摩擦學(xué)研究的回顧與展望

摩擦學(xué)是研究相互交流中相互作用的表面及其應(yīng)用的科學(xué)。研究范圍是對機械及其系統(tǒng)的影響、接觸表面及其潤滑劑的變化、績效預(yù)測和控制等。主要理論基礎(chǔ)是工程力學(xué)、金融學(xué)、流變學(xué)、表面物理、表面化學(xué)等。綜合科學(xué)合理、工程熱物理等學(xué)科的結(jié)果。邊緣學(xué)科以數(shù)值計算和表面技術(shù)為主要手段。對物體表面的摩擦、磨損和滑動。本研究的目標(biāo)是指導(dǎo)設(shè)備及其系統(tǒng)的正確設(shè)計和使用，節(jié)約能源和原材料的消耗，從而提高機械設(shè)備的可靠性，提高工作效率，延長使用壽命。1摩擦學(xué)學(xué)科的迅速發(fā)展人類對摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識,并能使之為自己服務(wù),如史前人類已知鉆木取火.中國在春秋時期已經(jīng)普遍地應(yīng)用動物脂肪來潤滑車軸.用礦物油作潤滑劑的記載最早見于中國西晉張華所著《博物志》.但是摩擦學(xué)的研究進展緩慢,直到15世紀(jì)意大利的L·達(dá)·芬奇才開始把摩擦學(xué)引入理論研究的途徑.1785年,法國的C·A·de庫侖繼前人的研究,用機械嚙合概念解釋于摩擦,提出摩擦理論.后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論.1935年,英國的F·P·鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦.1950年,鮑登提出粘著理論.1886年,英國的O·雷諾繼前人觀察到的流體動壓現(xiàn)象,總結(jié)出流體動壓潤滑理論.20世紀(jì)50年代普遍應(yīng)用電子計算機以后,線接觸彈性流體動壓潤滑理論有所突破.20世紀(jì)60年代在相繼研制出各種表面分析儀的基礎(chǔ)上,磨損研究得以迅速開展.至此綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關(guān)系的條件已初步具備,并逐漸形成摩擦學(xué)這一新學(xué)科.隨著計算機和數(shù)值計算機技術(shù)的發(fā)展,以前不能用解析法解決的問題大都可以進行精確的定量計算,所分析的因素更加全面和符合實際,目前經(jīng)典流體潤滑理論已經(jīng)基本成熟,研究的重點轉(zhuǎn)向特殊介質(zhì)和極端工況下的潤滑理論,例如超成流潤滑、多相流體和流邊潤滑理論,特別是針對異向曲面摩擦副的潤滑問題所建立的彈性流體動力潤滑理論和應(yīng)用研究已取得重大進展.混合潤滑是最為普遍的潤滑狀態(tài),在國外也受到廣泛的關(guān)注.材料磨損研究已從早期的宏觀現(xiàn)象分析轉(zhuǎn)向微觀機理研究,應(yīng)用現(xiàn)在表面分析技術(shù)揭示磨損過程中表面層組織結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)變化.目前國際上提出能量理論或材料疲勞機制的各種磨損理論,可以作為摩擦副材料選擇和抗磨損設(shè)計的依據(jù),此外,新型軸承和動密封裝置的結(jié)構(gòu),新型材料與表面熱處理技術(shù)、新型潤滑材料與添加劑等方面的研究均有較大的進展.摩擦學(xué)學(xué)科的迅速發(fā)展是與工業(yè)界的需求密不可分的.隨著機械設(shè)備向著大功率、高速度方向發(fā)展,以及機械設(shè)備在苛刻工礦下的應(yīng)用,使得機械零件因摩擦磨損而失效,不僅維修費用增大,而且甚至是整個機械設(shè)備喪失功能.因此,降低機械設(shè)備的摩擦損耗,提高機械設(shè)備的效率,維護機械設(shè)備的正常工作,就成為機械設(shè)計、制造及使用維護部門關(guān)注的問題.正是工業(yè)界的這種需求,推動了摩擦學(xué)理論的發(fā)展.