绿色摩擦学的科学与技术内涵及展望_张嗣伟

第31卷第4期摩擦学学报Vol31No4 2011年7月Tribology July，2011绿色摩擦学的科学与技术内涵及展望
张嗣伟*
（中国石油大学机械与贮运工程学院，北京100083）
摘要：在简述绿色摩擦学产生背景的基础上，系统地论述了绿色摩擦学的科学与技术内涵．着重阐明了绿色摩擦学的定义、目标和主要任务以及狭义和广义的绿色摩擦学所包含的领域；结合绿色摩擦学的最新进展，全面地介绍了绿色摩擦学的技术内涵（研究范围或领域）．最后，指出了绿色摩擦学今后的主要发展方向．
关键词：绿色摩擦学；科学与技术；内涵；展望
中图分类号：TH117．1文献标志码：A文章编号：1004－0595（2011）07－0417－07
Scientific and Technological Connotation and
the Prospects of Green Tribology
ZHANG Si－wei*
（College of Mechanical and Storage and
Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing100083，China）
Abstract：The background to the use of the expression“green tribology”is given．The definition，objectives and main mission of green tribology are presented．The fields of the green tribology in a narrow sense and in a broad sense are also clarified．Moreover，through introducing the recently advances in green tribology，its research contents are discussed comprehensively from four aspects：（1）Tribological theories，methods and technologies for saving both energy and materials，and prolonging the working life of tribological parts and tribo－systems；（2）Tribological theories，methods and technologies for removing or reducing the harmful effects to ecological balance（including human health）produced by both tribological parts and tribo－systems in the course of life cycle；（3）Research on the tribological aspects of natural environment and natural disaster，mainly focused on the role，mechanisms and effects of friction；（4）Tribological technologies for providing technological support to the equipment of both renewable and clean energy．The developing directions of green tribology are also pointed out．It is held that green tribology will certainly play an increasingly important role as the earth is facing with serious energy and environmental problems．
Key words：green tribology，science and technology，connotation，prospects
