摩擦学发展前沿ppt课件
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摩擦学12
第十二章 摩擦学的进展与展望
第一节 摩擦学的发展现状
为了适应现代经济和科学技术以及社会发展的需要,近10多年来,摩擦学 的研究在不断地深化和扩展，主要表现在以下几方面。
一、摩擦、磨损和润滑仍是当今摩擦学研究的主题,但更注重其工业应用
1.摩擦与磨损 近年来,已经采用原子力显微镜(AFM)和摩擦力显微镜(FFM)等先进的仪
艺技术和方法正在或已经渗透到摩擦学研究领域,形成交叉发展,相 互促进,甚至形成新的学科生长点,其中最突出的就是表面工程。
应用表面涂层技术,尤其是应用物理气相沉积(PVD)、化学气相 沉积(CVD)和离子注入技术都已获得明显的减摩和耐磨效果。极薄
的 Ti N ,Ti和AlN 等Ti涂BN层均已应用于金属切削工具和大型挖掘
1998,3:66~68 3 杨德华,薛群基,张绪寿.磨损图研究的发展现状与趋势,摩擦学学报,
1995,lS(3):281~288 4 曹占义,张有,孙大仁,刘勇兵.磨损图研究的方法与进展.摩攘学学
报,1997,17(2):185~192 5 雒建武,温诗铸.薄膜润滑进展与问题.摩擦学进展,1999,4(3/4):9~20 6 聂时春,张酮伟,王洪波,高芒来.原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展.
学处理和等离子喷涂技术。近年来,更重视复合表面技术的开发,如 复合陶瓷涂层—渗氮钢体系和复合DLC涂层氧扩散处理钛体系等新 技术。
此外,在涂层的摩擦、磨损和润滑机理方面的研究也取得了一 些进展,如模拟涂层中具有微观滑动的摩擦接触状态,用分子动力学 模拟方法研究沉积DLC涂层的摩擦学特性。
三、摩擦学新领域的研究呈上升势头
器设备,观测相对运动的固体表面原子间的作用力以研究摩擦的起因;研究了
在高真空( 107 P)条a件下,粘着和摩擦的化学效应;研究了磁流体、磁粉
第一节 摩擦学的发展现状
为了适应现代经济和科学技术以及社会发展的需要,近10多年来,摩擦学 的研究在不断地深化和扩展，主要表现在以下几方面。
一、摩擦、磨损和润滑仍是当今摩擦学研究的主题,但更注重其工业应用
1.摩擦与磨损 近年来,已经采用原子力显微镜(AFM)和摩擦力显微镜(FFM)等先进的仪
艺技术和方法正在或已经渗透到摩擦学研究领域,形成交叉发展,相 互促进,甚至形成新的学科生长点,其中最突出的就是表面工程。
应用表面涂层技术,尤其是应用物理气相沉积(PVD)、化学气相 沉积(CVD)和离子注入技术都已获得明显的减摩和耐磨效果。极薄
的 Ti N ,Ti和AlN 等Ti涂BN层均已应用于金属切削工具和大型挖掘
1998,3:66~68 3 杨德华,薛群基,张绪寿.磨损图研究的发展现状与趋势,摩擦学学报,
1995,lS(3):281~288 4 曹占义,张有,孙大仁,刘勇兵.磨损图研究的方法与进展.摩攘学学
报,1997,17(2):185~192 5 雒建武,温诗铸.薄膜润滑进展与问题.摩擦学进展,1999,4(3/4):9~20 6 聂时春,张酮伟,王洪波,高芒来.原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展.