今天,摩擦學(xué)研究已經(jīng)深入到更為廣闊的領(lǐng)域,除了在摩擦與磨損機理、潤滑理論、摩擦學(xué)測試技術(shù)和設(shè)備工況檢測技術(shù),以及減摩耐磨材料研究等傳統(tǒng)領(lǐng)域,摩擦學(xué)研究得到進一步發(fā)展,而且在以往未曾達(dá)到的技術(shù)領(lǐng)域,例如太空領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域、生命科學(xué)等,亦形成了新的研究方向和學(xué)科分支,并對推動這些領(lǐng)域的科學(xué)進步做出了貢獻.摩擦學(xué)研究的對象也越來越廣泛,在機械工程中主要包括:(1)動、靜摩擦副,如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接等.(2)零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊,如犁鏵和水輪機轉(zhuǎn)輪等.(3)機械制造工藝的摩擦學(xué)問題,如金屬成形加工、切削加工和超精加工等.(4)彈性體摩擦副,如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力浸漏等.(5)特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題,如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等,深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等.此外還有生物中的摩擦學(xué)問題,如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進艦船設(shè)計,研究人體關(guān)節(jié)潤滑機理以診治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎,研究人造心臟瓣膜的耐摩壽命以謀求最佳的人工心臟設(shè)計方案等.地質(zhì)學(xué)方面的摩擦學(xué)問題有地殼運動、火山爆發(fā)和地震,以及山、海、斷層形成等.在音樂和體育以及人們?nèi)粘Ｉ钪幸泊嬖诖罅康哪Σ翆W(xué)問題.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀,由靜態(tài)進入動態(tài),由定性進入定量,成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域.2基礎(chǔ)物理教材中缺少對一般基礎(chǔ)物理教材和一般基礎(chǔ)物理教材的討論摩擦學(xué)又是一門十分復(fù)雜的學(xué)科,迄今發(fā)現(xiàn)的與摩擦有關(guān)的因素多達(dá)上百個.在一般的基礎(chǔ)物理教材中很少談及摩擦的起因和本質(zhì)問題,只給出一些經(jīng)驗規(guī)律.事實上目前也確實還沒有建立起十分成熟的摩擦理論,摩擦問題一直是科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的一個重要課題.2.1彈性潤滑理論隨著人們對潤滑機理和理論的深入研究,潤滑理論經(jīng)歷了由宏觀觀察到微觀分析的發(fā)展;從經(jīng)驗地對摩擦現(xiàn)象做定性分析,發(fā)展到對摩擦的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象的相互關(guān)系建立精確的定量動態(tài)模型;從對摩擦磨損的少數(shù)因素的研究,向全面綜合研究的方向發(fā)展.1886年,Reynolds提出了潤滑方程,開創(chuàng)了流體潤滑理論研究.隨后,基于粘性流體力學(xué)建立的流體動潤滑理論廣泛應(yīng)用于滑動軸承等面接觸機械零件的設(shè)計中.20世紀(jì)60年代以后,人們又將Reynolds流體潤滑理論與Hertz彈性接觸理論相藕合而發(fā)展了彈流理論,成功地解釋了諸如齒輪傳動,滾動軸承等點線接觸機械零件的潤滑設(shè)計問題.