摩擦学研究领域的进展和发展趋势

作者简介：李久盛，男。2002年毕业于上海交通大学，获材料科学博士，副教授。现主要从事润滑油添加剂的合成、摩擦学机理研究工作，已在国内外学术期刊公开发表论文50余篇。摩擦学领域的研究进展和发展趋势李久盛（中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州730060）摘要：对近年来摩擦学研究领域的相关文献进行了调研、汇总和分析，主要涉及的内容有：对摩擦学发展趋势的预测和分析，摩擦化学研究的新方法、新理论和新仪器，边界润滑下不同类型添加剂的作用机理等。在此基础上，结合油品发展趋势对摩擦学今后的关注点进行了总结和展望。关键词：摩擦学；边界润滑；极压抗磨剂；摩擦化学反应StatusandDevelopTrendsofTribologyResearchFieldLIJiu-sheng(PetroChinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute,Lanzhou,730060)Abstract:Inthispaper,manyreferencesconcernabouttribologyresearchfieldwerecollectedandanalyzed.Themaincontentsincludetheforecastandanalysisofdeveloptrendsintribology,newmethods,theoryandanalyzerfortribochemicalstudies,andthemechanismofdifferentkindsofadditivesinboundarylubricatingstate.Baseontheabove,thedeveloptrendsoftribologyfieldweresummarizedandpreviewed.KeyWords:Tribology;Boundarylubrication;EP/AWAdditive;TribochemicalReaction摩擦学((tribology)是一门研究相对运动的表面及相关行为的技术科学，包括研究摩擦、磨损和润滑。摩擦化学是摩擦学的一个重要分支，是化学与摩擦学的一个交叉学科，主要研究相对运动中的表面所发生的化学及物理化学变化。摩擦化学主要涉及两大摩擦领域：干摩擦状态下的摩擦化学及润滑状态下的摩擦化学。干摩擦指相对运动的两个界面间没有油脂或其它润滑液存在的摩擦状态；而油润滑则是指相对运动的界面完全浸于油脂中或界面有一层油脂润滑膜的摩擦状态。摩擦化学与热化学有一定的差异，摩擦化学往往是在机械能、热能、电能等共同作用下产生的化学变化，它与相对运动的摩擦表面所产生的各种物理与化学效应直接相关，并且由磨损而引起的表面晶格缺陷和金属新生面对化学反应还具有催化作用，有时还可以激发某些反应的发生。摩擦化学具体来说，就是对添加剂在摩擦过程中的作用机理进行研究，这对于提高添加剂开发工作的目的性具有十分重要的意义。在本文中，对近年来国际摩擦学界有关摩擦化学的文章进行了调研，并结合自身的工作需要，选择其中具有代表性的文献进行了整理，希望可以为以后的研发工作提供方法借鉴和理论指导。一、摩擦学研究发展趋势的预测2001年，HughSpikes[1]发表了关于21世纪摩擦学研究预测的文章，对摩擦学基础研究在本世纪最初50年所面临的挑战进行了分析和讨论，并对其发展趋势进行了预测。基于对摩擦学现在的发展趋势、研究状态、科技支撑条件和现实需求的分析，Hugh认为本世纪头12年，摩擦学基础研究的发展趋势主要集中于5个领域：模型和模拟、薄层润滑、节能技术、表面的最优化设计和智能系统等。