表面工程摩擦学研究进展
机械表面界面科学与摩擦学报告
机械表面界面科学与摩擦学报告摘要：机械表面界面科学与摩擦学是机械工程学科中的重要研究方向之一。
本报告主要介绍了机械表面界面的基本概念、界面力学行为、摩擦现象及其机理等方面的研究进展。
特别是针对纳米级机械表面的研究，本报告提出了一些新的思路和方法。
同时，本报告还介绍了机械表面界面科学在工程应用中的重要性和前景。
关键词：机械表面；界面力学；摩擦学；纳米级表面；工程应用一、引言机械表面界面科学与摩擦学是机械工程学科中的重要研究方向之一。
机械表面界面是指机械零件表面的微观结构与相邻物体接触时的相互作用。
机械表面界面的特性直接影响着摩擦、磨损、润滑、密封等机械行为的表现，因此对机械表面界面的研究具有重要的意义。
本报告主要介绍了机械表面界面的基本概念、界面力学行为、摩擦现象及其机理等方面的研究进展。
特别是针对纳米级机械表面的研究，本报告提出了一些新的思路和方法。
同时，本报告还介绍了机械表面界面科学在工程应用中的重要性和前景。
二、机械表面界面的基本概念机械表面界面的基本概念包括表面形貌、表面化学成分、表面能、表面电荷等。
表面形貌是表面微观结构的几何形态，它对机械表面界面的力学性质和物理化学性质有重要影响。
表面化学成分是指表面的化学成分构成，它决定了表面的化学反应性和表面附着能力。
表面能是表面物质与外界物质接触时交换能量的能力，它直接影响着表面的润滑性、摩擦性和磨损性。
表面电荷是表面和环境之间存在电荷分布和电子云交换的现象，它对表面的摩擦和润滑行为有重要影响。
三、机械表面界面的力学行为机械表面界面的力学行为主要包括界面接触行为、表面形貌对接触力的影响、表面润滑行为等。
界面接触行为包括弹性接触、塑性接触和弹塑性接触等，它们的力学特性直接决定了表面间的摩擦、磨损和附着等行为。
表面形貌对接触力的影响主要来源于表面的粗糙度、波纹度和形貌因素，它们直接影响着表面间的接触面积和接触态势。
表面润滑行为包括干摩擦、润滑摩擦和黏性摩擦等，它们的润滑性能直接决定了表面间的摩擦和磨损。
机械设计中的摩擦学研究
机械设计中的摩擦学研究摩擦学是机械设计中一个关键的研究领域，它涉及到摩擦、磨损以及润滑等方面的知识。
在机械工程中，摩擦力是一个不可忽视的因素，它对机械系统的性能、寿命以及效率有着重要的影响。
因此，深入研究摩擦学对于机械设计以及制造工业来说至关重要。
摩擦力是由于物体之间的接触而产生的一种阻碍相对运动的力。
它会导致能量的损失和磨损的加剧，而这些都会对机械系统的性能产生不利影响。
因此，在机械设计中，减小摩擦力是一个被广泛关注的问题。
为了解决这个问题，人们进行了大量的研究，并提出了多种解决方案。
首先，润滑是减小摩擦力的一种重要手段。
通过在物体表面施加一层润滑剂，可以形成滑动界面，减小接触面积，从而减小摩擦力。
润滑剂可以分为干润滑和油润滑两种类型。
干润滑就是在干燥环境中使用润滑剂，而油润滑则需要在有液态介质存在的情况下进行。
适当选择和使用润滑剂，可以显著降低机械系统的摩擦力。
另外一个关键问题是磨损。
摩擦力会导致物体表面的磨损，进一步影响机械系统的正常运行。
因此，研究磨损特性以及磨损机制对于机械设计来说具有重要意义。
了解磨损的性质，可以针对不同的应用场景设计合适的材料和润滑方案，从而最大程度地延长机械系统的使用寿命。
摩擦学研究的一个重要领域是表面工程。
通过对物体表面进行微观处理，可以改变其表面性质，从而实现减小摩擦的目的。
表面工程包括表面涂层、表面纹理和表面修饰等技术。
这些技术可以增加表面的硬度、降低表面粗糙度、改变摩擦系数等，进而减小摩擦力。
表面工程的研究结果已经在许多领域得到了应用，比如汽车制造、航空航天等。
除了表面工程外，材料的选择也对机械系统的摩擦性能有着重要影响。
不同的材料具有不同的摩擦系数和磨损特性。
在机械设计中，需要根据具体的应用场景来选择合适的材料。
例如，对于高速运动的机械系统，需要选择具有良好耐磨性和高温稳定性的材料，以保证系统的性能和寿命。
除了以上所述的几个方面，摩擦学研究还涉及到很多其他的问题。
摩擦学的现状与前沿
摩擦学的现状与前沿——机自09-8班姚安 03091131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。
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。
（4）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究领域，这是摩擦学发展的显著特点。
主要的交叉学科如下:摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学及微机械学等。
当今，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。
1.2 材料磨损与表面处理技术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。
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。
摩擦学的进展和未来
摩擦学的进展和未来一、本文概述摩擦学，作为一门研究物体间接触表面相互作用及其产生的摩擦、磨损和润滑现象的学科，自其诞生以来就在工业、交通、能源、生物医学等众多领域发挥了至关重要的作用。
随着科技的不断进步，摩擦学的研究也日益深入，新的理论、技术和应用不断涌现。
本文旨在全面概述摩擦学领域的最新进展，并展望其未来发展方向。
我们将回顾摩擦学的发展历程，从最初的经典摩擦理论到现代的纳米摩擦学、生物摩擦学等新兴分支。
接着，我们将重点介绍摩擦学在材料科学、机械工程、航空航天、生物医学等领域的最新应用，如高性能涂层材料、纳米摩擦调控技术、智能润滑系统等。
我们还将讨论摩擦学在能源转换与存储、环境保护、可持续发展等全球性问题中的重要作用。
在展望未来部分，我们将分析摩擦学领域的发展趋势和挑战，如跨学科融合、技术创新与产业升级等。
我们还将探讨摩擦学在智能制造、新能源、生物医疗等领域的发展前景，以及其在推动社会进步和可持续发展中的潜力。
本文旨在全面梳理摩擦学的进展和未来，以期为该领域的研究者、工程师和决策者提供有益的参考和启示。
二、摩擦学的基础理论摩擦学，作为一门研究物体表面间相互作用和摩擦现象的科学，其基础理论涉及多个学科领域，包括物理学、化学、材料科学和力学等。