彈流理論經(jīng)歷了從經(jīng)典的彈流理論到現(xiàn)代彈流理論的發(fā)展過程.經(jīng)典的彈流理論考慮了固體表面在流體動壓作用下的彈性變形,潤滑劑的粘度和可壓縮性.它所預(yù)測的油膜厚度不能滿意地解釋為什么牽引力的數(shù)值是隨著滾動速度或滑動速度變化的.1919年,Hardy提出邊界潤滑狀態(tài),即潤滑油添加劑中的元素通過物理或化學(xué)作用,在金屬表面形成具有潤滑作用的吸附膜.邊界膜更薄,通常由規(guī)則排列的單分子或幾個分子層所組成.邊界潤滑的理論基礎(chǔ)主要是物理化學(xué)和表面吸附理論.彈性潤滑理論及其觀測技術(shù)的深入發(fā)展,促使人們?nèi)ヌ剿餍碌臐櫥瑺顟B(tài),如薄膜潤滑(thinfilmlubrication)狀態(tài),用它來描述邊界潤滑與彈流潤滑之間的過渡狀態(tài).上世紀(jì)90年代初,從理論和實驗兩方面都論證了薄膜潤滑狀態(tài)的存在,并在薄膜潤滑性能和機理研究方面取得了重要進展.2.2摩擦學(xué)行為的研究現(xiàn)代機械科學(xué)的發(fā)展趨于機電一體化、超精密化和微型化.許多高新技術(shù)裝置中的摩擦副間隙常處于納米量級.微型機械因受到尺寸效應(yīng)的影響,使零件表面的粘著力、摩擦力和膜粘滯力相對于體積而言顯得非常突出.因此,微觀摩擦磨損和納米薄膜潤滑成為關(guān)鍵問題.納米摩擦學(xué)研究不僅是現(xiàn)代科技發(fā)展的需要,也是本學(xué)科深入發(fā)展的趨勢.縱觀摩擦學(xué)的發(fā)展歷史,它作為技術(shù)基礎(chǔ)的學(xué)科,隨著機械工業(yè)的技術(shù)進步經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段和研究模式,17世紀(jì)Amontons建立固體摩擦經(jīng)典理論為代表的研究,屬于經(jīng)驗研究模式.18世紀(jì)末在工業(yè)革命的推動下,Reynolds根據(jù)流體力學(xué)奠定了流體潤滑理論基礎(chǔ),從此開創(chuàng)了摩擦學(xué),到20世紀(jì)30年代,隨著機器工況參數(shù)日益強化,人們開始應(yīng)用表面物理學(xué),金屬物理和工程熱力學(xué)等研究摩擦學(xué)行為.例如,Tmolinson研究摩擦學(xué)過程中原子間能量轉(zhuǎn)換;Bowdon和Tabor建立表面粘著理論等.因而促使摩擦學(xué)成為涉及機械,物理化學(xué),材料化學(xué)和熱物理等的邊緣學(xué)科,其研究模式由單一的學(xué)科研究進入多學(xué)科的綜合分析.1989年Winer在歐洲摩擦學(xué)國際會議的特邀報告中指出,研究微觀或原子水平的摩擦學(xué)在今后可能獲得重大突破,1992年Leeds-Lyon摩擦學(xué)國際研討會上,Dowoson在主題報告中總結(jié)近20年來摩擦學(xué)的重大發(fā)展并提示:人們已認(rèn)識到亞微米和納米厚度的潤滑膜和表面涂層的重要作用,現(xiàn)代摩擦學(xué)研究正在向表面和界面科學(xué)的方向發(fā)展.從20世紀(jì)80年代末期開始,美,日等發(fā)達(dá)國家提出微觀摩擦學(xué)研究,20世紀(jì)90年代發(fā)展為納米摩擦學(xué),并迅速成為機械學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域.納米摩擦學(xué)旨在原子分子尺度上研究摩擦界面磨損與機理.它的學(xué)科基礎(chǔ)之一是現(xiàn)代表面科學(xué),在研究方法、理論基礎(chǔ)、測試技術(shù)和應(yīng)用對象等方面與宏觀摩擦學(xué)不同.