摩擦学发展前沿ppt课件
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－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
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
Biblioteka Baidu32
指关节假体 肩关节假体
肘关节 假体
➢ 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。
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
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。
6
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）
➢ 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
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
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：
✓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。
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。
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；
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
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。
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 的主要途径。
✓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
14
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。
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、……
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
➢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。
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。
44
Thanks for attention!
45
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
➢ 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
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
Biblioteka Baidu32
指关节假体 肩关节假体
肘关节 假体
➢ 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。
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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。
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
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。
6
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）
➢ 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
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
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：
✓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。
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。
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；
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
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。
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 的主要途径。
✓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
14
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。
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、……
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
➢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。
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。
44
Thanks for attention!
45
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