9摩擦学发展前沿

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
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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。
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
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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）
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
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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；
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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 元件的包壳材料锆合金的辐照损伤问题。
✓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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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
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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。
➢ 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。
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 的主要途径。
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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。
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摩擦学的发展前沿
✓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
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。
➢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。
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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。
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百度文库
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 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
➢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 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