顯然,在納米摩擦學(xué)研究范圍內(nèi),材料的物理化學(xué)特性及其對環(huán)境變化的反應(yīng)都有很大變化,作為宏觀摩擦學(xué)主要依據(jù)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和材料的體相特征均不完全適用.納米摩擦學(xué)有著廣泛的研究前景,其中,薄膜潤滑的機理研究是近年來摩擦學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的研究方向之一.人們在對彈性流體理論研究過程中發(fā)現(xiàn),許多處于低速、重載、高溫和低粘度潤滑介質(zhì)的機械設(shè)備和超精密機械的摩擦副常處于較通常彈流潤滑膜厚度更薄的潤滑狀態(tài)(即薄膜潤滑狀態(tài),膜厚在幾個至幾十個納米之間)下工作.另外,隨著現(xiàn)代高新技術(shù)和超精密機械的發(fā)展以及新型材料和表面工程的應(yīng)用,處于納米間隙的摩擦磨損問題也較為突出.因此,有關(guān)納米摩擦學(xué)的研究無論是在理論上還是在工程應(yīng)用前景上都有重大的價值.2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作為在機械設(shè)計階段就可以有效地解決設(shè)備中摩擦、磨損和潤滑問題的現(xiàn)代設(shè)計方法之一,摩擦學(xué)設(shè)計以摩擦學(xué)理論為基礎(chǔ),從系統(tǒng)工程觀點出發(fā),通過理論、試驗以及經(jīng)驗類比分析,預(yù)測并排除可能發(fā)生的故障,是機械設(shè)備在使用中具有最好的工作性能和經(jīng)濟性.摩擦學(xué)設(shè)計和其它現(xiàn)代設(shè)計方法被認(rèn)為是機械零件設(shè)計經(jīng)歷了運動學(xué)設(shè)計和強度設(shè)計之后的第三階段的設(shè)計過程.早在1985年美國標(biāo)準(zhǔn)局組織了一個摩擦學(xué)設(shè)計的專題討論會,會議制定了開發(fā)計算機人工智能技術(shù)計劃,以便實現(xiàn)真正意義上的摩擦學(xué)設(shè)計,并在工程實際中得到推廣運用.1988年9月第十五屆里茲-里昂國際摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會議在英國召開,會上宣讀論文54篇,其中已有一些論文使用了人工智能的設(shè)計思想和方法,并把它用于摩擦學(xué)設(shè)計中,研究內(nèi)容涉及到航空、汽車、鐵路和電力等諸多行業(yè).在國內(nèi),1989年4月摩擦學(xué)學(xué)會和機械設(shè)計學(xué)會共同在南京召開了摩擦學(xué)設(shè)計研討會,會上正式提出了以摩擦學(xué)設(shè)計的名稱開展研究工作,并提出了研究的方法.會后,一些有志于AICAD的摩擦學(xué)工作者們從事著這一艱苦而有意義的研究工作.以中國工程院院士謝友柏教授領(lǐng)銜的西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研究所在該領(lǐng)域里亦開展了大量的頗有成效的研究工作.黃碧華、謝友柏等人針對柴油機的磨損問題進行了“柴油機磨損狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷專家系統(tǒng)知識庫建立的研究”.武漢汽車工業(yè)大學(xué)梁華、楊明忠等人在研究人工智能的基礎(chǔ)上提出了摩擦學(xué)系統(tǒng)磨損趨勢神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,并進一步研究了磨損趨勢神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的單步預(yù)測法和多步預(yù)測法.合肥工業(yè)大學(xué)的桂長林教授及他們的研究小組在AICAD摩擦學(xué)設(shè)計的研究方面已經(jīng)取得初步成效.