学处理和等离子喷涂技术。近年来,更重视复合表面技术的开发,如 复合陶瓷涂层—渗氮钢体系和复合DLC涂层氧扩散处理钛体系等新 技术。
此外,在涂层的摩擦、磨损和润滑机理方面的研究也取得了一 些进展,如模拟涂层中具有微观滑动的摩擦接触状态,用分子动力学 模拟方法研究沉积DLC涂层的摩擦学特性。
三、摩擦学新领域的研究呈上升势头
器设备,观测相对运动的固体表面原子间的作用力以研究摩擦的起因;研究了
在高真空( 107 P)条a件下,粘着和摩擦的化学效应;研究了磁流体、磁粉
第二章 摩擦学概论(共84张PPT)
擦。
❖ 自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋 转时的摩擦。
3. 按外表润滑状态分类：
干摩擦：两外表之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。 边界摩擦：边界膜隔开相对运动外表时的摩擦。 流体摩擦：以流体层隔开相对运动外表时的摩擦，即由流体的粘性
阻力或流变阻力引起的摩擦。
混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。
第二章 摩擦学概论
第一节 物体外表的性质 任何摩擦外表都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成 。外表几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和 润滑起着决定性影响，因此，了解和研究外表形貌及其参数 是十分有必要的。 一、物体的外表
物体的外表总是凹凸不平的。外表粗糙度是表示外表凹凸 不平的程度，外表愈粗糙，实际接触面积愈小，单位面积压力愈 大，要求油膜厚度愈大。反之．粗糙度愈小，实际接触面积愈大 ，单位面积压力愈小，要求油膜厚度也就可以小一些。
〔7〕如果硬外表不是静止的，而是相对于静外表运动的 ，那么硬外表将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实 现。
五、影响摩擦的因素
1．润滑条件
在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑 的外表摩擦因数为0.3～0.5；而在液体动压润滑的外表上摩擦 因数为0.001～0.01。
2．外表氧化膜
在一般情况下，由于外表氧化膜的塑性和机械强度比金属 材料差，在摩擦过程中，膜先被破坏，金属外表不易发生粘着 ，使摩擦因数降低，磨损减少。纯洁金属材料的摩擦副不存在 外表氧化膜，摩擦因数都较高。在摩擦外表上涂上铟、镉、铅 等软金属，能有效地降低摩性，其 接触也同样具有离散性。
〔2〕实际接触点是由塑性变形和弹性 变形共同作用的结果。
〔3〕实际接触面积随载荷的增大而 增大，接触点处的平均面积几乎保 持不变。
❖ 自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋 转时的摩擦。
3. 按外表润滑状态分类：
干摩擦：两外表之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。 边界摩擦：边界膜隔开相对运动外表时的摩擦。 流体摩擦：以流体层隔开相对运动外表时的摩擦，即由流体的粘性
阻力或流变阻力引起的摩擦。
混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。
第二章 摩擦学概论
第一节 物体外表的性质 任何摩擦外表都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成 。外表几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和 润滑起着决定性影响，因此，了解和研究外表形貌及其参数 是十分有必要的。 一、物体的外表
物体的外表总是凹凸不平的。外表粗糙度是表示外表凹凸 不平的程度，外表愈粗糙，实际接触面积愈小，单位面积压力愈 大，要求油膜厚度愈大。反之．粗糙度愈小，实际接触面积愈大 ，单位面积压力愈小，要求油膜厚度也就可以小一些。
〔7〕如果硬外表不是静止的，而是相对于静外表运动的 ，那么硬外表将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实 现。
五、影响摩擦的因素
1．润滑条件
在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑 的外表摩擦因数为0.3～0.5；而在液体动压润滑的外表上摩擦 因数为0.001～0.01。
2．外表氧化膜
在一般情况下，由于外表氧化膜的塑性和机械强度比金属 材料差，在摩擦过程中，膜先被破坏，金属外表不易发生粘着 ，使摩擦因数降低，磨损减少。纯洁金属材料的摩擦副不存在 外表氧化膜，摩擦因数都较高。在摩擦外表上涂上铟、镉、铅 等软金属，能有效地降低摩性，其 接触也同样具有离散性。
〔2〕实际接触点是由塑性变形和弹性 变形共同作用的结果。
〔3〕实际接触面积随载荷的增大而 增大，接触点处的平均面积几乎保 持不变。
材料摩擦磨损ppt课件
“金属皂膜”不仅有较低的切变强度，相对说来 也有比较高的熔点。
例如，硬脂酸的熔点是69℃，而这种金属
皂膜的熔点约为120℃。因此，这种化学吸附膜
作为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中
等滑动速度下使用。
精选课件ppt
30
硬脂酸化学吸附
吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂
膜”
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31
化学反应
物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的
速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。
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26
表面化学反应
表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成 了一种新的化合物。这时无论是吸附质还是吸附剂的特 性都发生了根本变化。
