在陶瓷表面制作出规则的几何微结构，是一种有效的减摩抗磨方法，能够显著降低陶瓷滑动时的摩擦阻力，减少磨损带来的损耗。这种微观尺度的表面设计——通常称为“表面织构”——正在成为陶瓷材料领域的研究热点。以下是围绕陶瓷表面织构的制备方法、类型选择、几何尺寸优化以及摩擦学作用机理的核心内容梳理。

　　1  如何在陶瓷上“刻花”——两种主流制备方法

　　陶瓷材料硬度高、韧性低、导电性差，用传统加工方法在其表面制作精细结构比较困难。目前，激光加工和反应离子刻蚀是两种行之有效的主要手段。

　　1.1 激光加工

　　激光加工是用高能激光束将陶瓷表面材料瞬间熔化甚至气化，从而“雕”出所需的织构形状。激光系统主要由激光器、扩束器、反射镜和聚焦镜组成，几乎可以制作出任意二维图案。

　　激光加工的优势很明显：不要求材料导电，加工速度快，精度可达微米甚至纳米级，热影响区较小，且对环境污染极低。

　　不同激光器的加工效果有所不同：

　　短脉宽激光（皮秒激光、飞秒激光） ：主要通过材料气化实现加工，热影响区极小。XING等人用飞秒激光在Al₂O₃/TiC陶瓷表面制作出了深度仅100～150纳米的凹槽，达到了纳米级别的加工精度。

　　长脉宽激光（Nd:YAG激光器、光纤激光器） ：主要通过材料熔化来成形，加工时间相对较长，热影响区也更大。例如QUINTERO等人在莫来石/Al₂O₃陶瓷上用Nd:YAG激光加工时，热影响区面积约为0.37～0.90平方毫米。

　　不同陶瓷材料的激光加工难度也不一样。张正等人发现，Al₂O₃陶瓷的皮秒激光加工效率高于Si₃N₄陶瓷——这是因为Si₃N₄中强键合的共价键占比更高，不易被破坏。两种陶瓷获得表面织构（U型）的参数各不相同：Al₂O₃的优化条件为扫描速度800 mm/s、加工10次、功率8.3 W；而Si₃N₄则需要功率40.6 W。

　　YAN等人的研究进一步揭示：激光功率和加工次数增加时，凹坑的直径和深度都会变大。有趣的是，Si₃N₄在激光加工中不会出现熔融堆积，而SiC和ZrO₂则会形成明显的熔融堆积层——这使得Si₃N₄的织构深度在三者中比较大。

　　关键结论：激光加工是当前陶瓷表面织构的主流方法，但不同陶瓷材料和不同激光器参数都会显著影响织构质量。

　　1.2 反应离子刻蚀

　　反应离子刻蚀结合了物理溅射和化学反应，可以在陶瓷表面加工出所需的织构形貌。它的优势在于加工温度较低，对于熔点很高的陶瓷材料来说，能有效减少热影响区带来的不利影响。

　　WANG等人利用该技术，通过金属掩膜在SiC陶瓷上制备了微凹坑织构，并通过控制掩膜孔径、面积占比和刻蚀时间来调控织构尺寸，获得了直径50～650 μm、深度2.0～16.6 μm、面积占比2.8%～22.5%的表面织构。

　　不过，反应离子刻蚀也有明显短板：需要在真空中进行，且要用到反应气体（如Cl₂、SF₆），导致成本高昂、效率较低。因此，目前陶瓷表面织构仍以激光加工为主。

　　值得一提的是，GUO等人将反应离子刻蚀与激光加工相结合，在WC/Co复合陶瓷上制备出了形状规则、无凸起的微凹坑织构——多种方法配合使用或许能取长补短，发挥更大潜力。

　　2   织构“长得像”与“有多大”——对摩擦性能的影响

　　随着激光加工技术的不断发展，研究人员已经能够在陶瓷表面制备出各种形状和尺寸可控的织构。织构的类型和几何尺寸都会显著影响陶瓷的摩擦性能。

　　2.1 不同类型的织构，效果大不相同

　　陶瓷表面织构的类型多种多样，主要包括凸体、凹坑、凹槽等。圆形、方形、六边形都可以是凹坑的形状，凹槽则可以做成波浪形。更有意思的是，研究人员从大自然中汲取灵感，设计出了仿鲨鱼皮、仿荷叶表面的仿生织构。

　　不同形状的织构对摩擦性能的影响各不相同：

　　XU等人在ZrO₂陶瓷上制作了网格状、羽毛状和凹槽状三种织构进行比较。结果表明，网格状织构的摩擦因数（0.179）小，低于羽毛状（0.210）和凹槽状（0.239），这是因为网格状织构密度大，减少了陶瓷与对磨件的接触面积，从而降低了黏附效应。