已在1999年3月完成機械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項目:“發(fā)動機摩擦學(xué)設(shè)計理論和方法的研究”,他們運用人工智能CAD的方法,對發(fā)動機摩擦副進行了概括性的分析研究,并提出了一種集成化智能CAD的研究方法.武漢化工學(xué)院徐建生副教授在研究人工智能摩擦學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套絲桿螺母副摩擦學(xué)設(shè)計程序軟件,研究開發(fā)的軟件所設(shè)計的絲桿螺母副既能滿足強度設(shè)計要求,又能滿足摩擦磨損設(shè)計要求,為人工智能摩擦學(xué)設(shè)計和應(yīng)用起到了較好的示范作用.2.4復(fù)合材料的制備耐磨材料廣泛用于礦山、建材、冶金、電力及鐵路等行業(yè)的耐磨零件的制造,如破碎機的顎板、錘頭、球磨機襯板、磨球等.襯板是主要磨損件,磨球和磨段更是大宗消耗材料.磨損件很快失效,頻繁更換,不僅浪費大量的金屬材料,而且造成巨大的停工停產(chǎn)損失,已成為制約生產(chǎn)發(fā)展的一個障礙.高錳鋼在國內(nèi)外已經(jīng)成功地應(yīng)用了100多年的歷史了.由于它必須在充分的強烈沖擊條件下才能產(chǎn)生加工硬化而變得耐磨,而在許多工況條件下,高錳鋼并不是一種萬能和有效的耐磨材料,例如,目前公認(rèn)的是球磨機襯板、熟料破碎機錘頭等零件在采用高錳鋼時沖擊硬化程度很低,使用壽命較短.與傳統(tǒng)的金屬耐磨材料相比,陶瓷和非金屬耐磨材料有著比金屬材料更優(yōu)異的性能.但是,由于陶瓷材料的脆性,往往限制了在有沖擊條件下它的應(yīng)用范圍.最近,利用高硬度的脆性耐磨材料和韌性較好的基體相結(jié)合的復(fù)合耐磨材料在工業(yè)中得到成功的應(yīng)用.最普遍的是采用高鉻鑄鐵和高錳鋼或中、低合金鋼基體的復(fù)合(包鑄)件;也有采用硬質(zhì)合金和陶瓷材料鑲嵌的復(fù)合件(如錘頭和磨輥等).雙金屬復(fù)合材料是由具有優(yōu)良抗磨性的合金白口鑄鐵與具有一定強度和韌性的鋼組成,白口鐵作為抗磨組元能有效地抵抗磨料磨損,而鋼具有一定的強度和沖擊韌性來承受沖擊載荷.這種復(fù)合金屬材料可應(yīng)用于既受到嚴(yán)重磨料磨損,又受到較大的沖擊載荷的工況條件下,如顎式破碎機、錘式破碎機錘頭、大型球磨機襯板等.實踐表明,這種雙金屬復(fù)合材料的沖擊韌性是單一白口鐵的5-10倍,其使用壽命是傳統(tǒng)高錳鋼的幾倍或十幾倍,且使用過程中安全可靠.在冶金、礦山、采石場、水泥廠等廠礦應(yīng)用前景廣闊.武漢科技大學(xué)田文洲等人通過普通鑄造的方法,制備了一系列的自潤滑鋁基/MoS2復(fù)合材料.借助于能譜分析和顯微組織的觀察證實了MoS2與基體的結(jié)合性能較好,MoS2以H型和“卜”字型分布在基體中.在磨損試驗中,Al-Si合金+6%PbSn+低量MoS2有優(yōu)于其他同類復(fù)合材料的耐磨性.Al/MoS2復(fù)合材料是一種很有潛力的自潤滑耐磨材料.西北礦冶研究院吳國振等人對不同改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料在汽蝕破壞條件下的磨損狀況進行了研究.結(jié)果表明,聚氨脂改性環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物耐磨涂層材料相對其他改性環(huán)氧涂層,具有更好的抵御汽蝕與磨蝕的聯(lián)合破壞的能力.目前國內(nèi)外對耐磨材料的需求在不斷增長,為了不斷提高我國耐磨材料的品質(zhì),筆者認(rèn)為應(yīng)認(rèn)真做好如下幾點:(1)提高冶金質(zhì)量;(2)積極研究和推廣耐磨材料的加工工藝;(3)建立嚴(yán)格的材料檢驗制度;(4)正確的選擇和使用耐磨材料.相信經(jīng)過努力,耐磨材料與磨損技術(shù)一定會取得新的進展,我國耐磨材料行業(yè)一定會立足國內(nèi),躋