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。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。例如，在流体润滑研究中采用数值分析方法，已经建立了分别考虑摩擦表面弹性形变、热效应、表面形貌、润滑膜流变性能以及非稳态工况等实际因素影响，甚至于诸多因素综合影响的润滑理论，为机械零件的润滑设计提供了更加符合实际的理论基础。今后的任务是将润滑理论有效地应用于工程设计，其中对于某些机械零件诸如齿轮蜗轮传动的实际接触情况复杂，工作中润滑参数又不断变化，它们的润滑设计还需要进一步完善。

混合润滑是实际机械中存在的最为普遍而又最为复杂的状态，随着微观弹流润滑和粗糙表面润滑数值模拟研究的发展，使得建立完备的混合润滑理论并应用于工程设计成为可能。混合润滑的特征之一是伴随磨损过程，即润滑与磨损的耦合。今后，在进一步完善真实粗糙表面润滑行为的模拟计算的基础上，新的研究目标可能在于揭示摩擦过程中润滑机制与其他过程如热效应、接触形态及磨损现象的交叉作用和相互影响。对于这一方面的研究，计算机数值模拟仍然是大有可为的。

现代机械的运行速度和载荷不断提高，使得润滑膜的剪切率和压力日益增大。同时，为改善润滑油性能，通常要添加大量的由高分子化合物组成的添加剂，以及其他类型润滑剂的应用，这都造成润滑膜强烈的非牛顿行为，并成为影响润滑设计的不可忽视的因素。为此，人们根据试验测量提出了多种类型的润滑膜流变模型及其本构方程，同时还揭示出高压固化、剪切稀化、相变和极限切应力等一系列重要的物理特性及其对润滑行为的影响。

近年来，基于粘塑性和粘弹性流变模型的润滑理论得到较大的发展。根据粘塑性润滑理论分析了极限切应力对于润滑膜的作用，得出在高剪切率下由于润滑膜屈服在润滑膜内部或界面上出现滑移进而丧失了承载能力。在粘弹性流体润滑研究中，根据固体表面的变形情况，揭示出表面产生磨损的条件。应当指出，流变润滑研究还需要进行深入的理论分析和大量的试验研究。首先，迄今所提出的流变模型大多是根据特定的润滑材料和工况得出的，因而适用范围局限，而本构方程中的流变参数还缺乏准确的实验数据。现有的本构方程大都采用简单的代数式，近来有人试图用更复杂的微分式来表征润滑膜的流变行为。此外，非牛顿流体润滑的数值分析也还不尽完备。

90年代初提出的薄膜润滑状态是润滑研究的新领域。Dowson指出，由于润滑设计和加工技术的不断完善，流体润滑膜的厚度日益减小。他总结出润滑膜厚数量级的变化趋势为：在20世纪初，普通滑动轴承的最小膜厚通常在10～100微米范围；到了50年代，稳态滑动轴承的膜厚为10微米；而80年代内燃机滑动轴承的最小膜厚减小到1～10微米，对于齿轮、滚动轴承等弹性流体动力润滑膜的厚度更小，为0 1～1 0微米；发展到90年代，低弹性模量表面或磁记录装置润滑以及塑性流体动力润滑的膜厚则介于0 01～0 10微米甚至0 001微米(即1

纳米)数量级，这种润滑状态通常被称为薄膜润滑。

Spikes等以及作者领导的研究组采用不同的光干涉技术对点接触副的纳米量级润滑薄膜的性能进行了系统的试验研究。研究指出，以纳米膜厚为特征的薄膜润滑是介于弹流润滑与边界润滑之间的状态。通常认为，弹流润滑以粘性流体膜为特征，它服从连续介质力学的规律，而边界润滑以润滑剂分子有序排列的吸附膜为特征，以表面物理化学为研究基础。显然，作为中间状态的薄膜润滑兼有流体膜和吸附膜的特点，因而润滑机理复杂。

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。有关薄膜润滑的形成机理和结构特征，包括在表面能作用下润滑膜分子有序化及其影响、膜厚与润滑剂物理性能的相关性以及润滑状态转换等问题都需要通过试验研究进一步考察。在数值模拟方面，还需要建立符合纳米润滑膜结构特点的物理模型与计算方法，以适应工程应用中薄膜润滑设计的需要。经典连续介质力学的基本假设是材料具有连续分布的密度，所有的守恒定律对于材料内部任一部分均成立，而任一点的状态仅与该点无限小的邻域有关，因此在材料的本构关系中不出现特征长度，即不考虑材料内部的微观结构。如果所研究对象的特征尺寸远大于材料内部结构的特征尺寸，经典连续介质力学将是有效的。然而，在薄膜润滑状态下，润滑膜极薄仅包含十几个或几十个润滑剂分子尺寸，而且分子排列有序。显然，对于薄膜润滑状态，当今流体润滑理论