这些基础理论为摩擦学的发展提供了坚实的支撑，同时也为未来的探索提供了新的思路。
接触力学理论：接触力学是摩擦学的基础，主要研究物体表面的接触行为和接触应力分布。
该理论通过研究接触表面的形貌、材料属性和载荷等因素，揭示了接触界面上的应力分布规律，为摩擦学的研究提供了重要的理论基础。
弹塑性理论：弹塑性理论主要研究物体在受力作用下的变形行为，包括弹性变形和塑性变形。
该理论为摩擦学提供了关于材料表面在摩擦过程中变形和损伤机制的重要认识，有助于深入理解摩擦现象的本质。
摩擦热学：摩擦过程中，由于摩擦力的作用，物体表面会产生大量的热量。
摩擦热学主要研究摩擦过程中的热量产生、传递和消散等问题。
表面织构化改善摩擦学性能研究综述
年首次提出， 其利用光刻蚀 的办法获得表面织构 ， 通 过 电流 的测 量 判 断 有 效 润 滑 膜 的存 在 ． 其后 ， Ｅ ｔ ｓ ｉ ｏ ｎ 等Ｌ ２ 通 过激 光 对 摩擦 副进 行 织 构 化 处理 ， 考 察 其 润
滑性 能 的变 化 ， 研 究 发现 ， 带微 孔阵 列 的表 面 比光 滑 表 面具 有更好 的润 滑性 能 ， 表 面 的部 分 织 构 化 能 够 十分有 效 地 增 加 流体 动 压 效 应 ． Ｔ ０ ｎ ｄ ｅ ” ｊ 将 表 面 织
密封等） 中得到成功应用 ． １ ９ ６ ６ 年， Ｈ ａ ｍ ｉ ｌ ｔ ｏ ｎ 等ｕ 最先通过蚀刻技术在机械
密封 件上制造 出一系列微 观 凸起 ， 并 通过理论 分 析和
构引发的流体动压效应归 因于 ２个方 面： 一是表面 织构区会产生类似 Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ 轴 承的阶梯效应 ， 二是
中图分类号 ： ３ ｔ ｔ ｌ １ ７ 文献标志码 ： Ａ
０ 前
言
多 年来 ， 表 面织构 化 作为 一种 改 善机械 零 件 、 微 ／ 纳 零件摩 擦 学性 能 的有 效手 段 已得 到 广 泛共 识 ． 目 前， 这 种 技术 已在 计算 机 磁 盘 存储 器 、 Ｍ Ｅ Ｎ Ｓ系统 及 机械 行业 （ 内燃 机 活 塞 与气 缸 套 系 统 、 齿轮 、 轴 承 和
实验验证 ， 获得 了最优 的表面织构尺寸， 其研究结果 表明， 这 些微 观 凸起 可 以起 到微 流体 动 压 轴 承 的作
用， 明显增强 了摩擦 副 的承载 能力 ， 降 低摩擦 系数 ． 之 后， 研究人 员又 推 出 了许 多新 的表 面织 构 技术 ， 并 运
用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能 ． 比如， Ｅ ｔ ． ｓ ｉ ｏ ｎ等 ｕ ２ 利用 激 光加 工 技 术 在 机 械 密封 件 接 触 面 上
摩擦学及其它表面力学问题研究
摩擦学及其它表面力学问题研究摩擦学是研究物体间接触情况下相互作用的科学，它涉及到摩擦、磨损、表面粘附、润滑、界面反应等多个方面。
表面力学问题则关注于物质表面的性质、形貌和结构等方面，包括表面微观、纳米尺度下的特点和表面现象对物质性质和功能的影响等。
本文将分别从这两方面介绍摩擦学和表面力学领域的研究情况。
一、摩擦学研究概况1. 摩擦学基本概念摩擦学是研究由于物体直接或间接接触时相互作用引起的摩擦现象的科学，它主要关注于物体表面之间的相互作用和表面力。
聚焦于各种处理表面的技术和材料，摩擦学是一门跨学科的学科，涉及到材料科学、机械工程、化学、物理学和生物学等多个领域。
2. 摩擦学的应用摩擦学研究在日常生活中有很多实际应用。
在机械工业中，摩擦学研究是用来控制和减少磨损和摩擦的。
在纳米技术中，摩擦学研究与表面振动、摩擦、润滑和磨损有关。
在生物医学中，摩擦学研究与血液的流动、关节的膜和骨骼系统有关。
此外，摩擦学还广泛应用于航空航天、化工、电子、能源等众多领域中。
3. 摩擦学研究的关键问题摩擦学研究的关键问题包括摩擦现象的基本机制、摩擦材料的性能、摩擦材料的表面形貌和结构、摩擦界面的化学反应以及摩擦材料的磨损机制等。
4. 摩擦学研究的实验方法摩擦学的实验方法包括摩擦试验、磨损试验、润滑试验、摩擦学传感器、真空摩擦试验机、表面形貌仪等。
这些方法可用于研究摩擦学的各个方面并开发出更好的润滑材料。
二、表面力学问题研究概况1. 表面力学的基本概念表面力学是研究物质表面的性质、形貌和结构等方面的一门学科，涉及表面微观和纳米尺度下的特点以及表面现象对物质性质和功能的影响等。
表面力学是基础科学，广泛应用在材料、化学、环境、生物医学等领域。
2. 表面力学的应用表面力学在许多领域都有着广泛的应用。
从材料学的角度来看，表面力学可用于研究纳米材料、表面调制、生物材料的表面、光学薄膜等问题。
在生物医学中，表面力学可用于研究生物薄膜、生物胶体系统和生物质地表面现象等。
摩擦学与表面技术研究
摩擦学与表面技术研究第一章概论摩擦学与表面技术是机械设计与制造中非常重要的一个领域。
摩擦学研究了物体间的摩擦、磨损及润滑等现象，而表面技术则探讨了如何通过表面工艺的改变来提高材料的性能。
在机械制造中，这两个方面的研究对于提高机件效率、延长机器寿命、节约能源等方面有着至关重要的作用。
在本文中，我们将分别介绍摩擦学和表面技术的相关知识。
第二章摩擦学摩擦学是研究两个物体接触后互相阻碍相对运动，并伴随着能量的损失的现象及其机制。
摩擦学主要包括三个方面：实验摩擦学、理论摩擦学和应用摩擦学。
实验摩擦学是通过实验手段来研究摩擦学现象的一门学科。
实验摩擦学经常需要进行的试验包括摩擦系数测定、磨损实验、润滑实验等。
在试验摩擦学中，科学家们研究了很多现象，如摩擦系数的变化规律、表面形貌的影响、润滑膜的形成及断裂等。
这些实验研究为发展理论摩擦学打下了坚实的基础。
理论摩擦学是指通过数学和物理方法来研究摩擦学现象的一门学科。
理论摩擦学可以分为微观和宏观两个方面。
微观理论摩擦学主要研究物体表面的原子层级接触和摩擦机理，包括材料的力学性质、表面电荷的分布、几何形态等。
而宏观理论摩擦学则侧重于宏观力学现象的研究，如不同材料之间的摩擦现象、低温下的摩擦等。
应用摩擦学是通过理论和实验研究来解决实际工程问题的应用研究。
应用摩擦学涉及的范围很广，如机械制造、摩擦密封、磨料磨损、润滑和摩擦材料等。
应用摩擦学在实际中有着广泛的应用，提高了机械制造的效率和质量。
第三章表面技术表面技术是指通过表面工艺对材料表面进行改进的一门学科。
表面技术的目的是改善材料表面功能，提高其机械性能和化学性能，从而满足不同的工程需求。
