摩擦学研究领域的进展和发展趋势

摩擦学领域的研究进展和发展趋势

李久盛

（中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州730060）

摘要：对近年来摩擦学研究领域的相关文献进行了调研、汇总和分析，主要涉及的内容有：对摩擦学发展趋势的预测和分析，摩擦化学研究的新方法、新理论和新仪器，边界润滑下不同类型添加剂的作用机理等。在此基础上，结合油品发展趋势对摩擦学今后的关注点进行了总结和展望。

关键词：摩擦学；边界润滑；极压抗磨剂；摩擦化学反应

StatusandDevelopTrendsofTribologyResearchField

LIJiu-sheng

(PetroChinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute,Lanzhou,730060) Abstract:Inthispaper,,newmethods,theoryandanalyzerfortribochemicalstudies ,,thedeveloptrendsoftribologyfieldweresummarizedandpreviewed. KeyWords:Tribology;Boundarylubrication;EP/AWAdditive;TribochemicalReact ion

摩擦学((tribology)是一门研究相对运动的表面及相关行为的技术科学，包括研究摩擦、磨损和润滑。摩擦化学是摩擦学的一个重要分支，是化学与摩擦学的一个交叉学科，主要研究相对运动中的表面所发生的化学及物理化学变化。摩擦化学主要涉及两大摩擦领域：干摩擦状态下的摩擦化学及润滑状态下的摩擦化学。干摩擦指相对运动的两个界面间没有油脂或其它润滑液存在的摩擦状态；而油润滑则是指相对运动的界面完全浸于油脂中或界面有一层油脂润滑膜的摩擦状态。

摩擦化学与热化学有一定的差异，摩擦化学往往是在机械能、热能、电能等共

同作用下产生的化学变化，它与相对运动的摩擦表面所产生的各种物理与化学效应直接相关，并且由磨损而引起的表面晶格缺陷和金属新生面对化学反应还具有催化作用，有时还可以激发某些反应的发生。

摩擦化学具体来说，就是对添加剂在摩擦过程中的作用机理进行研究，这对于提高添加剂开发工作的目的性具有十分重要的意义。在本文中，对近年来国际摩擦学界有关摩擦化学的文章进行了调研，并结合自身的工作需要，选择其中具有代表性的文献进行了整理，希望可以为以后的研发工作提供方法借鉴和理论指导。

一、摩擦学研究发展趋势的预测

2001年，HughSpikes[1]发表了关于21世纪摩擦学研究预测的文章，对摩擦学基础研究在本世纪最初50年所面临的挑战进行了分析和讨论，并对其发展趋势进行了预测。基于对摩擦学现在的发展趋势、研究状态、科技支撑条件和现实需求的分析，Hugh认为本世纪头12年，摩擦学基础研究的发展趋势主要集中于5个领域：模型和模拟、薄层润滑、节能技术、表面的最优化设计和智能系统等。

模型化和模拟方法

20世纪40年代，计算技术的限制使得科学家只能通过大量的计算对摩擦过程中有限流体动力学进行简单的研究；60年代，大型主机的出现促进了流体热力学和流体弹性动力学等温线的研究，并在60年底中期扩展到弹性动力学线接触的热力学研究；70年代，进一步深入到弹性动力学点接触的等温线研究；80年代，计算机技术的发展解决了等温线、光滑表面和弹性动力学等问题，热力学、点接触、粗糙表面和高负荷下的摩擦接触受到了关注，分子动力学开始用来对简单的碳氢化合物进行模拟；90年代中，解决了粗糙表面上的2维弹性流体接触[2]和厚层/薄层膜润滑的分子动力学模拟[3,4]。图1是2个狭窄表面相对运动时不同油膜厚度的十六烷

的模拟[4]，图2是典型粗糙表面运动接触下的油膜厚度预测[5]。

图 1 剧烈碰撞下运动表面十六烷的分子动力学模拟

图 2 弹性流体接触下粗糙表面油膜厚度的计算机模拟计算机模型除了得益于计算机技术的力量，还在运算规则如多栅格化处理、真实模拟等方面取得了进展。具体来说，高度精确和复杂的数学模型和模拟方法将在摩擦学得到更大的应用。到2012年，高速台式计算机将用于研究运动粗糙表面、热力学和非牛顿流体，能够对混合弹性流体力学/边界润滑过程中的接触压力、膜厚和摩擦进行预测；分子动力学模拟将更加强大，可以在台式计算机根据润滑剂的分子结构来预测其粘度和可压缩性等性质；现在所进行的关于摩擦固体表面的疲劳磨损研究，会在原子或者更大的个体单元范围内得到深化。

模型化的一个重要领域是复杂摩擦学体系如发动机或传动系统等的运行状态模拟，包括接触应力、温度、动力学和流体效应等体系中相关问题的研究，以及机械运转对润滑剂和摩擦表面造成的累积损害。这一研究的最终目的是为了建立有效的试验手段来代替耗时昂贵的发动机或者齿轮箱台架试验。表1列出了摩擦学在模型化和模拟方法领域有可能取得的成就。

表1摩擦学模型化和模拟方法涉及领域

2维弹性流体和混合膜所包含的热力学、非牛顿流体和粗糙表面等的研究

润滑剂的分子动力学模拟

混合润滑的分子模型

摩擦过程中固体发生接触和滑动时的原子/单元反应模型

多面或多体接触的模拟

累积损害模型

机械润滑的过程模拟，如内燃机油的抗磨表现

薄层润滑过程的研究

对于摩擦过程的物理本质和化学过程的理解，是建立有效的计算机模型的前提，实验摩擦学在未来12年的一个主要作用就是要对摩擦过程中的物理本质和化

学现象进行研究，而对薄层润滑膜和混合边界润滑膜的研究，就是其中一个关键领域。

薄层润滑之所以引起越来越多的重视，主要是因为现代社会对节能提出了更高的要求，使机械部件向小型化和大功率密度发展，而润滑油的选择也趋向低粘度级别油品，这两个趋势都要求减小润滑膜的厚度[6]。信息存储系统的发展，进一步使得摩擦副之间的润滑层减小到只有几个纳米的厚度[7]。

图 3 冲击后表面和粗糙表面润滑膜厚度分布

薄层润滑的研究在过去的10年中取得了相当大的进展，主要集中在2个方面：一是实验手段如力平衡仪器和超薄膜干涉测量的发展和应用[8]，最新的进展就是间隔层成像系统的发明，使得能够对粗糙表面的润滑膜厚度进行描绘[9]，可以深入考察微观弹性流体动力润滑行为和基础油、添加剂的摩擦学性能。图3利用这一技术对经过撞击的表面和真实粗糙表面分别进行了润滑膜厚度分布表征。

第二个重要的进展是新型高灵敏度的表面分析仪器的发明，如高分辨率发射电子显微镜（HRTEM）、和X-射线精细结构分析仪（XANES）等，这就可以对摩擦表面反应膜的化学结构信息进行深入细致的研究。图4显示的是利用HRTEM对油溶性有

。机钼润滑下的磨斑表面进行了表征，证明了确实存在1～2分子厚度的薄片状MoS

2图 4 有机钼润滑下磨斑表面的HRTEM表征图像

边界润滑和混合润滑下的薄层研究发展速度很可能非常迅速。在这个过程中，一些需要用实验去验证的关键问题有：

1）润滑剂所形成超薄膜的流变学性质；

2）重负荷接触下液/固界面上的滑动范围；

3）极压抗磨剂形成反应膜的动力学过程以及润滑膜的物理性质；

4）凹凸不平的表面直接接触时基础油和反应膜的作用行为；