金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多 缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化 也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。
E(r)4ab12b6 r r
ＱP 表示吸附能（吸附热），r0 中吸附分子在平
衡时离开表面的距离 。
精选课件ppt
24
化学吸附
化学吸附，在吸附剂和吸附 物的原子或分子间发生电子 的转移，改变了吸附分子的 结构。
按照吸附过程中电子转移 的程度，化学吸附还可以 分为，离子吸附和化学键 吸附。在化学吸附中，吸 附剂和吸附物分子或原子 之间的作用力，主要是静 电库仑力。
面缺由陷于：界晶面体特的殊缺的陷结若构主和要界是面沿能二量维，方使向得伸界展面开有来许， 而多在与另晶体一内维部方不向同上的的性尺质寸。变例化如相，对界地面甚的小扩，散则、称界为面面 缺吸陷附。、界各面种腐界蚀面、如界晶面体与表位面错、的晶相界互、作亚用晶等界，及并相对界材等 都料是的面机缺械陷性，能它（们强通度常、只韧有性一）个以至及几对个变原形子、层再厚结。晶和 相变过程等都有重要影响。
例如，硬脂酸的熔点是69℃，而这种金属
皂膜的熔点约为120℃。因此，这种化学吸附膜
作为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中
等滑动速度下使用。
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30
硬脂酸化学吸附
吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂
膜”
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31
化学反应
物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的
速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。
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26
表面化学反应
表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成 了一种新的化合物。这时无论是吸附质还是吸附剂的特 性都发生了根本变化。
金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多 缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化 也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。
E(r)4ab12b6 r r
ＱP 表示吸附能（吸附热），r0 中吸附分子在平
衡时离开表面的距离 。
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24
化学吸附
化学吸附，在吸附剂和吸附 物的原子或分子间发生电子 的转移，改变了吸附分子的 结构。
按照吸附过程中电子转移 的程度，化学吸附还可以 分为，离子吸附和化学键 吸附。在化学吸附中，吸 附剂和吸附物分子或原子 之间的作用力，主要是静 电库仑力。
面缺由陷于：界晶面体特的殊缺的陷结若构主和要界是面沿能二量维，方使向得伸界展面开有来许， 而多在与另晶体一内维部方不向同上的的性尺质寸。变例化如相，对界地面甚的小扩，散则、称界为面面 缺吸陷附。、界各面种腐界蚀面、如界晶面体与表位面错、的晶相界互、作亚用晶等界，及并相对界材等 都料是的面机缺械陷性，能它（们强通度常、只韧有性一）个以至及几对个变原形子、层再厚结。晶和 相变过程等都有重要影响。
摩擦学设计ppt课件
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
摩擦学设计是以摩擦、磨损及润滑理论为基础，从系统工程观点 出发，通过一系列计算与经验类比分析，来预测并排除可能发生的故 障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损耗和经济的稳 定磨损率。
2. 摩擦的分类
摩擦可以按以下不同的方式来分类。
1)按摩擦副的运动状态分类
按摩擦副的运动状态分类，摩擦可分为：静摩擦和动摩擦。 (1)静摩擦：两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表面之间 的外摩擦。其摩擦力称静摩擦力。 静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏 观位移前的摩擦力极限。 (2)动摩擦：两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻 碍物体运动的切向力叫动摩擦力。 动摩擦力通常小于静摩擦力。
11.1 摩擦学设计概述
摩擦学（Tribology）是近40 年来发展起来的一门新的边缘学科。 它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩擦表 面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。 摩擦是现象，磨损是摩擦的结果，润滑是降低摩擦、减少磨损的重 要措施。因此，摩擦、磨损与润滑三者有着十分密切的关系。
11.2 金属表面的摩擦和磨损
11.2.1 金属表面特性
机械设备的工作表面大多都是采用金属制作的。而摩擦学研究 的对象是作相对运动、相互作用的表面，所以了解金属表面的特性 是解决摩擦学问题的基础知识之一。
金属表面的特性，主要包括金属表面的形貌、表面的结构组成 以及表面的接触。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
摩擦学前沿
第二章 流体润滑工程
2.1 弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑：是广泛存在于高副接触的 零部件中的一种润滑状态，其中润滑油膜形成 机制源自流体动压效应、接触表面的弹性变形 和润滑油粘压特性的共同作用。
