上海理工大学江小辉教授团队：一种鱼鳞织构的微纳陶瓷3D打印工艺优化及摩擦性能研究 | AMF论文推荐

引用论文

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

在高性能功能结构表面处理中，减小摩擦和磨损是提升部件性能的关键。研究表明，在表面引入仿生织构可有效改善润滑状态，提升减摩效果。鱼鳞仿生结构因其独特的流体调控能力受到关注。本文旨在基于微纳增材制造技术，设计并优化鱼鳞状表面织构，通过参数仿真与实验验证其在陶瓷构件上的减摩性能，以期为高性能表面工程提供新思路与技术支持。

2论文亮点

(1) 仿生设计创新：引入鱼鳞仿生织构，首次应用于陶瓷材料摩擦学表面，具有自然减阻启发。

(2) 参数优化分析：通过仿真与实验耦合，明确面积率、深度、夹角等参数对减摩性能的影响。

(3) 先进制造工艺：采用微纳陶瓷3D打印，实现复杂织构的高精度加工。

(4) 减摩效果显著：优化结构使摩擦系数降低约15%，具有良好应用前景。

图1 织构形成与减摩原理

3试验方法

本文采用仿真与实验相结合的方法对鱼鳞仿生织构的减摩性能进行研究。首先，利用流体动力润滑仿真模型，分析不同织构参数（面积率、深度、夹角）对油膜压力分布和承载性能的影响，筛选出最佳参数组合。随后，采用微纳陶瓷3D打印技术在陶瓷基体上制备出优化后的鱼鳞织构结构，并对样件进行高温烧结处理。最后，通过摩擦磨损实验测试其在润滑条件下的摩擦系数与磨损行为，将实验结果与仿真数据进行对比分析，以验证仿生织构在实际工况下的减摩效果。

4结果

本研究对仿生鱼鳞结构面积率、深度和鱼鳞夹角影响摩擦情况进行了分析。发现表面摩擦系数随面积率增加先减后增，面积率20%时最小，比15%的织构表面摩擦系数降约17.5%，比25%的降约7.2%。织构深度对摩擦系数有显著影响，深度从100μm增至200μm时，摩擦系数先减后增，150μm时最低。与100μm的织构摩擦系数相比降低约18%，比200μm的降低约6.8%。摩擦系数随α夹角增加先减后增，α夹角在30°时最低，相比20°的织构摩擦系数降约11%，比40°的降约21%。夹角过大或过小，摩擦系数都会增加。

图2(a)不同Sp值织构的摩擦系数曲线；(b)不同深度织构的摩擦系数曲线；(c)不同α角织构的摩擦系数曲线；（(d)）不同参数摩擦系数实验对比示意图

5结论

本研究基于鱼鳞仿生几何构建了陶瓷表面的微纳3D打印织构，并通过仿真与实验耦合分析其减摩机制。结果表明，鱼鳞织构相比常见几何结构，在相同工况下可使摩擦系数降低约15%，润滑性能更优。在面积率固定时，α夹角决定织构的纵横比例，夹角越小，织构越细长，有助于压力积聚，提升承载能力。进一步优化参数得出，当面积率为20%、深度为150μm、α夹角为30°时，鱼鳞织构表现出最佳的减摩效果，展示了其在高性能陶瓷摩擦副中的良好应用前景。

6前景与应用

鱼鳞仿生织构通过优化润滑状态，显著提升陶瓷摩擦副的减摩性能，具有广阔的工程应用前景。其结合微纳增材制造技术，可广泛应用于高性能机械零部件、航空航天、医疗器械等领域，推动功能表面精密化与智能化发展。

关于团队

作者介绍

江小辉（通讯作者），上海理工大学机械工程学院副院长、教授、博士生导师，入选上海市东方英才计划，现担任航空航天先进制造技术团队负责人，新能源先进制造技术研究所所长，美国俄亥俄州立大学访问学者，中国图学学会智能工厂专业委员会委员、上海市增材制造协会监事长、上海航天工艺与装备工程技术研究中心技术委员会委员、上海市复杂金属构件增材制造技术中心专家技术委员会委员，获上海理工大学五四青年个人/团体奖章等。主持国家级项目6项(国家科技重大专项任务、国家自然科学基金面上/青年项目等)、省部级项目7项及企业委托课题20余项。现担任《金刚石与磨料磨具工程》期刊编委、AMF期刊青年编委，第一作者/通讯作者身份发表SCI论文50余篇，授权国家发明专利13项。获中国机械工业联合会科技进步奖三等奖、中国产学研创新成果奖优秀奖、中国发明协会创新二等奖等奖励。

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责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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