从20世纪以来，全球面临着日益加剧的资源、能源短缺和生态环境破坏的危机，国际摩擦学界的一些学者针对机械装备生产与运行中存在严重的能源消耗和环境污染问题，先后提出了节能摩擦学（Tribology for energy conservation，1997年）、生态摩擦学（Ecological tribology或Ecotribology，2000年）和环境友好摩擦学（Environmental friendly tribology，2000年）．特别是进入新世纪以来，随着资源、能源和环境状况的进一步恶化，摩擦学的作用更加突显出来，其研究目标也相应地发生了变化，即从传统的“控制摩擦，减小磨损，改善润滑”发展到“节能、节材、减排、减振、降噪和发展生物/生态润滑以及改善生命质量”．这标志着摩擦学已从原来的经典摩擦学（Classical tribology）发展到一个新阶段，即现代
Received8June2011，revised15June2011，accepted25June2011，available online28July2011．*Corresponding author．E－mail：swzhang99@sina．com，Tel：+86－10－82723713．
摩擦学（Modern tribology）．
正是在这种背景下，本文作者从保持自然界和人类社会可持续发展的高度，于2001年初在国内首次提出了“绿色摩擦学（Green Tribology）”这个术语和概念［1－2］，以突出摩擦学在节能和减少（或消除）对生态环境所造成的负面影响作用，建立新的摩擦学分支学科．2008年又在国际上提出这个术语，并作了进一步阐述［3］，受到国际摩擦学理事会主席Jost的极大关注．2009年在Jost先生的倡议下，以“绿色摩擦学”为主题的中国摩擦学学会代表团访英活动得以成行．这次访问在英国同行以及有关政府官员和一些著名企业家中引起了强烈反响［4］．在同年9月召开的第4届世界摩擦学大会上，Jost发表了题为《绿色摩擦学－一个满足经济与环境需求的领域》的开幕辞［5］．在这篇讲话中，他不仅充分肯定了中国同行在这方面的贡献，而且向国际摩擦学界郑重宣布：2009年6月8日（即中国摩擦学学会代表团访英作主旨报告的日期－作者注）“这一天可以认为是绿色摩擦学作为一个国际性概念的公认的诞生日”［5］．
从那以后，在短短的一年多的时间里，英、美、法、日、加拿大和以色列等国的学者陆续发表了不少有关绿色摩擦学的论文和报告［6－10］．2010年10月，英国皇家学会自然科学会刊还出版了200多页的“绿色摩擦学”专集（A辑）［7］，而且美国Spinger出版公司今年将出版一本由美国学者编辑的“绿色摩擦学”专著［9］．然而，虽然本文作者近几年来曾先后在国内有关会议、杂志或讲学中多次对绿色摩擦学作过介绍［11－13］，但并未引起应有的关注；同时，为了避免国外某些学者对绿色摩擦学不准确的认识引起误导，本文将着重对绿色摩擦学的科学与技术内涵作出全面、系统的论述．
1绿色摩擦学的科学与技术内涵
1．1绿色摩擦学的定义、目标与任务
绿色摩擦学是研究涉及生态平衡以及环境与生物影响的各种摩擦学问题的一门科学与技术［4－5，13－14］．它和生物摩擦学、纳米摩擦学一样，也是摩擦学的分支学科，尽管它们都包含在摩擦学的一般概念之内，但却具有各自鲜明的学科特征．与其他摩擦学分支学科相比，绿色摩擦学是一门涉及范围更广的交叉学科，它涉及到能源科学、环境科学、材料科学、生态学、仿生学、生命科学、地球科学和绿色化学（环境无害化学）［13－14］．
狭义的绿色摩擦学主要包括节能摩擦学和环境友好摩擦学．而广义的绿色摩擦学还应包括生命摩擦学（人体生物摩擦学）、仿生摩擦学和可再生能源摩擦学以及地质摩擦学的部分内容［13－14］．因此，文献［8－9］将绿色摩擦学只等同于环境友好摩擦学是不正确的，因为它完全排除了“节能”这一项绿色摩擦学中极其主要的内容．
绿色摩擦学是以资源、环境与经济全面协调的可持续发展的理念作指导，以节能、节材、保护生态环境和提高生命质量为目标［4－5，13－14］．其主要任务是研究和开发实现此目标的各种绿色摩擦学理论、方法与技术，使摩擦学部件和摩擦学系统在其整个生命周期中成为具有可持续发展性/能力的人工生态系统［13－14］．因此，可以把绿色摩擦学的主要目标和任务概括为“三低一高”（3L+H），即低能耗、低排放（低碳）、低环境成本和高生命质量［13－14］．绿色摩擦学是摩擦学今后的主要发展方向之一．
