9-摩擦学发展前沿

物可降解性、较小的生态毒性和毒性
累计性。
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摩擦学的发展前沿
摩擦噪声防治主要研究对环境产生噪声污染 严重的高频尖啸摩擦噪声和摩擦副表面形貌 对摩擦噪声的影响。 环境友好润滑剂主要研究包括发动机润滑 油，农业、林业、食品加工、采矿等用润 滑油及其添加剂，液压油等。
研究新一代经济性更好的高效、多功能绿 色润滑油，如高水基润滑油HWBF（ high water basic fluid）取代传统矿物 基础油，以减少环境污染。 6
的主要途径。
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摩擦学的发展前沿
汽车：机械损耗占内燃机总能耗的15％，而摩 擦损耗占80％。 发动机油使用摩擦改进剂，可节约燃料 0.7 ～4.0％； 齿轮油使用摩擦改进剂，可节约燃油1.0～ 6.0％。
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摩擦学的发展前沿
环境友好摩擦学 环境友好摩擦学：研究生态系统中和对生
态系统与环境产生影响的摩擦学问题及其
冲击破坏， 摩擦磨损 10
摩擦学的发展前沿
极端工况摩擦学
研究发生在高温、高压、超高速、
超高真空、低温、强辐射等极端工况条 件下的各种摩擦学问题。
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摩擦学的发展前沿
如高真空下缺少氧化膜的润滑作用 ，易发生冷焊；
空间运载工具与飞行器的工作环境 十分复杂，工况极其严酷，1960-2000年40年间，包括哥伦比亚航天 飞机的空间运载工具和飞行器共发 生了11起由于摩擦学问题引起的事 故。
摩擦学的发展前沿 磁头 /磁盘制造中 纳米级运动控 制问题 的科学技术问题
三维纳米设计 和加工 亚微米级定位 问题
亚纳米表面抛 光与测量问题
磁头表面保护膜厚度< 2 nm
超薄膜的均匀生长问题 9
MEMS器件失效分类
Micro-sensor Micro-gyro Digital Micromirror Device Nanotractor(2004)
摩擦学的发展前沿
研究润滑剂的生物相容性，润滑剂的生 物可降解性，润滑剂的化学组成、结构 与生物相容性和生物可降解性的关系规 律；润滑剂及其添加剂对生态环境的影 响；环境友好润滑剂及其添加剂的设计 制备与性能；润滑剂的再制造、再循环 和再利用；
摩擦、磨损产生的声、热等的物理过程 及在该过程中摩擦与声、热等的相互作 用。（如钢轨弯道磨损）
统的状态都有非常明显的作用。相关科
学问题的解决将有利于提高我国磁悬浮 列车应用可行性研究的可靠性。
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摩擦学的发展前沿
生物摩擦学
研究在生物体环境中有关生物体及其替代 物的摩擦学问题，以及仿生材料的摩擦学 行为。
人体摩擦学、仿生摩擦学
研究人体组织器官、人工组织器官及修 复体摩擦学行为的科学，是摩擦学在生命与 健康领域的学科分支 人类必须认清人体组织器官中的摩擦学 现象及人体的特殊环境，用以指导人工组织 器官的摩擦学设计。
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摩擦学的发展前沿
微/纳摩擦学
微/纳摩擦学：研究在微/纳米尺度上
的摩擦学基础理论和技术，发展为
MEMS（微电子器件）、微机械、计
算机存储系统等提供技术支撑的摩擦
学设计、摩擦材料和表面工程。
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飞行高度<8 nm 控制精度<2 nm
磁存储密度： 100 Gb/in2 寻道精度: < 0.125 m 表面粗糙度： 磁头Ra < 0.1 nm 磁盘Ra < 0.08 nm 波纹度< 0.12 nm
元件的包壳材料锆合金的辐照损伤问题。
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核电站
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核电站
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摩擦学的发展前沿
多相共存条件下材料的摩擦学：
汽轮机、水轮机等是关键的发电设备 ，其主要的摩擦学问题是（气、固、液多 相共存条件下）高速气流、水流、粒子流 造成的材料严重磨损导致的效率下降、稳 定性破坏、机组不能正常运行甚至故障停 机。气、固、液多相共存条件下材料的摩 擦学问题始终是国内外材料摩擦学研究的 重点，特别是汽轮机叶片的多相流磨损问 题。
主要内容
历史回顾
摩擦磨损与国民经济 摩擦学学科概述 摩擦学研究前沿及国内现状
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摩擦学的发展前沿
节能摩擦学
节能摩擦学：
通过摩擦学设计（如SG管）、润滑、
表面工程、摩擦材料等技术手段以降低摩
擦和磨损引起的能量损失和材料消耗。 摩擦学的节约作用: 摩擦学设计和润滑技术是减少发动机润滑 区的摩擦损耗、提高发动机的能源经济性
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航空用特种润滑和密封材料与技术

应用背景——型号背景
飞豹
歼10
苏27
直9和直11
斯贝(FWS9)
10A
PL系列
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摩擦学的发展前沿
极端气氛环境条件下的摩擦学： 如：枪膛和炮管等与弹头形成的弹道/ 弹带摩擦副。
美国军方专门研究武器发射系统的摩 擦学问题以提高射击精度、降低噪音、 提高寿命。如炮管内壁的固体润滑涂层 。
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摩擦学的发展前沿
电－磁耦合作用条件下的摩擦学：
导电摩擦副，例如铁路接触网导线/滑板
、发电设备励磁电机碳刷、各种高低压
开关与接触器触头、航天用整流设备等
，其共同特点为表面不但承受摩擦接触
，而且要通过电流，二者之间存在非常
强的耦合作用。
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摩擦学的发展前沿
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摩擦学的发展前沿
对于磁场存在的摩擦副，特别是强磁场 对磨损产物在摩擦面上的运动、润滑系
－获得国家自然科学奖
纳米薄膜润滑理论与实验 ：清华大学（
温诗铸） 2001年国家自然科学2等奖
颗粒对电接触可靠性影响及防护：北京
邮电大学（章继高） 1993年国家自然科学3等奖