1.1模型化和模拟方法20世纪40年代，计算技术的限制使得科学家只能通过大量的计算对摩擦过程中有限流体动力学进行简单的研究；60年代，大型主机的出现促进了流体热力学和流体弹性动力学等温线的研究，并在60年底中期扩展到弹性动力学线接触的热力学研究；70年代，进一步深入到弹性动力学点接触的等温线研究；80年代，计算机技术的发展解决了等温线、光滑表面和弹性动力学等问题，热力学、点接触、粗糙表面和高负荷下的摩擦接触受到了关注，分子动力学开始用来对简单的碳氢化合物进行模拟；90年代中，解决了粗糙表面上的2维弹性流体接触[2]和厚层/薄层膜润滑的分子动力学模拟[3,4]。图1是2个狭窄表面相对运动时不同油膜厚度的十六烷的模拟[4]，图2是典型粗糙表面运动接触下的油膜厚度预测[5]。图1剧烈碰撞下运动表面十六烷的分子动力学模拟图2弹性流体接触下粗糙表面油膜厚度的计算机模拟计算机模型除了得益于计算机技术的力量，还在运算规则如多栅格化处理、真实模拟等方面取得了进展。具体来说，高度精确和复杂的数学模型和模拟方法将在摩擦学得到更大的应用。到2012年，高速台式计算机将用于研究运动粗糙表面、热力学和非牛顿流体，能够对混合弹性流体力学/边界润滑过程中的接触压力、膜厚和摩擦进行预测；分子动力学模拟将更加强大，可以在台式计算机根据润滑剂的分子结构来预测其粘度和可压缩性等性质；现在所进行的关于摩擦固体表面的疲劳磨损研究，会在原子或者更大的个体单元范围内得到深化。模型化的一个重要领域是复杂摩擦学体系如发动机或传动系统等的运行状态模拟，包括接触应力、温度、动力学和流体效应等体系中相关问题的研究，以及机械运转对润滑剂和摩擦表面造成的累积损害。这一研究的最终目的是为了建立有效的试验手段来代替耗时昂贵的发动机或者齿轮箱台架试验。表1列出了摩擦学在模型化和模拟方法领域有可能取得的成就。表1摩擦学模型化和模拟方法涉及领域2维弹性流体和混合膜所包含的热力学、非牛顿流体和粗糙表面等的研究润滑剂的分子动力学模拟混合润滑的分子模型摩擦过程中固体发生接触和滑动时的原子/单元反应模型多面或多体接触的模拟累积损害模型机械润滑的过程模拟，如内燃机油的抗磨表现1.2薄层润滑过程的研究对于摩擦过程的物理本质和化学过程的理解，是建立有效的计算机模型的前提，实验摩擦学在未来12年的一个主要作用就是要对摩擦过程中的物理本质和化学现象进行研究，而对薄层润滑膜和混合边界润滑膜的研究，就是其中一个关键领域。薄层润滑之所以引起越来越多的重视，主要是因为现代社会对节能提出了更高的要求，使机械部件向小型化和大功率密度发展，而润滑油的选择也趋向低粘度级别油品，这两个趋势都要求减小润滑膜的厚度[6]。信息存储系统的发展，进一步使得摩擦副之间的润滑层减小到只有几个纳米的厚度[7]。图3冲击后表面和粗糙表面润滑膜厚度分布薄层润滑的研究在过去的10年中取得了相当大的进展，主要集中在2个方面：一是实验手段如力平衡仪器和超薄膜干涉测量的发展和应用[8]，最新的进展就是间隔层成像系统的发明，使得能够对粗糙表面的润滑膜厚度进行描绘[9]，可以深入考察微观弹性流体动力润滑行为和基础油、添加剂的摩擦学性能。图3利用这一技术对经过撞击的表面和真实粗糙表面分别进行了润滑膜厚度分布表征。第二个重要的进展是新型高灵敏度的表面分析仪器的发明，如高分辨率发射电子显微镜（HRTEM）、和X-射线精细结构分析仪（XANES）等，这就可以对摩擦表面反应膜的化学结构信息进行深入细致的研究。图4显示的是利用HRTEM对油溶性有机钼润滑下的磨斑表面进行了表征，证明了确实存在1～2分子厚度的薄片状MoS2。图4有机钼润滑下磨斑表面的HRTEM表征图像边界润滑和混合润滑下的薄层研究发展速度很可能非常迅速。在这个过程中，一些需要用实验去验证的关键问题有：1）润滑剂所形成超薄膜的流变学性质；2）重负荷接触下液/固界面上的滑动范围；3）极压抗磨剂形成反应膜的动力学过程以及润滑膜的物理性质；4）凹凸不平的表面直接接触时基础油和反应膜的作用行为；5）对薄层磨损接触时发生化学反应的控制因素如瞬时温度、剪切力、表面逃逸电子和催化活性等进行分析和量化。1.3节能技术对摩擦学发展的要求为了提高节能效率、减少CO2的排放而发展出的几项新技术，如高效、环保发动机，使得摩擦学面临着新的挑战。