由上可见，绿色摩擦学是一门主要关注资源、能源消耗和环境影响的摩擦学分支学科，也是一门独立的、有明确学科特征的科学与技术，其学科特征就是研究维持自然界和人类社会可持续发展的摩擦学科学与技术及其应用．它主要的研究范围是研究有关节能、减排（低碳）以实现人类社会可持续发展的摩擦学理论、方法与技术．因此，也可以把绿色摩擦学定义为：研究维持自然界和人类社会可持续发展的摩擦学理论、方法与技术及其应用的一门科学与技术．因而也可称之为可持续发展摩擦学（Tribology for sustainability）．
显然，文献［8－9］把绿色摩擦学简单地看成是一把可以包罗多种摩擦学问题的“大伞”，并把它看成是其他绿色学科（绿色化学、绿色工程等）的“更宽的范围”的观点是不妥的，因为它否定了绿色摩擦学是一门独立的、有明确学科特征的摩擦学分支学科．
1．2技术内涵（研究的范围/领域）
绿色摩擦学的技术内涵（研究范围/领域）包括四个方面：①节能、节材以及延长摩擦学部件和摩擦学系统的寿命，而自身也具有可持续发展性的摩擦学理论、方法与技术；②消除或减少摩擦学部件和摩擦学系统在整个生命周期中对生态环境（包括人类健康）产生有害影响而自身也具有可持续发展性的摩擦学理论、方法与技术（包括减排、零排放、无害排放、降噪、减振等方面）；③研究自然生态系统（生物、大气、土壤、水体等之间以及它们与环境
814摩擦学学报第31卷
之间所组成的系统）和自然灾害（包括地震、海啸、滑坡、泥石流、台风、龙卷风及火山爆发等）中的摩擦学问题，主要是研究摩擦在其中的作用机制和影响；④为可再生能源和清洁能源发电装备提供技术支撑的摩擦学技术．1．2．1节能、节材及延寿技术
关于节能、节材以及延长摩擦学部件和摩擦学系统的寿命，而自身也具有可持续发展性的摩擦学理论、方法与技术，目前已开展的研究工作主要包括以下三个方面：
第一，改善发动机燃油经济性的节能、减摩技术．在各行业中，交通运输业的摩擦损失最大，据估
计，其动力系统的摩擦损失约占35% 60%
［15］
．因此，改善发动机燃油经济性是节能的一项主要内容，
而减摩则是改善发动机燃油经济性的最重要的技术
措施．Hayasi 和Fawa ［16］
提出了以下七项措施（图1）：采用低黏度油；采用低负荷设计；采用光滑表面；选用添加摩擦改进剂的低摩擦油品；采用低摩擦材料；选用附着性低的油品；采用低阻力设计
．
Fig．1Tribological approach for friction reduction ［16］
图1
减摩的摩擦学措施
［16］
为了改善发动机燃油经济性，可采用新一代的
油溶性聚亚烷基二醇（PAGs ）节能润滑剂［17］
或钼基
摩擦改进剂（MoDTC ）
［18］
．DLC －Si 涂层在柴油润滑下具有极好的减摩性能，较之使用机油润滑的减摩
效果更好［19］
．
采用摩擦学设计的方法降低汽车轴承的摩擦也可以改善发动机燃油经济性，并可减少CO 2的排放．Matisuyama 等
［20］
开发了1种用在客车后轴分速
器中的超低摩擦力矩的滚锥轴承（TRB ），
其摩擦力矩比一般低摩擦力矩的滚锥轴承减少75%，这种轴承具有3个特征：优化的内部几何形状，润滑油流的合理控制和结构紧凑（图2）
．
Fig．2Features of developed tapered roller
bearing （TRB ）［20］
图2
新开发的滚锥轴承（TRB ）的特征
［20］
第二，减阻技术．近年来，陈大融等发展了界面效应减阻理论，并在此基础上开发出微凸体减阻技术，
已成功地在我国赛艇上应用，使我国女子单人双桨运动员张秀云在2008年奥运会上取得优异成绩．赛艇船体上实际应用的微凸体表面如图3所示
．
Fig．3Asperous surface 图3
微凸体表面
第三，抗磨技术．李健和袁成清研制的超高分子
量聚乙烯（UHMWPE ）耐磨衬板已成功应用在落差280m 的泄洪道混凝土结构上，使用效果良好．这是1种综合仿生表面技术，即仿照具有非常高的耐泥沙冲蚀的撒哈拉沙漠中的沙鱼（Sandfish ）的表皮结构的涂层技术和仿昆虫翅片互锁作用的涂层固定技术，从而形成了具有强附着、抗冲蚀性能的表面结构（图4）．经过3个汛期后，表面磨损轻微，如图5所示．这是应用具有可持续发展性的摩擦学技术延长摩擦学系统寿命的1个范例．
9
14第4期张嗣伟：绿色摩擦学的科学与技术内涵及展望
