平滑的仿生表面。參閱圖2，軟硬相間形貌仿生材料的微觀表面是凹凸不平的。參閱圖3，當(dāng)兩個軟硬相間形貌仿生材料表面相互受載接觸時，僅在少數(shù)微凸體的頂端發(fā)生接觸，由于實際接觸面積極小，微凸體上的接觸壓力極大，在載荷、瞬時溫度等因素作用下接觸峰點處產(chǎn)生粘著，此后,接觸點的應(yīng)力不再改變，只能依靠擴大接觸面積來承受繼續(xù)增加的載荷。在摩擦過程中，粘著點在切向力作用下被剪切而產(chǎn)生滑動，剪切作用力就是粘著摩擦力，在大多數(shù)干摩擦情況下，粘著摩擦力可以看作是總摩擦力。參閱圖4，軟硬相間材料具有“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中軟材料與硬材料的相互影響使其摩擦過程較單一材料要復(fù)雜的多。單一組分的軟材料或硬材料在相同載荷作用下，軟材料的實際接觸面積要遠大于硬材料的實際接觸面積。然而對于軟硬相間仿生材料，由于軟硬材料的協(xié)同作用，軟材料與硬材料的實際接觸面積會受到影響。

基于上述粘著摩擦機理，本發(fā)明提供一種根據(jù)所需的摩擦系數(shù)制備出相應(yīng)的軟硬相間形貌仿生材料的新方法，具體方法如下：

步驟一、確定彈性模量不同的兩種材料的配比；定義彈性模量小的材料為軟材料，彈性模量大的材料為硬材料；軟硬相間材料具有“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中軟材料與硬材料的相互影響使其摩擦過程較單一材料要復(fù)雜的多。單一組分的軟材料或硬材料在相同載荷作用下，軟材料的實際接觸面積要遠大于硬材料的實際接觸面積。然而對于軟硬相間仿生材料，在粘著的產(chǎn)生階段，由于軟硬相間仿生材料的軟硬相間結(jié)構(gòu)特點，軟硬材料的相對壓縮量必須保持一致，因此會改變軟硬材料的實際接觸面積，進一步導(dǎo)致載荷的重新分布。軟硬相間仿生材料特點可以通過彈性模量es(軟材料彈性模量)及eh(硬材料彈性模量)兩個參數(shù)表示。為了分析彈性模量es及eh對摩擦過程的影響，可以假定軟材料的體積百分比為c％，硬材料的體積百分比為1-c％。由于軟硬材料的協(xié)同作用，軟材料與硬材料的實際接觸面積會受到影響，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)方法，可以表示為：

其中，a為總接觸面積，as、ah為軟材料、硬材料的各自的實際接觸面積。

根據(jù)粘著摩擦機理，法向總載荷(w)可以表示為：

w＝ws+wh＝c％aesε+(1-c％)aehε

其中，ε為粘著點上的平均應(yīng)變，ws為軟材料法向載荷，wh為硬材料法向載荷；

對相互接觸受載的上表面施加切向力，當(dāng)切向力足夠大時，粘著點被剪斷，上下表面產(chǎn)生相對滑動，此時的切向作用力就是粘著摩擦力。對于軟硬相間仿生材料，在粘著點剪切階段，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，可將摩擦力表示為：

f＝asτs+ahτh＝c％aτs+(1-c％)aτh

其中，τs、τh分別為軟、硬材料的剪切極限。

根據(jù)庫侖摩擦定律可得到軟硬相間仿生材料的摩擦系數(shù)f：

其中，fs為軟材料的摩擦系數(shù)，fh為硬材料的摩擦系數(shù)。

根據(jù)軟硬相間形貌仿生材料的材料屬性及所需的摩擦系數(shù)和已知的軟、硬材料的摩擦系數(shù)，軟硬材料的配比可根據(jù)以下公式計算：

其中，c％為軟材料的體積百分比；f為軟硬相間仿生材料的摩擦系數(shù)；fs為軟材料的摩擦系數(shù)，fh為硬材料的摩擦系數(shù)；es為軟材料的彈性模量；eh為硬材料的彈性模量；

步驟二、確定硬材料基本體尺寸。根據(jù)期望的軟硬相間形貌仿生材料具體形式和表面形貌尺寸即可得出；

步驟三、根據(jù)步驟一和步驟二得出的彈性模量不同的兩種材料的配比和基本體尺寸采用激光加工、3d打印、物理共混等其他方法即可相同的工況條件下制備出軟硬相間仿生材料。

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料的彈性模量大的材料為點狀排列，定義彈性模量大的材料的橫向距離為a1，縱向距離為b1，根據(jù)經(jīng)驗a1與b1的范圍在1-2mm之間。彈性模量大的材料的基本體尺寸的計算方法包含以下步驟：

21)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。如圖1a、圖5所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)(圖中硬材料為黑色圓形)，可以看到，其結(jié)構(gòu)為虛框內(nèi)結(jié)構(gòu)的疊加，根據(jù)虛框內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，材料的表面積為a1b1，軟材料的表面積為a1b1-πr²。根據(jù)上式確定的軟材料百分比，有：

22)計算硬材料基本體的半徑。硬材料基本體的半徑表示為：

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料的彈性模量大的材料為條紋狀排列，定義條紋間距為a2，根據(jù)經(jīng)驗a2的范圍在1-2mm之間。彈性模量大的材料的基本體尺寸的計算方法包含以下步驟：

31)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。如圖1b、圖6所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)(圖中硬材料為黑色條形)，根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