从摩擦学的角度说，新型发动机要求处于弹性流体状态的润滑剂在宽的温度和压力范围下，能够提供较高的摩擦和牵引效率。近年来，具有很高牵引效率的合成润滑剂受到了越来越多的关注[9]，但是缺点在于其高昂的价格和高温下存在牵引效率下降的现象。另外，为了更好的研究弹性流体状态的润滑作用机理，需要发展精确的流变学模型。过去的几年中所提出的数个类似的模型，虽然在理论上可以预测弹性流体的牵引效果，但与实际工况仍存在重要的差异。从分子角度对流体黏附力进行研究，会促进性能良好且价格低廉牵引液的开发工作，这一领域和弹性流体流变学必将在未来数年内受到重视[10]。1.4表面最优化设计在过去的40年，一个在实践中非常有效但基础理论研究又极为缺乏的领域是表面处理和涂层技术，很多有效的处理过程已经得到了广泛的商业应用。在最近的10年中，这一技术与理论脱节的现象得到了改善，这主要得益于数字化模型的应用，包括对处理过的或涂层的表面各层的物理性质进行描述，对处理后表面之间的接触进行模拟等[11]。由于涂层技术能够保持长期稳定有效的润滑，体现出了相对于润滑油的极大优势，这一领域的理论研究和技术发展会变得越来越重要。其中，一个值得关注的方向是为各向异性或多相材料如合金建立3-D模型，以便对压力在材料内部的分布情况进行分析，从而可以预测材料裂缝的发生几率和损害累积。1.5智能系统计算机技术的飞速发展和传感器新技术的出现，使二者结合后衍生出的智能系统给了摩擦学研究令人振奋的推动力。图5所示就是一个装有智能防震系统的轴承，装在外环和轴承之间的压电传感器会检测齿轮啮合过程中压力的变化，信号反馈给反作用的传感器对外加负荷进行调整，从而起到轴承震动的阻尼作用[12]。图5装有智能-防震系统的轴承二、边界润滑膜的形成和润滑机理2.1边界润滑的定义所谓边界润滑，是指油膜平均厚度小于摩擦副表面粗糙度状态下的润滑，在相对运动过程中存在表面之间的直接接触。具体来说，边界润滑有如下特点：1）摩擦表面之间的直接接触承载了大部分的负荷；2）润滑剂与表面发生了化学反应；3）摩擦化学反应的产物对于摩擦过程中润滑效果起到了举足轻重的作用；4）基础油的粘度对于摩擦磨损的影响很小；5）一般发生在低速高负荷的工况，如轴承、齿轮、凸轮、蜗杆和活塞环等部件的工作环境。边界润滑状态下摩擦表面之间的凹凸处发生碰撞，根据负荷和材料性质的不同，表面会发生局部弹性形变和塑性形变，苛刻条件下还会发生断裂。随之发生能量释放如机械能和热，造成接触点的瞬时温度非常高，而新生表面具有很高的表面能和反应活性，这些因素都会引发润滑剂与表面金属之间的化学反应，如氧化反应（表面金属的氧化和润滑剂的氧化）、润滑剂的分解反应、表面催化反应、聚合反应和有机金属化合物的生成等。Nakayama等[13]观察到在摩擦过程中有断裂化学键、外逸电子和带电粒子出现，这些因素都促进了摩擦化学反应的发生。2.2边界润滑膜的组成、外观和形貌研究表明，边界润滑膜的化学组成主要是微米级大小的铁或氧化铁颗粒和大分子量的有机金属化合物。如果有ZDDP或TCP等抗磨剂的存在，则润滑膜中会含有磷酸铁等玻璃状的磷酸盐成分。润滑膜的外观和形貌是斑驳的、连续或离散的，而且由于膜厚和所含元素的不同，呈现绿色到褐色等不同的颜色[14]。从整体上来说，润滑膜的外观和形貌与其润滑性能之间没有直接的规律性关系[15]。图6含有1％ZDDP的液体石蜡润滑下的SiN表面磨斑形貌边界润滑膜的作用机理主要有：牺牲性的润滑膜、低剪切的界面润滑膜、摩擦改进膜、抗剪切膜和承载膜等，边界润滑膜不同的作用机理取决于环境条件和实际工况。图6和7给出了两种不同材料的润滑膜形貌和外观。图6是含有ZDDP的液体石蜡在SiN表面所形成的非常致密的润滑薄膜，其外观和结构与铁-铁界面十分类似；图7是SiC表面有效的润滑膜。因为SiC比SiN的脆度要大，需要形成更厚的润滑膜才能起到降低摩擦的作用。图7含有1％二硫联苄基的液体石蜡润滑下的SiC表面磨斑形貌2.3基础油的化学反应在摩擦过程中，基础油会发生氧化、热分解