第二章 流体润滑工程
弹性流体润滑技术的成果 1、数值弹流的研究 2、热弹流流体动力润滑及热黏度楔效应 3、弹性流体润滑中的流变效应 4、计入微观形貌的弹性流体动力润滑研究 5、Kaneta凹陷油膜的理论分析 6、乏油弹流润滑的理论研究 7、弹性流体动压润滑实验技术
第一章 我国摩擦学研究的历史回顾
第三阶段——全面发展阶段 1——学术交流增多 2——成立学术组织 3——普及摩擦学知识，培养研究人才 4——设立研究项目，深入研究 5——应用于社会生产实践 6——取得可观成果
第二章 流体润滑工程
流体润滑——静压润滑、动压润滑 静压润滑：利用外部液压或者气动装置提供将 摩擦副表面接触表面隔开所需要的压力 动压润滑：单靠流体自身拥有的黏性和摩擦副 间相对运动产生流体压力与作用在摩擦副上的 外部载荷相平衡，起到减摩抗磨的作用
温诗铸
机械学专家。江西丰城人。1950年毕业于 重庆南开中学，1955年毕业于清华大学机 械制造系。清华大学精密仪器与机械学系 教授。长期从事润滑理论、摩擦磨损机理 与控制等方面的研究。提出了以完备数值 解为基础的弹流润滑理论，建立了工程中 有关弹流润滑问题的设计方法，导出了普 适性最高的润滑方程。提出以纳米膜厚为 特征的薄膜润滑状态，从理论与实验上论 证了纳米润滑状态的形成机理与形特征， 提出了弹流润滑、薄膜润滑、边界润滑三 者转化的关系及状态判别准则，并在纳米 尺度上揭示出材料的微摩擦磨损特性。在 粘塑性和粘弹性流变润滑理论、润滑膜失 效及屈服机理方面的研究取得重要进展。 在陶瓷涂层磨损机理研究与应用上也取得 重要成果。1999年当选中国科学院院士。
摩擦学汇报PPT
粘摩擦机理
表面粗糙度对摩擦系数的影响
(a)表示类金刚石镀膜硬盘与Mn-Zn的铁素体滑块之间产生弹性变形时的摩擦因数。随 着粗糙度的升高,摩擦因数的值减小。 (b)表示铜与铜在加载10N的情况下以0.1mm/s的速度滑动(铜与铜接触的塑性变形状 况,对于中等的粗糙度，事实上摩擦因数与粗糙度无关;随着真正接触的面积的增加,在低 粗糙度条件下,摩擦因数的值往往是变大。
摩 擦 系 数
载荷 钢于空气中在铝表面滑动
固体接触的摩擦
然而在材料表面有薄膜时，无论是有意所加，还是由于环境相互作用 而产生，载荷作用影响下的摩擦系数就不会再保持不变了。比如铜于空气 中在铜表面上滑动，在低载荷时，摩擦系数很低，而在载荷增大时 摩擦因 数增至更高数值。
摩 擦 系 数
载荷 铜于空气中在铜表面滑动
固体接触的摩擦
产生低摩擦的原因是： 铜在空气中易于氧化。因此，低载荷时，氧化膜有效地将两个金
属表面分隔，从而造成实际上很少的金属表面接触甚至没有。 但氧化膜的抗剪强度很低。在高载荷下，氧化膜被破坏，从而产
生密切的金属表面接触，这就导致了比较高的摩擦和表面损坏 。
固体接触的摩擦ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
木材于空气中在未润滑的钢表面滑动，其摩擦系数如图所示。载荷一定 而名义接触面面积的变化因子近250。由图可见，摩擦系数保持不变 。
金属的表面常覆盖有氧化膜、吸附气体膜及其它形式的污染薄膜。这些 表面膜的存在将对摩擦副的摩擦特性产生影响,而且会使摩擦系数发生变化。 金属和合金的摩擦因数除了受表面洁净度的影响之外,还与滑动速度、接触压 力、温度、大气环境以及相对湿度有很大关系。
而对于如橡胶之类有很光滑和洁净表面的软材料，摩擦系数则不会保持不 变。比如车辆轮胎在公路表面的摩擦系数会随轮胎宽度的增大而增大 。
摩擦学设计PPT之1-2章：绪论、固体表面特性
由此可以看出，在设计过程中重视和积极的对产品进行摩擦学设计具有
显著地经济效益和社会效益。
第二章 固体表面特性
由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触
表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对 机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握 摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有 着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的 特性进行学习和讨论。
影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到
多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分 析和运用。
1.3 摩擦学设计与摩擦学
1.1.3. 摩擦学设计与摩擦学
摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，具有很强的实践性。
从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需 要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促 进了摩擦学理论的形成和发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品 的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。
并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、 溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能 丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计 就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。
1.5 摩擦学设计的地位和作用
在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件
1.1.4 摩擦学的特点
从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点： (1)摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。摩擦、磨 损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、 热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。