表面技术包括表面涂层、表面改性和表面管理。
表面涂层是指在材料表面形成一层功能涂层，以提高材料的性能。
表面涂层可以是金属涂层、陶瓷涂层或者有机涂层等。
例如，通过表面涂层可以增加零件的抗磨损性、耐腐蚀性和防护性等。
表面改性是指通过物理或化学方法改变材料表面的物理结构和化学成分，以提高材料的性能。
摩擦学与表面工程技术研究
摩擦学与表面工程技术研究随着人类现代科技的不断发展，摩擦学和表面工程技术也在不断得到重视和发展。
摩擦学是研究物体在接触状态下相对运动行为的科学，而表面工程技术是对材料表面和界面进行改良和优化的技术。
这两个领域的研究对于现代工业的发展至关重要。
摩擦学的研究可以追溯到几百年前，当时人们在自行车和轮船等交通工具上对摩擦学进行了深入的探索。
但是，随着工业的发展和技术的不断革新，摩擦学的研究和应用领域也得到了不断的扩展。
目前，摩擦学的应用已经涵盖了很多方面，包括重要的机械工业、航空航天工业、电子工业、医疗保健和生命科学等领域。
特别是在机械工业中，摩擦学的应用非常广泛，例如，发动机、汽车零件、轮轴、轴承等部件都需要进行摩擦学的研究和设计。
另外，表面工程技术的研究也是当今工业发展中必不可少的组成部分。
表面工程技术，一般包括表面改性、表面涂覆、表面加工和表面结构设计等方面。
表面改性是指通过物理、化学或机械的手段，改变材料表面的结构、化学成分、物理状态和机械性能等方面的技术。
表面涂覆技术则是将具有某种性能的涂料或材料涂在其它基材表面上的技术，常用于防腐、防磨、耐高温和防粘附等方面。
表面加工技术主要涉及到材料表面的高效纳米加工和表面改性，可以大大提高材料表面的硬度、强度、密度和耐蚀性。
表面结构设计技术则是通过调整材料表面的形状、大小、分布和排列等方面的结构，来达到预期的性能目标。
摩擦学和表面工程技术的研究也有相互交叉和依存的关系。
比如，在机械工业中，材料表面的涂覆和改性可以显著提高零部件的摩擦磨损性能，并能够减少摩擦噪声。
同时，表面加工也可以提高材料表面的亲疏水性和润滑性，从而进一步提高零部件的性能。
因此，摩擦学和表面工程技术的研究对于生产和工程领域均有着重要意义。
在摩擦学和表面工程技术研究领域中，我国也取得了一系列的研究成果。
例如，在机械工业和航空航天工业中对于气、液、固三相界面复杂作用的研究，以及对于含异物的氧化铜表面摩擦性能的研究等都达到了世界领先水平。
机械结构的摩擦学与表面工程技术
机械结构的摩擦学与表面工程技术摩擦学是研究物体之间相对运动时的力学现象和规律的学科，而机械结构中的摩擦学则是将其应用在机械系统中，以提高运动性能与寿命。
而表面工程技术则是为了改善材料表面的性能而进行的一系列工艺技术和处理方法。
机械结构的摩擦学与表面工程技术在现代工程领域起着不可忽视的作用。
一、摩擦学的基本原理与应用1.1 摩擦力与摩擦系数摩擦力是物体在相对运动时所受到的阻碍力，摩擦系数则是描述物体之间摩擦力大小的参量。
摩擦力对机械系统的性能和寿命有着直接影响，因此减小摩擦力是提高机械系统效率的关键。
为了有效地减小摩擦力，我们需要了解不同材料之间的摩擦系数，并通过表面工程技术对材料进行改良。
1.2 润滑与磨损润滑是减小摩擦力的常用方法，通过在物体之间形成润滑膜，可以减少摩擦力和磨损。
在机械结构中，常用的润滑方式包括干摩擦、润滑油膜、固体润滑材料等。
此外，针对高温和高速运动的机械系统，还可以采用液体金属润滑等先进的润滑方式。
1.3 动摩擦学与静摩擦学动摩擦学和静摩擦学是摩擦学中的两个重要分支。
动摩擦学研究物体在相对运动时的摩擦现象和规律，而静摩擦学研究物体在静止时的摩擦现象和规律。
了解动摩擦学和静摩擦学的原理与特点，对于优化机械结构和提高机械性能非常重要。
二、表面工程技术的应用与发展2.1 表面硬化技术表面硬化技术是通过改变材料表面的组织结构和化学成分，使其表面具有较高的硬度和抗磨损性能。
常用的表面硬化技术包括淬火、渗碳、涂层等。
表面硬化技术不仅可以提高材料的机械性能，还可以延长材料的寿命。
2.2 表面涂层技术表面涂层技术是一种通过将特定材料涂覆在基材表面，以改善材料性能的方法。
常见的表面涂层技术包括电镀、喷涂、镀层等。
通过表面涂层技术，可以增强材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能，从而提高机械结构的寿命和性能。
2.3 表面处理技术表面处理技术是通过改变材料表面的形貌和结构，以提高其摩擦学性能的方法。
我国摩擦学研究的现状与发展
第４０卷第１１期机械工程学报ｖ０１４０Ｎｏ．１１２００４年１１月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＮｏｖ２０Ｏ４我国摩擦学研究的现状与发展＋温诗铸（清华大学摩擦学国家重点实验室北京１０００８４）摘要：总结了自中国机械工程学会摩擦学分会成立２５年来我国摩擦学研究的发展，论述了在流体润滑理论与设计、微观摩擦学、材料磨损机理与控制、表面工程与耐磨材料、润滑材料以及磨损状态监测等方面的主要成就。
在此基础上提出了今后值得关注的研究方向，如减摩抗磨技术、制造过程摩擦学、生态摩擦学、仿生技术与生物摩擦学等。
关键词：摩擦学研究进展展望中图分类号：ＴＨｌｌ７１０前言２０世纪６０年代中期，英国教育科学研究部在对工业部门广泛调查的基础上，发表了《关于摩擦学（Ｔ曲０１０９ｙ）教育和研究报告》，首次提出将摩擦学作为一门独立的边缘学科加强研究和教育工作。
这对于促进国民经济持续发展具有战略意义，随即得到世界各国的认同和重视。
此后，摩擦学得到迅速的发展，并成为机械、材料等学科中活跃的研究领域之一噱由于多方面的原因，我国摩擦学的发展起步较晚。
虽然在２０世纪５０年代，为数不多的学者进行过磨损和润滑研究，但是作为一门独立的学科从事摩擦学研究和教育工作是在２０世纪８０年代以后才逐步开展起来。
１９７９年中国机械工程学会摩擦学分会成立。
经过过去２５年来各方面的共同努力，我国摩擦学学科取得了突飞猛进的发展。
摩擦学知识得到了广泛的普及；形成了一支从事摩擦学研究的专门队伍，包括长江学者、杰出青年基金获得者等中青年学术骨干；建立了国家级或者省部级的研究基地；创办了专业学术刊物，出版了１０余部学术专著和科技图书；在相关的学会组织推动下，召开了各种全国或地区性学术会议，讨论和交流研究成果；国际学术活动频繁，在我国召开多次国际学术会议，并成功举办了第一届亚洲摩擦学国际会议。
同时，我国学者也活跃在国际摩擦学学术舞台。
摩擦学的进展和未来_雒建斌