1．2．2消除或减少摩擦学效应对生态环境产生有害影响的技术
在消除或减少摩擦学部件和摩擦学系统在整个生命周期中对生态环境（包括人类健康）产生有害影响而自身也具有可持续发展性的摩擦学理论、方法与技术（包括减排、零排放、无害排放、降噪、减振等）方面，目前所开展的研究主要是生态（低碳）润滑技术、仿生摩擦学材料与技术和降噪技术三个方面．
关于生态（低碳）润滑技术，Numazaki等［21］从天然的“氨基酸”获取的无硫、磷的添加剂KWF－12122比一般的GMO（Glycerol monooleate）摩擦改进剂具有更优的减摩性能；兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室近年来开发出的具有环境友好和减振、降噪特性的抗海水隐蔽舰艇润滑脂是生态润滑技术的1个典型例子；目前，基于各种植物油的生物基金属切削液已进行了广泛地研究和开发，从金属切削液的使用要求看，植物油作为润滑剂的优缺点如表1所示［22］．广州机械科学研究院研制的环境友好无氯极压微乳切削液具有良好的使用性能和应用前景［23］．
表1植物油作为润滑剂的优缺点
Table1Advantages and
disadvantages of vegetable oils as lubricants
Advantages Disadvantages
High biodegradability Low thermal stability Low pollution of the environment Low oxidative
Compatibility with additives High freezing points Low production cost Poor corrosion protection Wide production possibilities
Low toxicity
High flash points
Low volatility
High viscosity indices
自然界的生物具有天然的生态环境适应性．模拟生物体表形态、结构和组成等对生物功能特性起支配作用的有关特征，开发环境友好的仿生摩擦学材料与技术是绿色摩擦学的重要组成部分之一．仿生摩擦学材料与技术方面已开展的典型的研究工作包括：美国在研究海豚、鲨鱼和鲸鱼等大型动物体表形态特征的基础上，开发出减阻的仿生贴膜材料，应用在空客320客机的机翼和机身上，大大减少了燃油消耗；吉林大学工程仿生教育部重点实验室基于沙漠蜥蜴和山地穿山甲等动物体表柔性与刚性耦合高效耐磨减阻的原理开发出仿生金刚石钻头（图6），应用于地质勘探与石油钻井中，与常规的牙轮钻头相比，其寿命显著延长，并提高了机械钻速．关于降噪技术的研究，目前在我国主要针对高速列车．高速铁路作为一种快速、运载量大、低碳环保的运输方式被认为是可持续发展的交通运输的发展方向，已成为世界铁路发展的主要趋势之一．我国投入运营的高速铁路已超过7500km，居世界第一位，未来三年还将修建9200km．因而列车运行的噪声也越来越受到关注．
近年来，肖新标和金学松研究了高速列车的噪声及其控制措施，主要包括车外和车内噪声的识别与控制（图7）．对运行速度为394km/h的高速列车车外噪声识别的研究结果表明：高速列车噪声主要是受电弓、车头和车身表面的空气湍流连续波动产生的空气动力噪声和高速轮轨噪声（图8）．运行速度为350km/h的高速列车产生的车内噪声主要是气动噪声、结构噪声、轮轨噪声和辅助系统噪声（图9）．
024摩擦学学报第31卷
Fig．8High－speed train exterior noise 图8高速列车的车外噪声1．2．3自然生态系统和自然灾害中的摩擦学问题研究自然生态系统（生物、大气、土壤、水体等之间以及它们与环境之间所组成的系统）和自然灾害（包括地震、海啸、滑坡、泥石流、台风、龙卷风及火山爆发等）中的摩擦学问题，主要是研究摩擦在其中的作用机制和影响．
咸水河断层是位于西藏高原的一个高度活动的走向滑动断层，为了认识其以往地震活动的特征，特别是深入了解其地震潜能，采用与速率和状态相关的摩擦定律，制订出了对咸水河断层地震活动的数值模拟方法［24］．发现在每一段模拟地震的重复间隔的累积分布函数大致遵循布朗时间推移分布或对数正态分布．
124
第4期张嗣伟：绿色摩擦学的科学与技术内涵及展望
