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全球范围内，约80%的机械部件故障由严重磨损导致。摩擦引发的能源浪费占全球能源消耗近四分之一。自20世纪60年代开始，表面织构技术已经成为调控接触副摩擦性能的有效方式，其织构单元参数和分布对接触副润滑、摩擦与振动行为的影响巨大。
自然界动植物体表的宏观-微观图样为表面织构技术提供了灵感。本文研究的仙洞龟背竹，原产于南美雨林，叶片独特的“瑞士奶酪状”长椭圆形孔结构，利于其适应雨林多雨、湿热的生存环境。受此启发，本研究将仙洞龟背竹叶脉的相关特征应用于滚动轴承接触表面，探索其提升滚动轴承在复杂工况下耐磨与抑振性能的行为，为滚动轴承“外圈-滚动体（保持架）-内圈”系统的优化设计提供新思路。
通过分析仙洞龟背竹叶片的叶脉特征，设计出了不同参数组合的仿生织构图案，然后以激光打标技术制备于轴承轴圈滚道。借助立式万能摩擦磨损试验机、高精度三轴压电传感器和多通道数据采集系统等设备，研究了贫油条件下仿生织构对81107轴承摩擦学与时频域振动特性的影响，揭示了相关仿生织构减摩、抑振及调控磨损的机理，为提升滚动轴承在复杂工况下的接触性能提供了理论和实践支撑。
（1）摩擦性能优化：基于仙洞龟背竹叶片特征设计的仿生织构滚动轴承，可显著降低平均摩擦系数并减少磨损损失。部分仿生织构组的平均摩擦系数降低 12.2%，轴圈磨损减少 43.9%。通过二次润滑等方式进一步改善摩擦性能，有效增强轴承在恶劣工况下的耐磨性与稳定性。
（2）振动特性改良：在磨损测试后期，多数含椭圆孔的仿生织构组振动参数低于光滑组，表明该织构可显著降低轴承振动并提升运行稳定性，有助于延长轴承寿命并减少运转噪声。
（3） 机制揭示：明确了椭圆孔、侧脉角等织构特征对轴承性能的影响机制。例如，椭圆孔有助于延长磨损周期并分散尼龙膜碎屑，45°叶脉角利于磨屑排出与转移。这些研究为轴承表面织构的优化设计提供了理论依据，有助于进一步提升轴承的耐磨性与稳定性。
（1）滚动轴承广泛应用于旋转机械中。本研究成果可用于优化轴承表面织构设计，显著提升其在高速、重载、润滑不良等恶劣工况下的性能。通过减少磨损与振动，有效延长轴承使用寿命，增强机械运行的稳定性与可靠性，同时降低维护与运营成本。
（2）在汽车发动机、变速器等核心部件中应用仿生织构滚动轴承，有助于减少摩擦损耗，提高能源利用效率。同时，该设计可降低振动与噪声，优化驾驶体验，进一步提升车辆整体性能与燃油经济性。
（3）航空航天领域对设备可靠性与性能要求极为严苛。将仿生织构设计应用于航空发动机和飞行器传动系统中的滚动轴承，可有效增强关键部件的抗磨损与抗振动性能，保障飞行安全，延长设备使用寿命，并降低维护与运营成本。
龙日升：2009 年获中国科学院沈阳自动化研究所机械电子工程博士学位，2018 年加入沈阳化工大学，现任装备可靠性研究所副教授。研究领域包括材料表面改性、摩擦学、机械部件动力学、振动与可靠性分析等。已发表 70 余篇同行评审期刊论文，获近20项中国发明专利授权，为中国机械工程学会（CMES）和Society of Tribologists and Lubrication Engineers（STLE）会员。
商庆雨：2024 年获沈阳化工大学能源动力专业硕士学位，研究方向为轴承的摩擦、磨损与振动特性。
Max Marian：德国汉诺威莱布尼茨大学机械设计与摩擦学研究所（IMKT）教授、所长候选人，智利天主教大学机械与冶金工程系多尺度工程力学方向助理教授。研究重点为通过摩擦学提高能源效率与可持续性，侧重于利用微织构与涂层（类金刚石碳与二维材料）对表面进行改性。研究领域涵盖机械元件、发动机部件、生物摩擦学、人工关节以及摩擦纳米发电机等。致力于开发数值多尺度摩擦模拟与机器学习方法。在知名期刊发表 60 余篇同行评审论文，多次在会议上演讲并受邀做报告，获多项个人荣誉及最佳论文和展示奖。入选《Surface Topography: Metrology and Properties》2023 年新兴领导者名单，担任《Frontiers in Chemistry Nanoscience》《Industrial Lubrication and Tribology》《Lubricants》以及《Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces》编委成员，为 Society of Tribologists and Lubrication Engineers（STLE）与 German Society for Tribology（GfT）会员。
编辑 | 徐军
审核 | 解国新
期刊简介
Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域国际学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2023年影响因子为6.3，五年影响因子为6.7，在Web of Science核心合集数据库机械工程领域183种期刊中排名第9位(前5%)，稳居Q1区。现为月刊，年发文量160篇。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”领军期刊。2025年起，Friction正式转至自主科技期刊国际化数字出版平台SciOpen发布传播，实现完全独立运营，踏上中国科技期刊自主办刊新征程！
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