摩擦学研究的发展趋势

世纪回顾与展望—摩擦学研究的发展趋势温诗铸院士摘要在回顾摩擦学发展历史的基础上，总结20世纪60年代以来，在摩擦学主要研究领域包括流体润滑、材料磨损与表面处理技术、纳米摩擦学等的发展现状和展望。分析了相关学科的发展和学科交叉对摩擦学研究的推动作用，并介绍了摩擦学与其他学科交叉领域如摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学和微机械学等的发展概况和趋势。摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。18世纪的特点是以试验为基础的经验研究模式。19世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。到了20世纪20年代以后，发展成为涉及力学、热处理、材料科学和物理化学等的边缘学科，从此开创了多学科综合研究的模式。1965年首次提出Tribology(摩擦学)一词，简要地定义为“关于摩擦过程的科学”。此后，它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。1研究现状与发展趋势现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为：(1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。(2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。(3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。20世纪60年代后，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。1.1流体润滑理论以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。现代计算机科学和数值分析技术的迅猛发展，对于许多复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定量计算。例如，在流体润滑研究中采用数值分析方法，已经建立了分别考虑摩擦表面弹性形变、热效应、表面形貌、润滑膜流变性能以及非稳态工况等实际因素影响，甚至于诸多因素综合影响的润滑理论，为机械零件的润滑设计提供了更加符合实际的理论基础。今后的任务是将润滑理论有效地应用于工程设计，其中对于某些机械零件诸如齿轮蜗轮传动的实际接触情况复杂，工作中润滑参数又不断变化，它们的润滑设计还需要进一步完善。混合润滑是实际机械中存在的最为普遍而又最为复杂的状态，随着微观弹流润滑和粗糙表面润滑数值模拟研究的发展，使得建立完备的混合润滑理论并应用于工程设计成为可能。混合润滑的特征之一是伴随磨损过程，即润滑与磨损的耦合。今后，在进一步完善真实粗糙表面润滑行为的模拟计算的基础上，新的研究目标可能在于揭示摩擦过程中润滑机制与其他过程如热效应、接触形态及磨损现象的交叉作用和相互影响。对于这一方面的研究，计算机数值模拟仍然是大有可为的。现代机械的运行速度和载荷不断提高，使得润滑膜的剪切率和压力日益增大。同时，为改善润滑油性能，通常要添加大量的由高分子化合物组成的添加剂，以及其他类型润滑剂的应用，这都造成润滑膜强烈的非牛顿行为，并成为影响润滑设计的不可忽视的因素。为此，人们根据试验测量提出了多种类型的润滑膜流变模型及其本构方程，同时还揭示出高压固化、剪切稀化、相变和极限切应力等一系列重要的物理特性及其对润滑行为的影响。近年来，基于粘塑性和粘弹性流变模型的润滑理论得到较大的发展。根据粘塑性润滑理论分析了极限切应力对于润滑膜的作用，得出在高剪切率下由于润滑膜屈服在润滑膜内部或界面上出现滑移进而丧失了承载能力。在粘弹性流体润滑研究中，根据固体表面的变形情况，揭示出表面产生磨损的条件。应当指出，流变润滑研究还需要进行深入的理论分析和大量的试验研究。