近年来，De Lorenzo 等［25］采用与速率、状态和
温度相关的摩擦定律，开发了一种研究摩擦热和热对流对前地震滑动的影响的数值方法
．
Fig．9High －speed train interior noise
图9
高速列车的车内噪声
Han 等［26］研究了热分解导致的碳酸岩断层的超低摩擦．他们认为由于摩擦热产生的方解石的热解，引发了稳态摩擦系数很低（0．06）的明显的断层削弱，热解可能是断层动态削弱的1个重要过程．
台湾科学家与美、法科学家合作，通过反演研究了1999年台中大地震的震源机制，
发现了一个新现象，即地壳中的地壳应力和摩擦的空间不均匀性［27］
．1．2．4为可再生能源和清洁能源发电装备提供技
术支撑的摩擦学技术
传统的化石能源发电装备大量消耗有限的地球资源，并且对环境产生污染．因此，随着全球能源需求的增长和气候变暖的加剧，世界各国都在积极寻找和发展各种可持续发展的可再生能源和清洁能源
发电装备．目前，
最有发展前景的是原子能发电装备（核电）、风力发电装备（风电）以及太阳能和海洋能
（包括陆风、潮汐和波浪）发电装备．水电在清洁能源结构中也占有十分重要的地位．
压水堆核电站二回路系统的汽轮机和核电站主
冷却剂泵，
以及水平轴变速变桨风力发电机中均存在一些特殊的摩擦学问题，需要摩擦学学者提供技
术支持．
Wood 等［28］提出了陆风和潮汐涡轮机以及海浪机械等3种不同的海洋能源转换装置的摩擦学设计约束条件，并指出这3种设备的操作、维护成本取决于有效的摩擦学元件和润滑．
2展望
面对全球资源、能源和环境危机以及气候变化
中涉及到的许多亟待解决的摩擦学问题，绿色摩擦
学将在以下几方面进一步发展．
第一，推广和应用已有的绿色摩擦学知识、方法与技术，并在此基础上逐步实现绿色摩擦学技术的产业化．
第二，研究并开发新颖的绿色摩擦学技术．这包括发展低碳润滑（绿色润滑）技术、开发优异的减摩耐磨涂层以及开发新一代的摩擦学仿生材料和生态材料．低碳润滑（绿色润滑）技术就是节能、降耗、减排的润滑技术，包括开发具有先进添加剂的低黏度、长寿命的润滑油以及新一代的生物/生态润滑剂；开发优异的减摩、耐磨涂层方面，Erdemir 等［29－30］
已做
了许多有价值的工作，包括为改善先进的运输系统
的燃油经济性和提高寿命的超硬、低摩擦（摩擦系数小于0．05）纳米复合材料涂层和可供各种运输装置和航空、航天应用的超低摩擦涂层（在惰性环境
中，
摩擦系数为0．001）；中科院兰州化学物理研究所与中国一汽等单位合作，开展了固体润滑涂层薄
膜在汽车运动部件中的应用研究工作，取得了良好的效果．
第三，研究并开发支持可再生能源多样化和能
源复合或杂化的摩擦学技术．
第四，建立绿色摩擦学的理论与方法体系，以充分发挥其在解决对人类关系重大的全球性问题（包括能源、粮食和水资源短缺以及气候变化和生态环境恶化等问题）中的独特作用．这包括建立对摩擦学部件、摩擦学系统和摩擦学技术进行可持续性分析并评价其可持续性程度或绿色程度（包括节能价值和生态价值等）的理论与方法，以及研究绿色摩擦学技术之间的集成与整合和绿色摩擦学各领域之间的耦合与协同效应的理论与方法．
3结束语
绿色摩擦学的出现标志着摩擦学已从经典摩擦
学发展到一个新的阶段，即现代摩擦学．它对发展低碳经济和应对全球能源危机和气候变化以及推动社会可持续发展具有独特的作用．正如Jost 所指出：绿色摩擦学确实是所有摩擦学家及其所在单位值得从事的一项事业，因为它将使摩擦学起到它应有的作用，即不仅有利于科学与技术，而更重要的是有利于
全人类［10］
．
因此，我们要大力推动绿色摩擦学的发展和应用，为促进我国绿色经济的发展，并对整个人类社会的生存与发展做出应有的贡献．
224摩擦学学报第31卷
4致谢
真诚地感谢国际摩擦学理事会主席Jost教授对本文作者在提出和建立绿色摩擦学的过程中所给予的支持和鼓励以及有益的讨论和建议，并提供他最新的论文和尚未正式发表的报告．作者也衷心地感谢吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士、清华大学摩擦学国家重点实验室陈大融教授、武汉材料保护研究所李健研究员和武汉理工大学袁成清教授、西南交通大学牵引动力国家重点实验室肖新标和金学松教授等毫无保留地为本文提供他们的新成果和宝贵的资料．
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