2010年12月第35卷第12期润滑与密封LUBR I CAT I ON ENG I NEER I NGD ec .2010V ol 135No 112DO I :1013969/j 1i ss n 10254-0150120101121001*基金项目:国际科技合作项目和国家自然科学基金项目(50721004).收稿日期:2010-09-30作者简介:雒建斌(1961)),男,博士,长江特聘教授,博士生导师,现任摩擦学国家重点实验室主任,I FT o MM 摩擦学技术委员会主席,中国机械工程学会摩擦学分会主任,国际摩擦学学会副主席;为国家自然科学基金重大项目负责人、973计划先进制造方向项目首席科学家;曾获国家科技进步二等奖(2008),国家自然科学二等奖(2001)、国家发明三等奖(1996)、省部级科技奖5项.主要研究方向:纳米级表面改性和加工研究,润滑理论研究.E -m ai:l l uoj b @tsi nghua 1edu 1cn .摩擦学的进展和未来*雒建斌 李津津(清华大学摩擦学国家重点实验室 北京100084)摘要:在过去的20年内,随着纳米技术的飞速发展和人们社会需求的日益增加,摩擦学迅速发展,并随之产生了几个新的领域,比如纳米摩擦、生物摩擦、超滑、表面织构摩擦学、极端工况摩擦学、微动摩擦学等等。
在未来的10年,这些领域和其他新出现的概念,比如:绿色摩擦、纳米制造摩擦学、新型超滑材料和新能源领域摩擦学等等,将在摩擦学研究工作中发挥重要的作用。
纳米摩擦学包括纳米尺度下的薄膜润滑、纳米摩擦、纳米磨损、表面黏附等等。
绿色摩擦学包括环境友好润滑剂、摩擦噪声的减小、没有环境污染的磨损。
生物摩擦学包括人类器官中的摩擦学和仿生摩擦学。
超滑包含不同类型的润滑剂,比如类金刚石膜、水基润滑剂、一些生物润滑剂,其具有极低的摩擦因数(01001量级)。
纳米制造摩擦学包括纳米结构制造中的摩擦学、纳米精度制造中的摩擦学和跨尺度(微观、中观和宏观)制造中的摩擦学。
活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展
表面技术第52卷 第11期收稿日期：2022-09-11；修订日期：2022-11-11 Received ：2022-09-11；Revised ：2022-11-11 基金项目：国家自然科学基金（51865053）；国家外专局外国专家项目（G2021039004）；云南省农业联合专项项目（202101BD070001-051） Fund ：National Natural Science Foundation of China (51865053); Foreign Experts Program of the State Administration of Foreign Affairs (G2021039004); Joint Special Project for Agriculture in Yunnan Province (202101BD070001-051)引文格式：程家豪, 陈文刚, 王泽霄, 等. 活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 128-138.CHENG Jia-hao, CHEN Wen-gang, WANG Ze-xiao, et al. Progress of Research on Frictional Wear Characteristics of Piston-cylinder Liner Surface Texture[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 128-138. *通信作者（Corresponding author ）活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展程家豪，陈文刚*，王泽霄，郭思良，魏北朝，王海军，袁浩恩，罗海（西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）摘要：减少摩擦损失是高性能发动机效率的一个重要方面。
活塞作为发动机组成的一个重要部件，在机械损失上损耗了发动机产生的总能量的40%，近乎于占据了发动机摩擦损失能量的一半，因此在发动机活塞-缸套上制备表面织构以改善活塞摩擦副的摩擦学性能，保持发动机在实际运行中拥有良好的性能是现在发动机发展不可或缺的。
摩擦学的研究进展与应用
摩擦学的研究进展与应用摩擦学，顾名思义，是指研究物体相对运动过程中摩擦现象的科学领域。
作为一门交叉学科，摩擦学涵盖了材料科学、机械工程、物理学等多个学科，具有广泛的研究领域和应用前景。
在工业生产和科技创新中，摩擦学的研究和应用已经发挥了重要的作用。
一、摩擦学的研究进展近年来，摩擦学的研究进展主要体现在以下几个方面：1.微观结构分析摩擦过程中，物体之间的接触面发生变化，直接影响到摩擦力的大小和方向。
因此，微观结构分析成为了研究摩擦的重要方向。
近年来，随着原子力显微镜、扫描电镜等成像技术的发展，科学家们开始研究材料表面的微观结构和化学成分，以深入探究摩擦现象的本质。
2.新材料研发材料的摩擦特性会直接影响到机械系统的运行效率和寿命。
因此，新材料的研发是摩擦学研究的重点之一。
目前，科学家们正在研发一些摩擦系数低、耐磨性好的材料，如纳米多孔材料、纤维素基材料等，而这些新材料的研发也将为未来的机械系统和工业生产带来新的突破。
3.智能化设计为了有效降低机械系统的摩擦损失，人们开始尝试利用智能化设计技术来优化摩擦部件的结构和工作方式。
例如，通过微电机和传感器的结合，可以精确控制机械部件的运动状态，从而实现节能减排和延长机械寿命的效果。
二、摩擦学的应用摩擦学的研究成果主要应用于以下几个领域：1.航天器设计摩擦学是航天器设计中不可缺少的一部分。
在卫星和火箭的发射、运行和着陆过程中，摩擦力和热量的影响都将直接影响到卫星的运行效率和寿命。
因此，航天器的轨迹控制和气动热力学参数分析等都需要摩擦学的支持。
2.汽车工业在汽车工业中，摩擦学的应用主要体现在发动机和变速箱等关键部件的设计和制造中。
通过对发动机和变速箱的摩擦特性的研究和优化，可以提高汽车的运行效率和节省燃油。
3.机械加工在机械加工中，摩擦学也发挥着重要的作用。
通过研究和优化切削和磨削等工艺的摩擦特性，可以改善加工过程中的加工精度和工件表面质量。
4.生物医学生物医学领域中，摩擦学主要应用于人工关节等医疗器械的设计和制造。