首先，迄今所提出的流变模型大多是根据特定的润滑材料和工况得出的，因而适用范围局限，而本构方程中的流变参数还缺乏准确的实验数据。现有的本构方程大都采用简单的代数式，近来有人试图用更复杂的微分式来表征润滑膜的流变行为。此外，非牛顿流体润滑的数值分析也还不尽完备。90年代初提出的薄膜润滑状态是润滑研究的新领域。Dowson指出，由于润滑设计和加工技术的不断完善，流体润滑膜的厚度日益减小。他总结出润滑膜厚数量级的变化趋势为：在20世纪初，普通滑动轴承的最小膜厚通常在10～100微米范围；到了50年代，稳态滑动轴承的膜厚为10微米；而80年代内燃机滑动轴承的最小膜厚减小到1～10微米，对于齿轮、滚动轴承等弹性流体动力润滑膜的厚度更小，为01～10微米；发展到90年代，低弹性模量表面或磁记录装置润滑以及塑性流体动力润滑的膜厚则介于001～010微米甚至0001微米(即1纳米)数量级，这种润滑状态通常被称为薄膜润滑。Spikes等以及作者领导的研究组采用不同的光干涉技术对点接触副的纳米量级润滑薄膜的性能进行了系统的试验研究。研究指出，以纳米膜厚为特征的薄膜润滑是介于弹流润滑与边界润滑之间的状态。通常认为，弹流润滑以粘性流体膜为特征，它服从连续介质力学的规律，而边界润滑以润滑剂分子有序排列的吸附膜为特征，以表面物理化学为研究基础。显然，作为中间状态的薄膜润滑兼有流体膜和吸附膜的特点，因而润滑机理复杂。目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。有关薄膜润滑的形成机理和结构特征，包括在表面能作用下润滑膜分子有序化及其影响、膜厚与润滑剂物理性能的相关性以及润滑状态转换等问题都需要通过试验研究进一步考察。在数值模拟方面，还需要建立符合纳米润滑膜结构特点的物理模型与计算方法，以适应工程应用中薄膜润滑设计的需要。经典连续介质力学的基本假设是材料具有连续分布的密度，所有的守恒定律对于材料内部任一部分均成立，而任一点的状态仅与该点无限小的邻域有关，因此在材料的本构关系中不出现特征长度，即不考虑材料内部的微观结构。如果所研究对象的特征尺寸远大于材料内部结构的特征尺寸，经典连续介质力学将是有效的。然而，在薄膜润滑状态下，润滑膜极薄仅包含十几个或几十个润滑剂分子尺寸，而且分子排列有序。显然，对于薄膜润滑状态，当今流体润滑理论基于连续介质力学的分析方法不尽适用，需要建立一种新的考虑润滑膜内部微结构及其流变特性的理论。1.2材料磨损与表面处理技术由于磨损是机械设备的主要失效形式之一，它所造成的经济损失十分巨大，根据我国80年代不完全统计，在冶金矿山、农业机械、煤炭、电力和建筑材料五个工业部门每年仅用于磨料磨损而需要补充的备件达100万吨钢材。又如，约40％的农业机具备件是由于磨料磨损造成的，约30％的锅炉钢管因腐蚀磨损而失效。因此，关于材料磨损机理及提高耐磨性的研究受到摩擦学界的广泛重视。材料的耐磨性不像物理、化学性能那样属于材料的固有特性，而是制约于摩擦学系统诸多因素如接触条件、环境介质和工况等的综合影响，构成一个特定的系统特性；同时，磨损又是发生在材料表面层的微观动态过程。因而磨损现象十分复杂而且很难实时观察。无论在材料科学或摩擦学中，它是在理论和实践上都还不够完善的研究领域。早期的磨损研究大都限于性能试验。20世纪60年代后期，电子显微镜及各种表面微观分析仪器商品化和广泛应用，为磨损表面层分析提供了研究磨损机理的手段。与此同时，随着材料科学的发展，许多新型材料以及一系列表面处理技术的兴起，对磨损研究向宽度和深度上的发展起着重要的推动作用。首先，现代材料磨损研究的领域已从以金属材料为主体扩展到非金属材料包括陶瓷、聚合物及复合材料的研究。陶瓷作为新兴的耐磨材料还只有20多年的历史。1983年的国际材料磨损会议上提出了许多关于陶瓷材料磨损的研究报告，其中不少涉及到实际应用，此后陶瓷耐磨材料研究得到迅速发展。由于陶瓷材料具有特殊优良的性能，包括高耐磨和耐腐蚀能力、良好的高温稳定性及在相当宽的温度范围内具有较高的硬度，它对于在高温和腐蚀介质中工作的摩擦副，其摩擦学性能远比其他金属材料优异，因而在高效动力机械中有着广泛应用前景。