1 引言

通过在材料以及工具表面设计微纳织构以调控其摩擦性能在研磨工具、切削工具、成形模具以及岩石钻探工具等领域具有广阔的应用前景。这些织构化的表面具有多重作用：1）表面微小织构可以作为蓄油池，保证在挤压的情况下，输运或释放蓄含的润滑液，使之仍然弥散在接触区形成混合膜润滑；2）表面微小织构可以吸附磨损下来的微粒，从而抑制磨损和犁沟摩擦；3）当微小织构设计合理、密度足够时，还可以提高表面对润滑液的润湿性，有利于润滑液膜的形成；4）在较高的摩擦速度、充足的润滑液条件下，表面织构可以作为流体动力高压囊，产生流体动力压差，从而减小摩擦阻力。目前，表面织构化技术已经应用于众多领域以改善机械部件的摩擦学性能，如机械密封面、气缸/活塞、轴承、切削刀具、磁储存设备和微机电系统等。

目前，利用电解加工、电火花加工、磨料喷射加工、振动冲击加工、反应离子束刻蚀、光刻蚀、各向异性刻蚀及激光表面织构化等技术都可以在材料表面制备出微纳织构。与其他技术相比，激光微纳加工技术具有加工速度快，环境友好以及易于控制被加工图案的尺寸和形状等优点。特别是超快激光(皮秒激光和飞秒激光)表面织构化技术已经成为摩擦应用领域中最具前景的微纳织构制备方法之一。这是由于超快激光极短的脉宽和超高的峰值功率使其可以加工几乎任何材料，同时在加工过程中最大程度地避免了材料表面的热熔化和热损伤，具有很高的加工精度。这里我们介绍超快激光表面织构化调控材料摩擦性能的研究进展及潜在应用。

2超快激光表面织构化调控材料摩擦性能进展

2.1 飞秒激光制备表面微米织构调控材料摩擦学性能研究

激光的脉冲宽度对织构化表面的摩擦性能具有重要影响。2014年，R. Bathe等研究了不同类型激光织构化表面对铸铁干摩擦行为的影响。他们利用毫秒激光、纳秒激光和飞秒脉冲激光在铸铁表面制备出微坑型表面织构。从图1的摩擦实验结果中可以看出，微坑型表面织构起到了减小摩擦系数和降低磨损率的作用。同时在所有测试试样中，飞秒激光织构化表面具有最低的稳定摩擦系数和磨损率。一方面，飞秒激光烧蚀后的表面几乎不存在重熔颗粒。在滑动摩擦过程中，金属表面重熔的颗粒很容易脱落转变成为磨屑，这会对摩擦性能造成负面影响。另一方面，飞秒激光制备出的微坑可以有效捕获摩擦过程产生的磨屑以降低材料表面的犁沟效应。因此，飞秒激光织构化的表面具有最低的稳定摩擦系数和磨损率。

图1 不同脉冲宽度激光织构化表面的摩擦学性能(a)激光织构化表面与未织构表面的稳定摩擦系数, (b) 激光织构化表面与未织构表面的磨损率

图片来源：Laser surface texturing of gray cast iron for improving tribological behavior. Appl. Phys. A-Mater. 2014; 117(1): 117-123.