粗糙表面滑动摩擦接触模型研究的进展
Ｌ Ｌ ａ －ｅ ｇ Ｇ Ｏ Ｃ ｅ ｇｈ ｉ ＨＵ Ｇ Ｊａ ． ｎ ｉ ｎｆｎ ， Ａ ｈ ｎ － ｕ ， ＡＮ ｉ ｎ ｍｅ ｇ
（ ｌ ｇ ｆＭ ｅ ｈ ｎｃ ｌ ｇｉｅ ｒｎ ｎ ｔｍａ ｏ Ｆｕ ｈ ｕＵｎｖ ｒ ｉｙ， ｕ ｈｏ ５ １ ８， ｈｉ ） Ｃｏｌ ｅ ｏ ｃ ａ ｉａ ｅ Ｅｎ ｎ ｅ ｉｇ ａ ｄＡｕ ｏ ｔ ｎ， ｚ ｏ ｉｅ ｓｔ Ｆ ｚ ｕ ３ ０ ０ Ｃ ｎａ ｉ
第 ９卷 第 ２期 ２１ ０ １年 ６月
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Ｃ Ｎ Ｓ Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ｏ Ｓ Ｒ Ｃ Ｉ Ｎ ＭＡ ＨＩ Ｅ Ｙ ＨＩ Ｅ Ｅ Ｊ Ｒ Ａ ＦＣ Ｎ Ｔ Ｕ Ｔ Ｏ Ｃ Ｎ Ｒ Ｏ
Ｊｎ ０ １ ｕ ．２ １
粗 糙 表 面 滑 动摩 擦 接触 模 型 研 究 的进 展
赖联锋 ， 高诚辉 ， 黄健 萌
（ 福州 大学 机械工程及 自动化学 院， 福建 福州 ３００ ） ５ １８
摘要 ： 近年来国内外粗糙 表面模型的进展进行了概述 ， 对 根据 粗糙表 面模型类 型 的不 同 ， 为粗糙 表面和平 面 分 接触模型 以及双粗糙表 面接触模 型 ， 在各 自模型 中按照静载 和滑动接触类 型的研究 进展进行 表述 ， 并提 出了一 些 目前研究 中遇到 的热力耦合 的问题 以及将来双粗糙分形表 面模 型的发展 ．
机械工程中的摩擦学研究
机械工程中的摩擦学研究摩擦学是研究物体间相对运动时所产生的摩擦现象的科学。
在机械工程领域中，摩擦学起着至关重要的作用。
本文将探讨机械工程中的摩擦学研究的重要性、应用和近期进展。
1. 摩擦学的重要性在机械系统中，摩擦是不可避免的。
了解和控制摩擦现象对于确保机械系统的性能、寿命和可靠性至关重要。
摩擦会产生能量损耗、磨损和噪音，并且可能导致机械故障和事故。
因此，深入研究摩擦学可以帮助改善机械系统的效率、减少能源消耗和维护成本。
2. 摩擦学的应用摩擦学的研究应用广泛，涉及到各个不同领域。
在机械工程中，摩擦学被应用于润滑剂的选择和设计、摩擦副的匹配和优化、接触力学和表面工程等方面。
例如，在轴承系统中，通过深入研究摩擦学，可以选择合适的润滑剂和优化轴承材料，以减少能量损耗和延长轴承寿命。
此外，摩擦学的研究也在摩擦材料的开发和摩擦衬板的设计中发挥重要作用，以提高摩擦系统的性能。
3. 摩擦学的进展随着科学和技术的不断发展，摩擦学的研究也取得了重要的进展。
近年来，纳米摩擦学的研究成为了一个备受关注的领域。
通过使用纳米级仪器和技术，研究人员能够研究和控制纳米尺度下的摩擦现象，为纳米器件和微机械系统的设计和制造提供重要指导。
此外，表面工程技术的发展也为改善摩擦学性能提供了新的途径。
通过改变表面形貌和涂层技术，可以减少接触面的摩擦和磨损，并提高机械系统的效率和寿命。
4. 摩擦学研究的挑战尽管摩擦学的研究取得了重要进展，但仍然存在许多挑战。
例如，摩擦学的联系面非常复杂，涉及到物理、化学、材料科学等多个学科的知识。
因此，摩擦学的研究需要多学科的合作和交叉。
此外，尽管纳米摩擦学的研究已经取得进展，但仍然存在纳米尺度下摩擦现象的理论和实验上的挑战。
因此，未来的摩擦学研究需要进一步加强实验测试方法和理论模型的发展。
5. 摩擦学的未来前景随着科学技术的不断进步，摩擦学的研究和应用在未来有着广阔的前景。
例如，随着纳米技术的发展，纳米机械系统的需求不断增加，因此对摩擦学的研究也将进一步深入。
机械结构的摩擦学与表面工程技术
机械结构的摩擦学与表面工程技术摩擦学是研究有关物体相对运动时表面接触与相互作用的科学。
在机械结构中，摩擦是一个重要的问题，因为它与能量损失、磨损、噪音和失效等相关。
为了减少摩擦带来的不利影响，科学家和工程师们研发并应用了各种表面工程技术。
在本文中，我们将探讨机械结构的摩擦学及其与表面工程技术的关系。
一、摩擦学的基本原理摩擦是由于两个物体表面间的相互接触引起的阻碍相对运动的力。
在微观层面上，摩擦力是由于表面不完全光滑，而导致表面间的接触和分离产生的。
表面粗糙度、压力、相对运动速度和接触材料的性质等都对摩擦力产生影响。
摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是在物体尚未开始相对运动时产生的阻力，而动摩擦力是物体开始相对运动后产生的阻力。
静摩擦力通常比动摩擦力大，当受到外力作用时，物体将首先克服静摩擦力才能开始运动。
摩擦力可以通过使用润滑剂来减小。
润滑剂通常是液体或固体，用于填充表面间的凹坑或提供一个滑动的界面。
润滑剂的选择取决于具体的应用，例如液体润滑剂常用于高速运动系统中，而固体润滑剂则更适用于高温环境。
二、表面工程技术在摩擦学中的应用表面工程技术是通过改变材料表面的特性来改善摩擦性能。
以下是几种常见的表面工程技术：1. 表面涂层技术：表面涂层技术包括在材料表面涂上一层具有特殊性能的材料。
这些涂层可以减小摩擦系数、增加润滑性以及提供保护层。
例如，钢件表面可以镀上一层具有低摩擦系数的金属，如镍或铜，以减小摩擦力并降低磨损。
2. 表面改性技术：表面改性技术主要通过物理或化学方法改变材料表面的性质。
蚀刻、沉积和离子注入等方法可以改变材料表面的组成和结构，从而改善摩擦性能。
例如，在钢件表面进行离子注入，可以形成一个硬度更高、耐磨性更好的表面层。
3. 表面磨削技术：表面磨削技术是通过切削或研磨材料表面来改变其形状和粗糙度。
通过磨削可以减小材料表面的粗糙度，从而减小接触面积和摩擦力。
此外，磨削过程还可以产生一个更加光滑的表面，降低与其他物体的摩擦。
摩擦学研究的进展与趋势
摩擦学研究的进展与趋势一、引言摩擦学是一门与机械表面界面科学密切相关的学科，它主要研究相对运动表面之间的摩擦、磨损和润滑规律及其控制技术。
它涉及传统机械加工、交通运输、航空航天、海洋、化工、生物工程等诸多工业领域。
统计资料显示，摩擦消耗掉全世界约1/3的一次能源，磨损致使大约60%的机器零部件失效，而且50%以上的机械装备恶性事故都起源于润滑失效或过度磨损。
欧美发达国家每年因摩擦、磨损造成的经济损失占其国民生产总值（GNP）的2%～7%，而在工业生产中应用摩擦学知识和研究成果可以节约的费用占GNP的1.0%～1.4%［1］。
