本发明属于摩擦学与表面工程技术领域，特别涉及一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦及水润滑轴承。
水润滑轴承常采用水或水基润滑剂进行润滑，最重要的包含外圈轴套、滚动体和保持架、内圈轴瓦这几部分，其中内圈轴瓦多为非金属材料，具有得天独厚的绿色、环保优势，主要使用在在舰船的艉轴承、水泵、水轮机组等场合。水润滑轴承轴瓦材料的选择对水润滑轴承的润滑性能、工作可靠性和常规使用的寿命有着重要的影响。近年来，轴瓦材料选择高分子或复合材料成为了研究热点，对其进行改性或布置表面织构也慢慢的变成为提高水润滑轴承摩擦性能的重要手段。其中，uhmwpe材料因其耐冲击强度高、耐磨性好、摩擦系数低等优越性，被大范围的应用于水润滑轴承轴瓦材料的改性研究中。
表面织构被认为是提高表面摩擦学性能的新方法之一，其作为一种表面改性方法，是在摩擦副表面加工出一些规则的凹坑、沟槽或者微凸体等不同形貌，以提高摩擦副表面的摩擦学性能。由于生物摩擦系统表界面长期经受复杂工况或与周围环境发生能量与物质的交互作用，优化出很多类型的形态、构形、材料和结构，为人工领域面临的摩擦问题的研究提供了崭新的思路，故仿生摩擦学被大量运用到了表面织构的减摩减阻研究中。而猪笼草实现捕虫功能的两个功能部位表面形态与润湿性具有极大差异，唇部的径向脊形表面结构具有高亲水性，而蜡质区的月牙形表面结构具有高疏水性，但二者均能表现出良好的减摩性能。
有关卤化改性提升材料的摩擦性能研究，最早可见于对橡胶材料的报道中。这其中，在氯化改性sbr橡胶的研究中，研究人员使用三氯氰酸作为改性试剂，并认为橡胶表面的亲水性与溶解三氯氰酸的溶剂种类、改性时间、反应程度等均具有相关性。而可见报道的卤化改性uhmwpe材料的研究中，研究人员利用烷烃在紫外线照射下发生卤化反应的方法制备了溴化uhmwpe表面，增强了纳米粒子在其上的粘附力，从而大幅度提高了复合材料的耐磨性。通过改性uhmwpe材料使之亲水性提升的研究也多用于提升其作为薄膜或涂层材料时的机械性能、界面粘附性能、自清洁性能等方面。
综上所述，先前并未有相关报道将猪笼草唇部及蜡质区的表面织构应用于水润滑轴承轴瓦材料的减摩研究；也罕见有通过卤化改性uhmwpe材料使其同时获得亲水性提升和表面形貌改善，进而协同优化其摩擦学性能的研究。因此，本实用新型着重针对以上两点存在的不足，提供具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦及水润滑轴承，并为验证其合理性和可行性提供较为合理的技术方案和试验依据。
针对现存技术存在的不足，本实用新型提供一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦及水润滑轴承，实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩，以及润滑剂由端部向中部的定向输运，从而改善内圈轴瓦中部区域的润滑状态。
一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦，表面设有可以在一定程度上完成功能梯度化的仿生织构，所述仿生织构包括仿猪笼草唇部的径向脊形亲水性表面织构和蜡质区的月牙形疏水性表面织构。
进一步的，所述仿生织构的布置形式为：复合有蜡质晶的月牙形—双层径向脊形—带楔形盲孔的双层径向脊形—双层径向脊形—复合有蜡质晶的月牙形。
进一步的，所述月牙形疏水性表面织构布置于轴瓦的两个端部，所述径向脊形亲水性表面织构布置于轴瓦的中部。
进一步的，所述径向脊形亲水性表面织构分为两级，第一级为双层径向脊形织构，布置在所述轴瓦的中部外侧；第二级为带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构，布置在所述轴瓦的中心。
一种具有功能梯度仿生织构表面轴瓦的水润滑轴承，包括从外到内的外圈轴套、滚动体和保持架、内圈轴瓦；所述内圈轴瓦为如前所述的具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦。
目前国内尚无制备并使用上述类似轴承实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩以及改善内圈轴瓦中部区域的润滑状态的案例，与现存技术相比，本实用新型优点在于：
1、将猪笼草唇部及蜡质区的表面织构应用于水润滑轴承轴瓦材料的减摩研究，并提出了一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦及水润滑轴承；
2、在原有的月牙形疏水性织构和径向脊形亲水性织构的基础上，提出了双层月牙形疏水性复合织构、带仿生蜡质晶的月牙形疏水性复合织构、带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构等优化设计，采用：“复合有蜡质晶的月牙形—双层径向脊形—带楔形盲孔的双层径向脊形—双层径向脊形—复合有蜡质晶的月牙形”的布置方法，并通过试验得出最优的织构形状、尺寸参数并组合为一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦；