微动磨损理论：西南交通大学（周仲荣）
2006年国家自然科学2等奖
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我国摩擦学研究进展及成果
－获得国家技术发明奖、国家科技进步奖
破裂
起泡
角质化与起茧 汗毛与汗腺的破坏
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实 例 人工关节的磨损后果
寿命短，患者年龄受限
软组织吸收，引发病变
磨损颗粒被巨噬细胞吸收，导致骨溶解
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实 例 材料配副 针对摩损的研究之一 ——
UHMWPE
金属——金属
表面处理 陶瓷
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实
例
陶瓷-陶瓷人工关节
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人工骨
人工关节
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指关节假体
腕关节 假体
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摩擦学的发展前沿
人体摩擦学包含如下7个组成部分
一、骨、关节系统摩擦学
二、牙与口腔系统摩擦学
三、心血管系统摩擦学 四、眼系统摩擦学 五、皮肤与毛发摩擦学
六、体内软组织摩擦学
七、人体生物润滑材料
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人体摩擦学涉及范围
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皮肤摩擦学的三个要素
•皮肤与外界物体接触界面的微气候及湿度 •皮肤与外界物体接触界面的擦动 •界面摩擦运动引起的皮肤组织反应：
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摩擦学的发展前沿
极端速度/载荷条件下的摩擦学： 如：高速轴承dm· n值达1.0×106 mm· r/min以上，传统润滑理论已完全不 能指导这些轴承的设计与制造。 如：精密塑性加工过程中，模具/工件之 间的工作压力大幅度提高，工件沿模具 的塑性流动与二者的界面摩擦学状态有 密切关系。
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摩擦学的发展前沿
极端温度条件下（温度低于-40℃与温度超 过1000℃）的摩擦学： 太空飞行器与航空航天发动机等高技术领 域关键装备的技术“瓶颈”。在高温与低 温条件下，各种材料的性能会发生显著变 化，因此解决摩擦副材料磨损与润滑问题 是目前世界各国研究的热点。 如：软金属作为太空轴承固体润滑材料 、陶瓷材料（陶瓷发动机）在高温条件 下的滑动摩擦学特性研究等。
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我国摩擦学研究进展及成果 －在国际上有较大影响的研究领域
清华大学摩擦学国家重点实验室：薄膜润滑 ；纳米摩擦学研究； 中国科学院兰州化物所固体润滑国家重点实 验室：空间和特种材料固体润滑理论与应用 ； 西南交通大学牵引动力国家重点实验室：轮 轨波浪型磨损；接触疲劳；微动磨损； 吉林大学教育部仿生机械实验室：生物脱附 及减磨原理；地面机械脱附仿生理论与技术 。
陈建敏 王家序 葛世荣
谢友柏
航空用特种润滑和密封材料与技术 --2004年国家技术发明2等奖 水润滑动密封复合材料轴承 --2004年获国家科技进步2等奖 矿井提升机的补偿制动技术及相关 安全装置 --2001年获国家技术发明2等奖 旋转机械转子轴承系统摩擦学动力 学设计理论与应用研究 --1997年获国家科技进步2等奖
1、无相对运动的微构件
2、有相对运动，无碰撞、 磨损的微构件
3、有相对运动，相互碰 撞的微构件
4、有相对运动，相互碰撞、 磨损的微构件
颗粒污染物 振动诱导的粘连失效
颗粒污染物 振动诱导的粘连 机械疲劳
颗粒污染物 振动诱导的粘连 自发粘连 机械疲劳 冲击破坏
颗粒污染物 振动诱导的粘连 自发粘连 机械疲劳 碰撞损伤，
防治的科学和技术。 环境友好润滑剂、无公害摩擦材料、降 噪、减振、……
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摩擦学的发展前沿
环境友好摩擦学----主要包括环境兼容润 滑剂、环境友好润滑技术以及噪声防治 技术等 欧盟每年销售的450万吨润滑油的13%
在无控制的状态下进入环境，而源自文库露
核事故导致的液压油损失达8%。
环境友好润滑剂及添加剂必须具有生
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摩擦学的发展前沿
真空、微重力（失重）与强射线条件下的 摩擦学：
太空条件下，材料对摩擦学特性的要求 产生根本性的变化，必须采用特种方式 实现稳定的润滑，相关的润滑理论与润 滑材料选择为各国的高度机密；
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摩擦学的发展前沿
太空或各种核设施中，各种强射线对材料的性能稳定性 将产生一定的影响，如何保证应用于射线条件下各种摩 擦材料性能稳定性也是各国面临的难题之一。如核燃料
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肩关节假体
肘关节 假体
踝关节假体
大脚趾关节假体
义齿
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实 例 人工心脏瓣膜
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实 例 人工心脏
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实 例 人造血管及支架
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人工肺
实
例
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隐形眼镜
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海洋生物表面结构及仿生减阻
鲨鱼皮表面形态 Textured surfaces of shark skin
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仿鲨鱼皮泳装
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我国摩擦学研究进展及成果