我国已经成为制造大国，但远不是制造强国，在生产与制造过程中对资源和能源的浪费严重，单位国内生产总值（GDP）能耗约为日本的8倍，欧盟的4倍，世界平均水平的2.2倍，若按GDP的5%计算，2014年我国摩擦、磨损造成的损失达31800亿元，因此，开发和应用先进摩擦与润滑技术实现能源与资源节约的潜力巨大。
另外，机械产品中的摩擦界面除了起到传递运动和能量的作用，还可具备防腐、减阻、吸声等特殊功能，对机械系统的效率、精度、可靠性和寿命等性能具有重要的甚至是决定性的作用。
摩擦学理论与技术可用于改善机械系统工作效率、延长使用寿命、减少事故发生，为解决人类社会发展面临的能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康问题提供有效的解决方案。
人类很早就在生活和生产实践中应用摩擦与润滑技术，而对摩擦规律的科学探索也已有数百年的历史［2］。
早在15世纪，意大利的列奥纳多·达·芬奇就开始对摩擦学理论进行探索，1785年法国摩擦学及物理学家库仑提出干摩擦的机械啮合理论，英国的鲍登等人于1950年提出了黏着摩擦理论。
关于润滑，英国人雷诺于1886年根据前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑的基本理论，其后相继发展出了边界润滑（1921年）、2014—2015机械工程学科发展报告（摩擦学）弹性流体动力润滑（1949年）和薄膜润滑（1990年）理论。
我国摩擦学发展历程
我国摩擦学发展历程我国摩擦学发展历程可以追溯到古代，起初依赖人们的经验总结和直观感受。
然而，正式的摩擦学研究始于20世纪初，进入了科学实验与理论探索的阶段。
20世纪初，中国的科学技术尚未发展到较高水平，摩擦学研究也相对落后。
人们对于摩擦的理解还停留在定性描述的层面，缺乏深入的实验研究和理论分析。
进入20世纪二三十年代，随着科学技术的进步和学科研究的深入，我国摩擦学开始逐渐取得一些进展。
当时的研究主要集中在静摩擦的实验测量和摩擦力的计算方法等方面。
人们通过试验确定摩擦系数，并尝试用数学模型描述摩擦行为。
这些研究对我国工业生产和机械设计起到了一定的指导作用。
在20世纪五六十年代，我国的摩擦学研究开始进入系统化阶段。
当时的研究主要集中在摩擦材料的研究、摩擦磨损机制的分析和摩擦表面处理等方面。
一系列的实验和理论研究成果被广泛应用于航空、航天、军工等领域。
随着科技的不断进步和学科的不断发展，我国的摩擦学研究进入了现代化阶段。
二十世纪七八十年代，我国在摩擦学的理论研究和实验技术方面取得了一系列重要的成果。
在摩擦材料、摩擦磨损、润滑与摩擦学、摩擦与产能设计等方面的研究成果达到了国际先进水平。
进入21世纪新的历史阶段，我国的摩擦学研究进一步深化和发展。
摩擦学已经成为一门独立的交叉学科，与材料科学、力学、工程等学科产生了广泛而深入的交流与合作。
同时，新材料、新技术和新工艺的不断涌现，也为摩擦学的发展提供了新的机遇与挑战。
总结来看，我国摩擦学的发展历程经历了漫长而曲折的过程。
从起初的经验总结到现代化的实验和理论研究，我国的摩擦学研究取得了重要的进展。
目前，我国的摩擦学研究已经进入到更加系统化、深化和创新的阶段，为我国工业生产和科学技术的发展做出了积极贡献。
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。
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第20卷 第2期摩擦学学报V o l20, N o2 2000年4月TR I BOLO GY A p r,2000表面工程摩擦学研究进展3张绪寿,余来贵,陈建敏(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000)摘要:综述了第二代表面工程技术和表面工程摩擦学的研究进展,展望了21世纪表面工程摩擦学研究的发展动向.关键词:表面工程摩擦学;表面涂层;复合表面工程;多层涂层中图分类号:TH117文章标识码:A文章编号:100420595(2000)022******* 随着表面科学和材料科学与工程的发展,近廿年来表面工程摩擦学(改性表面摩擦学)获得了迅速发展.80年代初,表面工程摩擦学研究在英国和德国摩擦学各研究领域中已分别上升到了第一位和第二位. 1983年世界上第一个表面工程研究所在英国伯明翰大学成立.1985年《SU R FA CE EN G I N EER I N G》创刊,1988年《表面工程》创刊.资料表明[1],1990年到1994年仅德国就有近1000家新的表面工程公司成立.1994年北美、日本和西欧各国在表面工程研究领域的总投资达400亿美元.目前表面工程摩擦学已成为摩擦学研究领域中十分活跃的分支[2,3].这从1997年第一届世界摩擦学大会的有关论文情况亦可得到佐证[4].表面工程摩擦学领域所获得的大量研究成果不仅促进和丰富了摩擦学的基础研究,而且为开发工业和高新技术发展所必需的具有高强度、高耐磨性和高抗蚀性的摩擦学材料提供了重要的指南.1 表面工程摩擦学研究现状1.1 表面工程技术研究进展1997年B ell根据表面工程技术(涂层和表面处理)发展历程把表面工程分为两代[5]:第一代主要采用单一技术,包括电镀、化学镀、热喷涂、热化学处理、CVD、PVD沉积以及载能束改性等表面工程技术.20多年来,该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展,许多研究成果已获得了应用.随着新型工艺如PA PVD、PA CVD和PS II等的采用,具有低摩擦高抗磨性的新型涂层如C3N4等应运而生[6,7].但是,只有采用第二代表面工程即复合表面工程才有可能从经济和技术上不断满足高性能新材料的要求[5,8].Sub ram an ian等[9]根据涂层的发展历程把涂层技术分为3代:第一代涂层指传统的单组分涂层如T i N;第二代指二元复合涂层如T i(CN)和(T i A l)N;第三代指新近出现的多层及多组元涂层.近年来针对复合表面工程及多层涂层的研究更为活跃[10],其代表了表面工程技术90年代以来的发展方向.本文就复合表面工程和多层涂层摩擦学的研究进展进行综述. 1.2 复合表面工程的定义和分类复合表面工程的特点在于采用2种或2种以上表面技术以获得任何单一技术不能达到的具有良好综合性能的复合物表面.