聚合物属于有机高分子材料，它具有某些其他材料不能达到的摩擦磨损性能，例如具有很低的摩擦系数和较高的化学稳定性，有的聚合物还有抑制振动的能力，因而聚合物可望成为优良的减摩耐磨材料。通常均一单质的材料不能满足多种性能要求，近年来各种人造复合材料又相继产生，包括以金属和非金属为基的具有各种填充物的复合材料。例如，在聚合物中加入石墨、二硫化钼或聚四氟乙烯等固体润滑剂，可以降低摩擦因数；为了改善聚合物的热传导性能而加入青铜、铝或石墨粉末填充物的复合材料。发展至今用作减摩耐磨材料的聚合物及复合材料的种类繁多，已有不少专著介绍它们的性能和应用，今后的研究目标仍然是开发更高性能的品种和扩大应用范围。表面处理技术或称表面改性是近20年来摩擦学研究中发展最为迅速的领域之一。它利用各种物理、化学或机械的方法使材料表面层获得特殊的成分、组织结构和性能，以适应综合性能的要求。就学科发展趋势而言，复合性材料的研究是材料科学的重点方向，而表面改性技术实质上就是研制表里具有不同材质的复合性材料，因而受到摩擦学者广泛的重视。迄今已经开发出种类繁多功能各异的表面处理技术，可归纳为：表面热处理和化学热处理、电镀和电沉积、堆焊和热喷涂、高能密度处理和气相沉积等类别。近年来又发展了将多种技术结合而形成的复合型表面处理技术以及表面层的组织和性能按规律变化的梯度材料，都将成为今后重要的研究方向。从工程实际需要出发，建立材料摩擦磨损的物理模型和定量计算公式，以便预测机械零件的使用性能和失效寿命，是一项长期困扰摩擦学研究人员而又未能完全达到的研究目标。然而随着现代各类材料表面微观分析仪器的发展和大量应用，有力地推动了对于磨损机理的深入探索。根据统计，在以往40年的文献中共发表了300多个各种形式的磨损公式，这些公式都是许多作者根据不同的观点和不同条件的试验提出的。它们中间即使是最完备的公式在实际应用中也有很大的局限性，这是由于材料磨损是发生在表面层涉及材料科学、力学、热物理及化学等的复杂过程。影响摩擦磨损的因素很多，至今人们提出的与磨损有关的变量有600余个，而最基本的也有100多个。显然，对于磨损这样复杂而多变的过程要建立统一的预测公式是十分困难的。为此，磨损机理及其量化研究仍将是摩擦学工作者今后的繁重任务。首先是有针对性地深入考察典型磨损形式的机理及其变化规律，并在试验的基础上就特定工况条件下的磨损建立定量计算公式，再在实际应用中不断完善和扩展。1.3纳米摩擦学纳米科学技术被认为是面向21世纪的新科技，由此派生出一系列新学科，纳米摩擦学或称微观摩擦学就是其中之一。纳米摩擦学研究在90年代的迅速兴起是本学科发展的必然趋势。摩擦学属于表面科学范畴，其研究对象是发生在摩擦表面和界面上的微观的动态行为与变化，而在摩擦过程中摩擦副所表现的宏观特性与材料微观结构密切相关。而纳米摩擦学提供了一种新的思维方式和研究模式，即从原子分子尺度上揭示摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系，这将更加符合摩擦学的研究规律。可以说，纳米摩擦学的出现标志着摩擦学发展进入了一个新阶段。纳米摩擦学的研究方法与宏观摩擦学研究有很大差别。纳米尺度上考察表面和界面上分子层的微观摩擦学行为的理论分析手段主要是计算机分子动力学模拟(MDS)，而试验测试仪器为各类扫描探针显微镜，如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和摩擦力显微镜(FFM)等和表面力仪(SFA)以及专用的微型试验装置。目前，纳米摩擦学的主要研究内容包括材料微观摩擦磨损机理与控制，以及表面和界面分子工程即通过材料表面微观改性和纳米涂层，或者建立有序分子膜润滑，以获得优异的减摩耐磨性能。当前的应用研究主要集中在计算机磁记录装置以及超精密和微型机械。纳米摩擦学是摩擦学研究的热点领域，迄今已有大量的研究报告发表，并出版了专著。2交叉学科的发展摩擦学作为一门技术基础学科往往与其他学科相互交叉渗透从而形成新的研