显著地经济效益和社会效益。
第二章 固体表面特性
由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触
表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对 机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握 摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有 着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的 特性进行学习和讨论。
影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到
多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分 析和运用。
1.3 摩擦学设计与摩擦学
1.1.3. 摩擦学设计与摩擦学
摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，具有很强的实践性。
从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需 要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促 进了摩擦学理论的形成和发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品 的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。
并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、 溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能 丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计 就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。
1.5 摩擦学设计的地位和作用
在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件
1.1.4 摩擦学的特点
从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点： (1)摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。摩擦、磨 损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、 热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。
摩擦学ppt
对于尺寸在毫米以下甚至毫微米级范围的微 型机械，如可清除血管内壁沉积物的微型机器人 等，此时表面效应非常明显，摩擦则是重要的因 素之一。 在通讯卫星中，天线需要精确的定位机构和 展开机构，要求轴承扭矩在7—10年内不变，经过 107 次循环使用后精度不变，此时必须研制新型 润滑剂以减少微观尺度的摩擦力和磨损的变化。
纳米摩擦学研究方法
（1）现代表面分析方法 纳米摩擦学的实验广泛应用表面力仪 (SFA)和扫描探针技术．包括扫描隧道显微 镜 (STM)，原子力显微镜(AFM)和激光检 测摩擦力显微镜(FFM)。它们用于测量原 子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行 为．在微磨损、微划痕、纳米磨损与超精 加工以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨 大的作用。
2．表面形态与混合润滑理论
摩擦学现象发生在极薄的表面层， 因此对于摩擦表面形态的形成、变化 和作用的分析，将深化摩擦学机理研 究，并就改善使用性能寻求合理的表 面形态和工艺方法提供依据。研究内 容包括：表面形貌的表征及其摩擦学 效应，表面物理化学状态在摩擦、磨 损过程中的行为与变化等。
分析表明，工程中大多数摩擦表面是 处于混合润滑状态，即部分润滑膜与表面 粗糙峰点相接触同时存在。磨损的发生是 混合润滑状态的特性。 目前有关混合润滑的设计尚停留在半 经验阶段，因此建立工程适用的混合润滑 设计理论是当前急迫的任务。这一领域的 研究集中在：部分膜润滑和微观弹流润滑 理论，各类润滑膜的失效准则和润滑状态 转化过程，粗糙表面的接触分析与载荷分 配，混合润滑的模型化和定量化研究等。
3．磨损形成机理及其控制
研究目的在于了解磨损形成过程、变化及其影响因 素，从而寻求提高耐磨性和控制磨损的措施。工程中的 磨损现象多种多样，根据形成机理可归纳为：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、化学腐蚀磨损等基本类型。实际 机械中的磨损大多是几种磨损类型同时发生，因此磨损 研究必须强调针对性，即密切结合各种典型零件的具体 工况条件进行分析研究，在累积数据的基础上，建立磨 损机理以及抗磨损设计方法与对策． 实际零件的磨损经历着复杂的过程，涉及因素很多， 包括工况参数、材料与表面形态、润滑与环境介质的作 用等的影响。因此，磨损研究还应强调运用多学科的综 合研究和系统工程分析的方法。
摩擦学设计PPT之第6章：摩擦学系统分析
是
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图6-4 摩擦学系统系统分析的步骤
6.4.摩擦学系统的系统分析
• 首先是用摩擦学系统符号画出方案的摩擦学系统框图。这 种图能定性地描述元素、子系统之间的相互关系和在系统 中分析中所要考虑的各种影响因素。在系统框图形成之后， 参照图6—3 所给的分析步骤进行分析。 • 摩擦学系统分析过程总的概括起来有以下四个主要步骤： • ①目标系统的分析与选定； • ②系统的模型化；
• ③系统最优化；
• ④对解的评价。
6.4.摩擦学系统的系统分析
• 在分析时应注意下面几个方面的问题：