按照两种不同技术间的相互作用及其对复合表面层综合性能的贡献,可以进一步将复合表面工程分为2类[5]:第一类指2种不同工艺技术互相补充,其最终性能是2种工艺共同作用的结果;第二类指一种工艺补充和增强另一种工艺,前者作为预处理或前处理,最终性能则主要取决于后一种工艺.采用复合表面工程的主要目的在于:①通过对底材进行强化预处理以提高底材对涂层的支撑能力,从而防止在给定负荷下由于底材的塑性变形而导致涂层的过早失效[5];②利用多种涂层或处理技术复合产生协同效应,从而在表面上获得更高性能的复合改性层[8].从技术上说,2种或多种表面技术的结合是没有限制的,但实际上复合表面工程不是每种表面技术的简单混合.由于复合处理的结果组成了一个典型的多层复合体系,复合体系的最终性能主要取决于2种不同处理技术的综合效应,其中2种处理间的协同效应对改善复合体系的性能有利.因此,选择复合表面处理技术时,必须仔细考虑不同处理工艺在冶金学、力学、物理和化学等方面的相互作用,严防3国家杰出表年基金资助项目.1999210212收到初稿,2000201228收到修改稿 通讯联系人张绪寿.张绪寿 男,65岁,研究员,主要从事摩擦学表面工程研究工作.第二种处理损伤第一种处理原本具有的良好特性.正因为如此,目前仅有为数不多的复合处理技术显示出优异的性能和潜在的应用前景.而复合表面工程技术本身仍处在初级阶段[1]甚至工艺选配阶段,在许多方面还缺乏指导性的理论和规范.1.3 复合表面工程摩擦学研究现状1.3.1 铁及其合金表面工程摩擦学10多年以来,人们针对多种双处理体系如底材先进行化学镀N i 2P 、电镀N i 、渗硼或离子氮化后再涂敷T i N (C ),以及热或等离子喷涂后再激光处理等进行了大量的研究.业已发现,合金钢等离子氮化(PN )后再经PVD 2T i N 涂层处理不仅可大幅度地提高其耐磨性,而且可明显提高其承载能力和抗疲劳能力[5,11].图1示出了上述复合处理与单一处理技术在F ig 1 W ear vo lum e lo ss of untreated andvari ous treated En 40B steel图1 几种表面处理技术对En 40B 钢抗磨性能的影响改善En 40B 钢抗磨性方面的效果[5].可以看出,复合处理可使En 40B 钢的磨损体积损失降低近40倍.1.3.2 T i 、A l 及其合金表面工程摩擦学T i 合金由于其优异的高比强度、优良的抗蚀性和生物相容性,因而在宇航工业、化学工业和现代生物医学领域越来越受到重视,A l 及其合金与T i 相似.但是,T i 、A l 及其合金的摩擦学特性很差,这使其在摩擦学领域的应用受到极大限制.为了适应节能需要,对发动机及其附件和其他机械设备运动构件的轻量化要求日益突出.多年来,金属材料学家和摩擦学家在高强度新型合金及其润滑材料研究方面已取得了巨大进展,但相关材料的摩擦学性能仍然难以满足工业摩擦学构件的应用需要.因此,对T i 及A l 等合金的表面工程摩擦学研究尤为重要和迫切.近年来,B ell 等[5]对T i 合金表面工程摩擦学进行了系统研究,取得了显著成绩.他们开发成功的氧扩散处理 涂敷类金刚石碳膜复合处理技术可明显提高T i 合金的承载能力,并使其可适用于更大范围的滑滚比工况(如图2所示).F ig 2 T he effect of dup lex surface engineering开发铝制汽车发动机,关于A l 合金汽缸和活塞环组合件的摩擦学特性研究已取得了一些进展.研究表明[12],必须采用表面工程技术以强化和改善A l 合金的表面特性,以满足高表面强度、高耐磨性和低摩擦的要求.德国很早就将N i 2Si C 复合镀层用于A l 质汽缸的制造,并成功地将其用在BMW 的部分发动机上.英国最近也开始采用这一技术.日本本田二轮摩托和赛车用铝发动机中也采用了N i 2Si C 镀层.铃木和雅马哈摩托车上则采用了N i 2P 2BN 和N i 2P 2Si C 镀层.实践表明,采用上述复合镀技术可大大降低油耗和提高输出功率.近些年来,A l 及其合金的载能束重熔和合金化以及等离子氮化等表面工程技术也受到了人们的重视[13～15].研究表明,由于A l 合金的固有特性,许多已成功用于Fe 质合金的复合技术不适用于A l 合金.例如,由于表面氧化物特别是低导电性氮化铝膜的形成将使氮化过程终止,目前实际上难以对A l 合金进行等离子氮化处理.这就要求我们尽快开展射频氮化、离子注入和离子辅助氮化等预强化技术的研究,以早日开发实用的A l 合金复合表面工程技术[15].2 多层膜的摩擦学特性研究在涂层 底材体系中,采用复合表面工程技术的751第2期张绪寿等: 表面工程摩擦学研究进展目的在于:强化底材表面以提高底材对涂层(薄膜)的支撑能力,从而使涂层(薄膜)固有的潜力得以发挥,但涂层本身的性能并未改善.因此如何改善涂层本身的性能,以进一步提高复合处理表面的力学和摩擦学性能就成了人们面临的新课题.这促进了第二代2元涂层如T i (CN )M oS 2+A u 的出现.继而又出现了第三代涂层——多层和超晶格涂层.大量研究表明[16～18],多层涂层能满足多种性能要求,这是因为其具有如下优点:①可获得各个不同材料单层特性的综合特性;②与底材更牢固地粘结;③多层涂层中多个平行于底材表面的界面可有效地拟制裂纹的产果远远超过了Koeh ler 多层强化模型所预料的效果[18];②按照Koeh ler 模型,在多层强化涂层中,对硬质耐磨涂层而言,较少层数的均质和非均质结构单层组成的多层涂层比层数很多的超晶格(超模量)多层涂层具有更优异的摩擦学特性,换言之在性能、组分和结构上具有梯度特征的多层体系具有更优异的摩擦学特性;③最外层、涂层总厚度及层数主要取决于工况条件.在给定的工况条件下,也许2层复合涂层即可具有高抗磨、高抗蚀和低摩擦的特性,而不一定以多层复合涂层为先决条件,如T i N 化学镀N i 、C r N 化学镀N i 、DL C W C 及T i C (N ) T i 等双层涂层等即是.其中DL C W C 涂层已在齿轮和轴承中获得了应用,T i N (C r N )T i 等涂层已成功应用与磨粒磨损及冲蚀磨损条下[18].切削刀具用涂层的情况与此相似,如以T i N 为外层,由T i N 、T i CN 和A l2O 3交替组成的8层涂层及由A l 2O3 T i C T iN 组成的3层涂层都在不同切削工况下获得了成功应用并已实现了商品化[11].近十多年来,与硬质耐磨多层涂层相比而言,针对M oS 2及软金属等的多层润滑膜的研究相对较少.