　　在另一项针对唾液润滑条件下ZrO₂陶瓷的研究中，凹坑状织构表现好，其摩擦因数比凹槽状和网格状分别降低了11%和20%。研究人员解释，凹坑的封闭结构能更有效地困住磨屑，减少滑动界面的磨屑数量。

　　仿生织构也展现出独特优势。鱼鳞状织构在油润滑条件下摩擦因数低，这是因为鱼鳞状的几何设计带来了更大的润滑膜承载能力。

　　复合织构是值得关注的新方向。韩智斌等人在ZrO₂陶瓷上制作了鱼鳞加枫叶的复合形貌织构，发现在干滑动条件下，复合织构的摩擦因数（0.05）远低于单一鱼鳞形（0.12）和枫叶形（0.16）的摩擦因数。原因在于：单一织构的形状完全相同，滑动时摩擦副上的应力交替点位置几乎固定，频繁冲击下磨损加剧；而复合织构因形状变化，应力交替点位置随之改变，改善了受力状况。

　　关键结论：没有“万能”的织构类型——选择与陶瓷材料本身、工况条件（载荷、速度、润滑介质）密切相关，需要具体问题具体分析。

　　2.2 织构“有多大”同样重要

　　除了类型之外，织构的宽度、深度、面积占比等几何参数也是影响摩擦性能的关键因素。

　　在Si₃N₄陶瓷上制备不同尺寸的凹坑织构后，研究人员发现水润滑条件下的组合为：直径22 μm、深度11 μm、面积占比2.0%。

　　WANG等人研究了干滑动条件下Si₃N₄/TiC陶瓷上不同间距的波浪形凹槽织构（间距分别为100、200、300、400 μm）。结果发现，间距小的织构（100 μm）磨损率低，比无织构的陶瓷降低了25%。这是因为织构越密，困住磨屑的能力越强，磨粒磨损就越小。

　　在切削性能研究中也得到了类似的规律。XING等人在Al₂O₃/TiC陶瓷刀具上研究发现，织构离刀刃越近、织构间距越小，减摩效果越好。距离越近意味着微织构与切屑接触面积越大，减摩越明显；间距越小则捕获磨屑的能力越强，磨屑自由移动产生的摩擦阻力就越小。

　　关键结论：织构的几何参数存在一个“优区间”——不是越密越好，也不是越深越好，需要根据实际工况进行合理设计。

　　3  为什么织构能“减摩抗磨”——背后的原理

　　大量研究表明，经过表面织构处理的陶瓷，其摩擦性能显著优于未经处理的陶瓷。但其背后的原理在干滑动和润滑两种条件下有所不同。

　　3.1 干滑动条件下的作用原理

　　干滑动时，表面织构主要通过两条路径来改善摩擦性能：

　　第一，捕捉磨屑。 陶瓷滑动过程中会产生磨屑。如果磨屑是硬质颗粒，留在滑动界面上会造成磨粒磨损，加剧磨损损耗。表面织构就像一个“陷阱”——凹坑或凹槽能够捕捉并固定这些硬质颗粒，减少磨损面上的磨粒数量。JING的研究证实，凹槽织构能够显著提高ZrO₂陶瓷在干滑动下的摩擦稳定性，摩擦因数的波动明显减小。

　　如果磨屑本身就具有润滑效果（如固体润滑剂），情况则有所不同。LIU等人在带凹槽织构的Al₂O₃/TiC陶瓷表面制备了Al₂O₃/石墨烯纳米片涂层，发现滑动过程中，涂层磨损产生的磨屑被困于凹槽中，当磨屑完全填充凹槽后，会被拖出并在表面形成一层润滑膜——这显然有利于降低摩擦。

　　第二，减小接触面积。 表面织构呈现凹凸起伏的结构，陶瓷与对磨件实际接触的区域仅限于织构的凸起部分。与光滑表面相比，织构化能大幅降低接触面积，从而减少黏附现象，降低摩擦。

　　但这里有一个需要平衡的点：接触面积减小带来两个相反的效果——黏附降低（有利），但接触压强增大（不利）。表面织构凹陷部分的面积占比越大，凸起部分承受的压强就越大。当织构面积占比超过某个临界值后，压强增大的负面影响会超过接触面积减小带来的正面效果，导致摩擦性能反而变差。

　　赫冬等人在铬基陶瓷复合镀活塞环上制作了不同面积占比（0～9%）的凹坑织构，发现面积占比为5%时摩擦因数低（0.086） ，比无织构时降低了约13%。摩擦因数随面积占比的增加呈现“先降后升”的规律，说明存在一个区间。

