摩擦磨损作为材料和零件的主要失效形式之一,广泛存在于光电、机械、航空等领域,每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。尤其在高精密机械、微机电系统和微型机器人等结构尺度小的微摩擦系统中,因该系统具有质量轻、间隙小、表面积比大等特点,由润滑介质在表/界面分布不均引起的摩擦磨损问题尤为突出。研究发现微观表面力作用下的粘着失效和摩擦磨损与摩擦界面的间隙、表面微观形貌、表面能及表层的力学性质等因素密切相关,但观点尚不统一且很少考虑各项因素的综合影响。经过亿万年的进化,自然界中的一些生物材料由于特殊表面润湿性,显示出优异的表面润滑特性和减摩特性,如人体关节显示亲水性且具有极低的摩擦系数,荷叶显示超疏水性且具有自清洁特性和猪笼草的超滑特性等。微摩擦系统涉及固-固界面、固-液界面和固-气界面的相互摩擦作用,通过对生物摩擦系统的减摩、抗粘附及高效润滑机制的研究,从结构、润湿性、材料和控制等多个角度借鉴生物摩擦系统的成功经验和创成规律,为微机械系统的减摩研究提供了重要的仿生学启示。本论文面向微机械系统应用,以具有特殊润湿性的生物润滑系统为原型,进行耦合仿生设计。采用精密线切割、激光加工等方法并结合表面化学修饰,分别制备不同润湿性表面、交错润湿性表面、不同粘附性超疏水表面,研究了表面微结构、润湿性、粘附性及其交互作用对摩擦系数的影响规律,揭示了表面微结构、润湿性与摩擦学性能之间的关系,并探讨了利用机械压印技术批量制备仿生微结构的应用前景。主要结论如下:(1)采用精密线切割加工微方柱结构,经混合硫醇修饰和pH试剂处理获得不同润湿性表面。研究不同润湿性表面的水润滑摩擦特性,结果表明对于疏水性表面(CA>90°),随着接触角的增加,摩擦系数呈现减小趋势;对于亲水性表面(0°<CA<90°),摩擦系数随接触角的增大呈增大趋势;对于超亲水表面(CA=0°),摩擦系数明显增大。在不同润湿性表面中超疏水表面减摩效果最为显著。(2)采用纳秒激光分别制备微方柱、微沟槽结构获得两种结构的亲水表面,经氟硅烷修饰获得两种结构的疏水表面,利用砂纸抛光疏水表面获得两种结构的上层亲水下层疏水表面,利用激光选择性刻蚀疏水表面获得两种结构的上层疏水下层亲水表面(将微结构上表面定义为上层,侧面及凹槽底部定义为下层)。比较不同结构表面的粘附特性和水润滑摩擦系数,结果表明对于微方柱结构表面,疏水表面和上层疏水下层亲水表面处于低粘附状态且具有较为优异的减摩特性。对于微沟槽结构表面,四种表面均处于高粘附状态,其中疏水表面具有较为优异的减摩特性。(3)采用纳秒激光在基材表面分别制备不同尺寸、分布、深度的微方柱结构,利用氟硅烷修饰获得低、中和高粘附超疏水表面。研究不同粘附性超疏水表面的水润滑摩擦系数,结果表明低粘附超疏水表面有显著减摩效果,其他粘附性超疏水表面摩擦系数无明显差异。(4)采用机械压印技术在批量制备不同直径、分布、深度的微凹坑结构,压印试验表明压印载荷与微凹坑尺寸呈线性关系。研究油液润滑下不同微阵列表面的摩擦系数,结果表明对于凹坑中心距850μm和1200μm样品,随着凹坑直径和深度的增加,摩擦系数减小;对于凹坑中心距1700μm样品,随着凹坑直径和深度的增加,摩擦系数先减小后增加,其中凹坑直径480μm,深度137μm时摩擦系数最小。