关于M oS 2双层膜的研究主要集中在80年代,其中以金属(如N i 、Pd 或R h )中间层、C r 3Si 2中间层和硼或硼化物中间层的M oS 2双层膜为主要代表[19～20].90年代以来,相继出现了M oS 2 T i N ,M oS 2 A u 以及A u M oS 2 T i N[21];A u N i 2P [22],M oS 2 A u 220%Pd[23]及代号为M oST 的M oS 2 T i 多层膜[24].其中T eer 等[24]采用专利技术(非平衡密闭场磁控溅射技术)制备的M oS 2 T i 多层膜(M oST )在保持低摩擦的同时使用寿命有了显著增加(如图3所示),与同期面世的 F ig 3 V ariati on in fricti onal fo rce of vari ous M oS 2coatings w ith sliding cycles图3 几种不同的M oS 2N 载荷下的往复摩擦磨损试验结果,该多层膜的寿命提高了约50%;000多次工作循环后仍未失效,膜的磨损厚度仅为原膜厚的一半.3 表面工程改性表面的力学特性研究与无涂层固体摩擦接触中表面次表面应力场和分布的表征研究相比,关于多层体系摩擦接触中应力场和应力分布表征的研究尚处于早期阶段.Ho l m berg 等[18]对90年以来这方面的研究进展进行了评述,并提出了在硬2软交替多层涂层中,在垂直和切向力作用下,软质中间层的弹性应变将导致硬质层的相对偏移,从而在保证高承载能力的同时提高涂层耐磨性的新观点.90年以来,大量学者用有限元法对应力值及其分布进行了表征和计算.最近M ao 等[5,25]基于积分变换和有限元相结合的方法,提出了应力屏障(stress barriers )模型和相关的数学计算公式,取得了新的进展.他们发现,但N ji w a 等[26]对涂层底材体系的研究表明,摩擦系数主要影响涂层中的应力状态.随着摩擦系数增大,最大应力逐渐向表面接近.近年来,纳米硬度仪的出现使得人们能从纳米尺度了解单层和多层涂层的力学性能和断裂破坏过程[27,28].可以预期,在纳米压痕条件下对具有不同中间层、不同厚度及层数的多层涂层的微观力学性能和破坏过程的深入研究必将推进多层涂层摩擦接触力学模型的建立和完善.4 涂层摩擦化学效应研究近10年来,针对涂层在摩擦过程中的摩擦化学效应及其对摩擦学特性影响的研究主要集中于金刚石薄膜、类金刚石(DL C)薄膜和氮化碳(CN x)薄膜.研究表明[29],金刚石薄膜的摩擦学行为基本上受接触表面化学特性控制,界面上化学键的形成和断裂控制摩擦行为,键的断裂部分控制磨损行为.金刚石的摩擦系数完全取决于环境,并主要受控于表面悬挂键.金刚石薄膜在湿空气或干燥氮气中的摩擦系数较低,在真空中金刚石薄膜 金刚石薄膜的摩擦系数则可高达1.0,H或其他原子分子吸附物的存在可使摩擦系数降低.DL C薄膜在超高真空中的摩擦学行为与金刚石薄膜相似,但在湿空气中不同.含氢DL C薄膜在湿的氮或氧气氛中的摩擦系数较低,在干燥氮气或高真空中极低[24](10～50Pa的Λ值处于0.010～0.070之间,在0.1Pa以下Λ值可低达0.006～01008),在干燥氧气氛中则极高,除H以外,吸附其他原子或分子增大DL C2DL C摩擦副的摩擦系数.通常DL C的摩擦磨损随湿度降低而降低[18].在湿空气中含H的DL C薄膜的摩擦系数增大,这归因于吸附的水分子与氢键间的范德华键强增大.和金刚石薄膜相似,DL C薄膜的摩擦和磨损都受摩擦时界面上或转移薄膜形成的影响[24].业已证实,DL C与不同偶件、金刚石与金刚石及陶瓷在干燥氮气中滑动时,表面上或转移膜的石墨化是导致极低摩擦系数(0.010～0.050)的原因[18,29].在相对湿度50%的大气环境中,不同偶件与DL C薄膜滑动时均可获得比与金刚石薄膜滑动时更低的摩擦系数[30].此外,对不同磁头材料与DL C涂敷磁盘的摩擦学试验研究表明,磁头材料(A l2O32T i C)起催化和加速DL C薄膜氧化磨损的作用[29].因此,只有在干燥氮气和氩气环境下, A l2O32T i C DL C对摩时才可获得最长耐磨寿命[31]. M aillat等[32]发现,T i C涂敷的钢球与涂敷DL C薄膜的钢盘对摩时从真空到相对湿度≤97%下均可给出比钢球与涂敷M oS2薄膜钢盘对摩时更稳定的摩擦系数和低约1个数量级的磨损率.Ho l m berg[20]等发现,水润滑对含H的DL C薄膜(-∶)不利,可引起灾难性破坏,T i的引入使耐磨性能有所改善,但增大了偶件的磨损;油润滑对DL C薄膜的摩擦性能影响不大,但含EP添加剂的油可使DL C薄膜的摩擦系数明显降低.不过,亦有研究表明[32],在全氟聚醚薄膜润滑下,随着磁盘表面DL C膜中含氢量从12%增大到32%,磁头与磁盘的接触起停寿命(Con tact Start Stop,略作CSS)明显增大.含N的CN x膜的CSS进一步增大.5 结束语21世纪机械制造业的进一步发展很可能主要受制于表面工程技术的发展,为了获得高生产率、高效和低能耗,要求机械在更苛刻的条件下工作,这就需要机械构件表面具有多种综合性能.为此必须进一步挖掘复合表面工程的应用潜力,以满足高性能表面的新要求.预料在不久的将来,从高技术器械到日用消费品,从磁盘到内燃机气缸构件等均将离不开表面工程处理技术.因此,针对表面工程技术和表面工程技术改性表面特性及其作用机制的研究将会是新世纪人们关注的焦点之一.在表面工程摩擦学领域,关于不同底材上涂层和处理工艺的优化和定型、多层膜的摩擦接触力学求解、残余应力的控制和优化、多层膜的设计与工艺指南、涂层摩擦化学效应及机制、高温自润滑涂层、T i和A l等合金的预强化与复合表面工程技术、陶瓷材料的表面工程技术、纳米尺度多层膜及复合膜技术等方面的研究必将进一步深入和完善,以满足不同领域对构件表面性能越来越苛刻的要求.参考文献:[1] L arsen2Basse J.Surface engineering and the new m illennium[J].Surf Eng,1998,14(2):81～83[2] 徐洮,薛群基,田军.氮离子注入Si O2单晶磨损机理的SE M研究[J].摩擦学学报,1999,19(4):289～293[3] 张宁,庄大明,王燕华,等.低温离子渗硫层的摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,1999,19(4):348～353[4] 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