32)計算硬材料基本體的寬度。可以將硬材料基本體的寬度表示為：

b2＝a2-c％*a2

步驟二中所述的期望的軟硬相間形貌仿生材料的彈性模量大的材料為網(wǎng)格狀排列，定義條紋間距為a3，根據(jù)經(jīng)驗a3的范圍在1-2mm之間。彈性模量大的材料的基本體尺寸的計算方法包含以下步驟：

41)確定軟硬材料尺寸與兩種材料的配比之間的關(guān)系。如圖1c、圖7所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)(圖中硬材料為黑色條形)，根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

42)計算硬材料基本體的寬度。可以將硬材料基本體的寬度表示為：

b3＝a3-sqrt(a3*a3-0.8462a3*a3)

實施例一

已知軟材料的彈性模量為160mpa，摩擦系數(shù)0.2，硬材料彈性模量為1200mpa，摩擦系數(shù)0.1，選用如圖1a、圖5所示的軟硬相間形貌仿生材料，若期望制備摩擦系數(shù)為0.15的軟硬相間形貌仿生材料，具體制備方法如下：

步驟一、確定軟硬材料配比。根據(jù)材料摩擦特性的需求，即軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)f選擇合適的軟硬材料的配比。軟硬材料的配比可根據(jù)以下公式計算：

其中，c％為軟材料的體積百分比，f為軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)，fs為軟材料的摩擦系數(shù)，fh為硬材料的摩擦系數(shù)，es為軟材料的彈性模量，eh為硬材料的彈性模量。根據(jù)軟硬相間形貌仿生材料的特點，f大小應(yīng)介于fs與fh之間。

將具體參數(shù)帶入上式，可得軟材料的百分比：

步驟二：確定硬材料基本體尺寸(圖中硬材料為黑色圓形)。如圖1a、圖5所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)，可以看到，其結(jié)構(gòu)為虛框內(nèi)結(jié)構(gòu)的疊加，根據(jù)虛框內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，材料的表面積為a1b1，軟材料的表面積為a1b1-πr²。根據(jù)上式確定的軟材料百分比，有：

可以將硬材料基本體的半徑表示為：

步驟三、采用3d打印方法在與步驟一相同的工況條件下制備步驟一、步驟二得到的軟硬相間仿生材料。

實施例二

已知軟材料的彈性模量180mpa，摩擦系數(shù)0.21，硬材料彈性模量1000mpa，摩擦系數(shù)0.11，選用如圖1b、圖6所示的軟硬相間形貌仿生材料，若期望制備摩擦系數(shù)為0.14的軟硬相間形貌仿生材料，具體制備方法如下：

步驟一：確定軟硬材料配比。根據(jù)材料摩擦特性的需求，即軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)f選擇合適的軟硬材料的配比。軟硬材料的配比可根據(jù)以下公式計算：

其中，c％為軟材料的體積百分比，f為軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)，fs為軟材料的摩擦系數(shù)，fh為硬材料的摩擦系數(shù)，es為軟材料的彈性模量，eh為硬材料的彈性模量。根據(jù)軟硬相間形貌仿生材料的特點，f大小應(yīng)介于fs與fh之間。

將具體參數(shù)帶入上式，可得軟材料的百分比：

步驟二：確定硬材料基本體尺寸(圖中硬材料為黑色條形)。如圖1b、圖6所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)，根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

可以將硬材料基本體的寬度表示為：

b2＝a2-0.7042a2＝0.2958a2

步驟三：采用激光加工方法在與步驟一相同的工況條件下制備步驟一、步驟二得到的軟硬相間仿生材料。

實施例三

已知軟材料的彈性模量150mpa，摩擦系數(shù)0.19，硬材料彈性模量1100mpa，摩擦系數(shù)0.12，選用如圖1c、圖7所示的軟硬相間形貌仿生材料，若期望制備摩擦系數(shù)為0.16的軟硬相間形貌仿生材料，具體制備方法如下：

步驟一：確定軟硬材料配比。根據(jù)材料摩擦特性的需求，即軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)f選擇合適的軟硬材料的配比。軟硬材料的配比可根據(jù)以下公式計算：

其中，c％為軟材料的體積百分比，f為軟硬相間形貌仿生材料的摩擦系數(shù)，fs為軟材料的摩擦系數(shù)，fh為硬材料的摩擦系數(shù)，es為軟材料的彈性模量，eh為硬材料的彈性模量。根據(jù)軟硬相間形貌仿生材料的特點，f大小應(yīng)介于fs與fh之間。

將具體參數(shù)帶入上式，可得軟材料的百分比：

步驟二：確定硬材料基本體尺寸(圖中硬材料為黑色條形)。如圖1c、圖7所示的軟硬相間形貌仿生材料表面結(jié)構(gòu)，根據(jù)表面形貌尺寸的關(guān)系，確定軟材料百分比，有：

可以將硬材料基本體的寬度表示為：

b3＝a3-sqrt(a3*a3-0.8462a3*a3)

步驟三：采用激光加工方法在與步驟一相同的工況條件下制備步驟一、步驟二得到的軟硬相間仿生材料。

上述制備的軟硬相間形貌仿生材料方法簡單，并且表現(xiàn)出了優(yōu)秀的耐磨性能、拉伸性能、抗沖擊性能，其中以蜣螂、蚯蚓等土壤動物體表為原型，表面分布有一定規(guī)律的仿生耦合單元體的仿生材料，表現(xiàn)了出色的減阻、耐磨特性，并用于工程實際中，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。