• 迄今为止，还不能给出一个普遍接受的大系统的分析方法。 然而，对于只含两表面和润滑剂的摩擦学系统，其摩擦学 行为在很多方面已经有比较成熟的模型。在系统分析时， 常常先从这些部分开始。
• 在简单系统的分析中，要考虑各个元素或子系统之间力的 传递，物质、能量和信息的流动。对于各个子系统而言， 它们是子系统的输入和输出；对于大系统而言，则是反映 各个子系统之间行为的耦合。
摩擦学设计
第六章 摩擦学系统分析 Analysis of Triboligical System
6.1.摩擦学系统
• 一、摩擦学系统的定义
• 1、系统 • 定义：系统是指相互之间具有有机联系、相互作用、相互依赖的若干组 成部分（可以是环节、元素或部件）结合而成，并具有特定功能的有机 整体。 • 系统有大有小、有繁有简。系统具有集合性、相关性、阶层性、整体性、 目的性和环境适应性。 • 从不同的观点和不同的角度可把系统分为：自然系统与人工系统、实体 系统与概念系统、闭式系统和开式系统、静态系统和动态系统、确定系 统和离散系统等等。 • 2、摩擦学系统 • 根据摩擦学和系统的概念，可将摩擦学系统定义如下： • 摩擦学系统是由具有特定功能的机械系统或其他自然系统抽象而成的、 由摩擦学元素构成的、用以研究摩擦学元素的行为结果的系统。
摩擦及摩擦理论课件(分析“摩擦”文档)共86张PPT
定律四：摩擦系数与滑动速度无关。
擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些，则硬表面的粗糙 的现象，但无法解释经过精密研
犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为主要分量。 古典摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。
微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟，这种犁沟的阻力也是 润滑油分子受化学键力的作用，而贴附到金属表面上，就形成了化学吸附膜。
着理论大得多的摩擦系数值, 也更接近于实际。
较高的温度（150℃-200℃）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属起化学反应，形成化合物，在油与金属界面处形成化学反应膜。
摩擦力。即 是具有长度的量纲，它相当于在滚子即将滚动时，法向约束力FN的作用线偏移滚子最低点的最大距离，即xmax。
曲线3为含有极压添加剂的润滑油，化学反应前摩擦系数较高，达到反应温度后，摩擦系数保持稳定的低值； 晶态材料的晶格排列：不同材料或不同晶体结构的材料组成的摩擦副比相同材料或相同晶体结构的材料组成的摩擦副摩擦系数低得多。
(2)粘着理论基本要点：
摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占 名义面积很小部分，接触点处应力达到受压 屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不 再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加 的载荷。
滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程: 接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬 时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强 的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被 剪切产生滑动。这样滑动摩擦就是粘着结点 的形成和剪切交替发生的过程。
F = T + Pe = Aτb + Spe (1) 其中，T为剪切力，T=A τb，A
为粘着面积即实际接触面积；
τb为粘着结点的剪切强度。 Pe 为犁沟力, Pe = Spe；
擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些，则硬表面的粗糙 的现象，但无法解释经过精密研
犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为主要分量。 古典摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。
微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟，这种犁沟的阻力也是 润滑油分子受化学键力的作用，而贴附到金属表面上，就形成了化学吸附膜。
着理论大得多的摩擦系数值, 也更接近于实际。
较高的温度（150℃-200℃）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属起化学反应，形成化合物，在油与金属界面处形成化学反应膜。
摩擦力。即 是具有长度的量纲，它相当于在滚子即将滚动时，法向约束力FN的作用线偏移滚子最低点的最大距离，即xmax。
曲线3为含有极压添加剂的润滑油，化学反应前摩擦系数较高，达到反应温度后，摩擦系数保持稳定的低值； 晶态材料的晶格排列：不同材料或不同晶体结构的材料组成的摩擦副比相同材料或相同晶体结构的材料组成的摩擦副摩擦系数低得多。
(2)粘着理论基本要点：
摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占 名义面积很小部分，接触点处应力达到受压 屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不 再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加 的载荷。
滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程: 接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬 时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强 的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被 剪切产生滑动。这样滑动摩擦就是粘着结点 的形成和剪切交替发生的过程。
