上海理工大學江小輝教授團隊：一種魚鱗織構的微納陶瓷3D打印工藝優化及摩擦性能研究 | AMF論文推薦

引用論文

Xiaohui Jiang, Jirui Liu, Yan Wang, Zishan Ding, Mengcan Yao, Li Ji, Dongdong Xu, Jie Liu. Optimization of Micro/Nano Ceramic 3D-Printing Process for Scale-Textured Surfaces for Enhanced Tribological Performance. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200244.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200244.

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1研究背景及目的

在高性能功能結構表面處理中，減小摩擦和磨損是提升部件性能的關鍵。研究表明，在表面引入仿生織構可有效改善潤滑狀態，提升減摩效果。魚鱗仿生結構因其獨特的流體調控能力受到關注。本文旨在基于微納增材制造技術，設計并優化魚鱗狀表面織構，通過參數仿真與實驗驗證其在陶瓷構件上的減摩性能，以期為高性能表面工程提供新思路與技術支持。

2論文亮點

(1) 仿生設計創新：引入魚鱗仿生織構，首次應用于陶瓷材料摩擦學表面，具有自然減阻啟發。

(2) 參數優化分析：通過仿真與實驗耦合，明確面積率、深度、夾角等參數對減摩性能的影響。

(3) 先進制造工藝：采用微納陶瓷3D打印，實現復雜織構的高精度加工。

(4) 減摩效果顯著：優化結構使摩擦系數降低約15%，具有良好應用前景。

圖1 織構形成與減摩原理

3試驗方法

本文采用仿真與實驗相結合的方法對魚鱗仿生織構的減摩性能進行研究。首先，利用流體動力潤滑仿真模型，分析不同織構參數（面積率、深度、夾角）對油膜壓力分布和承載性能的影響，篩選出最佳參數組合。隨后，采用微納陶瓷3D打印技術在陶瓷基體上制備出優化后的魚鱗織構結構，并對樣件進行高溫燒結處理。最后，通過摩擦磨損實驗測試其在潤滑條件下的摩擦系數與磨損行為，將實驗結果與仿真數據進行對比分析，以驗證仿生織構在實際工況下的減摩效果。

4結果

本研究對仿生魚鱗結構面積率、深度和魚鱗夾角影響摩擦情況進行了分析。發現表面摩擦系數隨面積率增加先減后增，面積率20%時最小，比15%的織構表面摩擦系數降約17.5%，比25%的降約7.2%。織構深度對摩擦系數有顯著影響，深度從100μm增至200μm時，摩擦系數先減后增，150μm時最低。與100μm的織構摩擦系數相比降低約18%，比200μm的降低約6.8%。摩擦系數隨α夾角增加先減后增，α夾角在30°時最低，相比20°的織構摩擦系數降約11%，比40°的降約21%。夾角過大或過小，摩擦系數都會增加。

圖2(a)不同Sp值織構的摩擦系數曲線；(b)不同深度織構的摩擦系數曲線；(c)不同α角織構的摩擦系數曲線；（(d)）不同參數摩擦系數實驗對比示意圖

5結論

本研究基于魚鱗仿生幾何構建了陶瓷表面的微納3D打印織構，并通過仿真與實驗耦合分析其減摩機制。結果表明，魚鱗織構相比常見幾何結構，在相同工況下可使摩擦系數降低約15%，潤滑性能更優。在面積率固定時，α夾角決定織構的縱橫比例，夾角越小，織構越細長，有助于壓力積聚，提升承載能力。進一步優化參數得出，當面積率為20%、深度為150μm、α夾角為30°時，魚鱗織構表現出最佳的減摩效果，展示了其在高性能陶瓷摩擦副中的良好應用前景。

6前景與應用

魚鱗仿生織構通過優化潤滑狀態，顯著提升陶瓷摩擦副的減摩性能，具有廣闊的工程應用前景。其結合微納增材制造技術，可廣泛應用于高性能機械零部件、航空航天、醫療器械等領域，推動功能表面精密化與智能化發展。

關于團隊

作者介紹

江小輝（通訊作者），上海理工大學機械工程學院副院長、教授、博士生導師，入選上海市東方英才計劃，現擔任航空航天先進制造技術團隊負責人，新能源先進制造技術研究所所長，美國俄亥俄州立大學訪問學者，中國圖學學會智能工廠專業委員會委員、上海市增材制造協會監事長、上海航天工藝與裝備工程技術研究中心技術委員會委員、上海市復雜金屬構件增材制造技術中心專家技術委員會委員，獲上海理工大學五四青年個人/團體獎章等。主持國家級項目6項(國家科技重大專項任務、國家自然科學基金面上/青年項目等)、省部級項目7項及企業委托課題20余項。現擔任《金剛石與磨料磨具工程》期刊編委、AMF期刊青年編委，第一作者/通訊作者身份發表SCI論文50余篇，授權國家發明專利13項。獲中國機械工業聯合會科技進步獎三等獎、中國產學研創新成果獎優秀獎、中國發明協會創新二等獎等獎勵。

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責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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