　　值得留意的是，Al₂O₃/Mo复合陶瓷的研究显示，面积占比从10%增加到40%时，摩擦因数持续降低——与上述“先降后升”的规律并不完全一致。这说明摩擦过程极为复杂，陶瓷的成分、载荷、滑动速度、滑动距离、温度和湿度等众多因素都会对结果产生显著影响。

　　关键结论：干滑动下织构的两大作用——捕捉磨屑和减小接触面积——都受制于织构面积占比，存在一个需要精细优化的“佳值”。

　　3.2 润滑条件下的作用原理

　　在润滑条件下，表面织构除了具有捕捉磨屑和减小接触面积的作用外，还能储存润滑剂（水、润滑油等），为滑动过程提供持续润滑。

　　20世纪初，德国学者斯特里贝克通过改变轴承的滑动速度、载荷和润滑液黏度，绘制出了著名的斯特里贝克曲线。该曲线揭示了润滑条件下材料的三种摩擦状态：

　　边界润滑：材料与对磨件仍有直接接触

　　混合润滑：部分接触，部分由润滑膜分隔

　　流体动压润滑：理想的润滑状态——材料与对磨件被润滑液完全分隔，摩擦因数低，几乎不产生磨损

　　实现流体动压润滑取决于三个参数：润滑液黏度（η）、滑动速度（v）和载荷（p）。当ηv/p的比值超过某一阈值后，材料便会进入流体动压润滑状态。

　　表面织构如何帮助实现这一理想状态？

　　其一，改善润湿性。 在Al₂O₃/TiC陶瓷上构建正方形和菱形网格状织构后，研究人员发现液滴在织构表面的润湿角比光滑表面更小。这是因为微凹槽对液体存在毛细吸引力，使润滑液更容易在织构表面铺展，从而更快形成液体润滑膜，加速进入流体动压润滑阶段。光滑的陶瓷表面通常具有疏水性，难以形成较厚的液体润滑膜。

　　其二，增强流体动压。 当液体流经表面织构时，会形成一个向上的流体动压。纹理密度越高的表面，能够产生的流体动压也越高，从而更有效地将摩擦副“撑开”，进入流体动压润滑状态。在水润滑条件下，研究人员已通过表面织构显著提升了SiC陶瓷的流体动压效应，改善了摩擦性能。

　　关键结论：润滑条件下，织构兼具“储油槽”和“流体动压增强器”的双重功能——通过储存润滑剂改善润湿性，通过优化流场提升流体动压，帮助陶瓷更快进入理想润滑状态。

　　4  现存挑战与未来方向

　　表面织构在陶瓷材料的摩擦学应用中已取得许多研究成果，但仍面临一些问题需要解决：

　　问题一：人工织构的“短命”难题

　　人工制备的织构在长期滑动过程中会逐渐磨损、消失，无法实现持续润滑。不过，研究人员发现了一个有趣的现象：深度仅为数十纳米的B₄C/SiC陶瓷表面，因两相硬度的差异，在滑动过程中会“原位形成”表面织构。这种自生的织构可能是实现陶瓷持续自润滑的关键。但目前，对原位形成织构的几何参数如何影响摩擦性能，认识还很有限。

　　问题二：激光加工的局限性

　　对于几乎不导电的陶瓷，激光加工是主要的织构制备方法。但激光加工作为一种热加工，会在材料中产生热影响区，影响基体性能。而且激光加工成本高昂，如果需要进行大规模工业生产，成本控制是一个必须面对的问题。因此，开发低成本、高质量的陶瓷表面织构制备方法势在必行。

　　问题三：织构形态研究的“偏科”

　　目前，大多数研究集中在单一织构结构上，复合织构（复合尺度、复合形态）的报道仍然有限。已有研究表明，复合织构在特定工况下表现出比单一织构更优异的摩擦性能——例如韩智斌等人发现鱼鳞加枫叶复合织构的摩擦因数远低于单一织构。因此，对复合织构的深入研究是未来必不可少的方向。

　　问题四：仿生织构的探索仍在起步阶段

　　受自然界生物体启发而设计的仿生织构已有不少成果，但自然界生物种类繁多，仍有大量潜在的仿生模型值得探索。哪些形状有效？参数是什么？这些都还留有巨大的研究空间。

　　此外，在陶瓷刀具应用方面，前刀面上制作微织构可以有效提高切削性能，但不合理的织构形态、尺寸设计，或切削参数选择不当，反而会导致二次切削现象。因此，织构参数及其对应的切削参数仍需进一步探索。

　　表面织构已被证实对陶瓷材料的减摩抗磨有显著积极效果，已成为国内外的研究热点。表面织构加工有望成为提高陶瓷部件使用寿命的关键技术，这将有力推动表面织构加工的工程化应用。（更多资讯请关注乔析先进材料应用公众号哦！）