F = T + Pe = Aτb + Spe (1) 其中，T为剪切力，T=A τb，A
为粘着面积即实际接触面积；
τb为粘着结点的剪切强度。 Pe 为犁沟力, Pe = Spe；
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➢ 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
破裂 起泡 角质化与起茧 汗毛与汗腺的破坏
28
人工关节实的磨损例后果
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
29
针对摩损的研实究之一—例—材料配副
UHMWPE 陶瓷
金属——金属
表面处理
30
实例
陶瓷-陶瓷人工关节
31
人工骨
人工关节
32
指关节假体 肩关节假体
肘关节 假体
✓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 。
15
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。
MEMS器件失效分类
Micro-gyro
Digital Micromirror Device
Nanotractor(2004)
1、无相对运动的微构件
2、有相对运动，无碰撞、 3、有相对运动，相互碰
磨损的微构件
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
18
核电站
19
核电站
20
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。
24
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。
4
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，而泄露 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 物可降解性、较小的生态毒性和毒性 累计性。
5
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。
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
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
Micro-sensor
21
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。
22
摩擦学的发展前沿
23
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 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。
➢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。
12
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。
－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
42
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
7
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。
8
飞行高度<8 nm 磁摩头擦/磁学盘的制发造展中前沿纳米级运动控 控制精度<2 nm 的科学技术问题 制问题
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
1
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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 的主要途径。
43
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 。
16
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；
17
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 元件的包壳材料锆合金的辐照损伤问题。
腕关节 假体
踝关节假体 大脚趾关节假体
义齿
34
实例 人工心脏瓣膜
35
实例 人工心脏
36
人造实血管及例支架
37
实例
人工肺
38
隐形眼镜
39
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
40
仿鲨鱼皮泳装
41
我国摩擦学研究进展及成果
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， 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。
11
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；
25
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
26
人体摩擦学涉及范围
27
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：
2
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％。
3
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 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、……
✓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。
13
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
斯贝(FWS9)
10A
直9和直11
PL系列