3、通过卤化改性与表面织构布置综合使轴瓦材料同时获得润湿性和表面形貌改善，进而协同优化其摩擦和润滑性能，为仿生表面织构在改性水润滑轴承轴瓦材料上的减摩应用研究提供较为合理的设计的具体方案与试验依据。
图中，1-外圈轴套，2-滚动体，3-保持架，4-内圈轴瓦，5-轴瓦端部，6-轴瓦中部，7-轴瓦中心，8-月牙形疏水性表面织构，9-第一级双层径向脊形织构，10-第二级带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构。
本实施例提供一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦，表面设计并布置了可以在一定程度上完成功能梯度化的仿生织构。
如图2a-2g所示，仿生织构主要参考了猪笼草唇部及蜡质区的表面织构，仿生织构包括仿猪笼草唇部的径向脊形亲水性表面织构和蜡质区的月牙形疏水性表面织构，并进行了有利于轴承减摩与润滑的参数设置与结构优化。
月牙形疏水性表面织构8布置于所述轴瓦的两个端部5，实现润滑剂由端部向中部的定向输运；径向脊形亲水性表面织构布置于轴瓦的中部6，可有利于流体动压润滑状态在润滑水膜压力最大、膜厚最低的轴瓦中部区域建立，改善原先的润滑状态；整个功能梯度仿生织构表面可实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩。
径向脊形亲水性表面织构分为两级，所述仿生织构采用：复合有蜡质晶的月牙形—双层径向脊形—带楔形盲孔的双层径向脊形—双层径向脊形—复合有蜡质晶的月牙形的布置形式。
第一级为双层径向脊形织构9，亲水性较佳，布置在轴瓦中部6的外侧；第二级为带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10，亲水性更佳，布置在轴瓦的中心7，(第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10的亲水性好于第一级的双层径向脊形织构9的亲水性)；有利于所述径向脊形亲水性表面织构更好地实现所述轴承在运行时的高压力、低膜厚区域的润滑状态改善。
作为一个优选的实施方式，轴瓦的材料使用了超高分子量聚乙烯(uhmwpe)，这是一种拥有非常良好自润滑性能的高分子材料，并兼具耐磨性强、耐冲击性强、吸水性低等优异特性。第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10的基体材料uhmwpe还需经过卤化改性，可获取亲水性更佳的轴瓦表面。
如图1所示，本实施例的一种具有功能梯度仿生织构表面轴瓦的水润滑轴承，与传统滑动轴承具有相同的结构，包括从外到内的外圈轴套1、滚动体2和保持架3、内圈轴瓦4；内圈轴瓦4的表面设计并布置了可以在一定程度上完成功能梯度化的仿生织构。
所述的内圈轴瓦4采用如实施例1记载的具有功能梯度仿生织构的轴瓦，具体结构设计此处不再赘述。
下面提供一种具有功能梯度仿生织构表面的内圈轴瓦制备方法。作为一个优选的实施方式，包括以下步骤：
1、基体材料uhmwpe的制备及表面处理：使用实验室用小型注塑机，将uhmwpe粉体材料经加热、压缩、塑化、注射、冷却等步骤，得到uhmwpe的块状工件，再经过切件、打磨、抛光等步骤，得到形状为半圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件。
2、仿生织构的微纳加工：使用紫外软模纳米压印设备，经过模板加工、图样转移、衬底加工等步骤，在工件的内曲面上加工出形状、尺寸参数合适的表面织构，分别为月牙形疏水性织构8、第一级双层径向脊形亲水性织构9和第二级带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构10。
3、带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10基体材料的卤化改性：作为一个优选的实施方式，将第二级亲水性复合织构10浸泡入15％的溴化钾溶液中，持续30h。
4、内圈轴瓦的组合安装：先将相同的两个半圆环形工件组合成为一个形状为圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件，再按照“复合有蜡质晶的月牙形—双层径向脊形—带楔形盲孔的双层径向脊形—双层径向脊形—复合有蜡质晶的月牙形”的顺序组合完成整个轴瓦4并安装至轴承内圈，完成内圈轴瓦4的制备。
需要指出的是本实用新型的轴瓦表面仿生织构的参数设置及轴瓦制备方法并不局限于以上实施例，也能够准确的通过实际需要做出相应调整。本技术领域的普通技术人员，在本实用新型的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本实用新型的保护范围。
