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。
纳米摩擦学的应用
要提高磁记录密度，就必须开发新型分子级超薄 保护层和润滑层，LB膜具有优异的减摩耐磨性能， 在这一领域得到了应用。但对其作用机理还不很了 解，通过表面修饰改进MoS2超微粒复合LB膜的摩擦 学性能取得进展，有望成为新一代润滑材料。 大规模集成电路的制造需要洁净的环境，排除由 轴承摩擦磨损而产生的尺寸在10nm以上的尘埃。尘 埃产生于轴承表面的损坏，此时可通过表面改性或 修饰，以减小轴承表面的摩擦、降低磨损。
四、摩擦学问题的三个特点

摩擦学第一特点——摩擦学行为具有系 统依赖性。发生在相对运动、相互作用 表面和表面间的各种行为是摩擦学研究 的内容，统称为摩擦学行为。表面的相 对运动、相互作用是这些行为的原因， 而行为的结果则是人们看到的各种与摩 擦学有关的现象。摩擦学行为的内容十 分复杂
系统依赖性
是指简单系统 (见图1-1)以及由简 单系统所构成的任 何更为复杂的系统 （见图1-2 ）,其行 为已不能由任何一 个构成它的元素来 实现。
（2）分子动力学模拟
分子动力学计算机模拟是进行原子、 分子量级计算和材料性质研究的一种新型 工具。它是由统计物理学衍生的分析方法， 具有沟通宏观与微观的作用。其基本原理 是建立一个粒子系统进行模拟研究对象和 材料，通过数值方法计算系统中所有粒子 的运动规律，再由统计平均得到该系统的 宏观性质和行为。
7．纳米摩擦学问题
本世纪九十年代，学术界明确提出了微观 摩擦学和纳米摩擦学的概念，然而在研究对象和 研究方法上两者并无不同。 纳米摩擦学旨在原子、分子和纳米尺度下 研究摩擦界面之间的摩擦、磨损与粘着行为及机 理，设计与制备纳米尺度上的润滑剂和分子级超 薄润滑膜，利用LB膜技术、AFM或FFM等现代 表面分析技术揭示边界润滑剂的作用机理，并用 计算机进行分子动力学模拟，即建立一个包含大 量粒子的离散系统，建立数学和物理模型来模拟 摩擦界面现象．
以下几方面：
1、流体润滑与弹性流体动力润滑理论及其应用
2、表面形态与混合润滑理论
3、磨损形成机理及其控制
4、摩擦副材料与表面工程 5、新型润滑剂、添加剂与摩擦化学 6、微观摩擦学研究 7、纳米摩擦学问题 8、特殊条件下的摩擦学问题
1、流体润滑与弹性流体动力润滑理论及其应用
随着大容量发电机组，核电站，化工 冶金设备和高新技术的发展，高工况参数 的滑动轴承已成为关键问题。为此，考虑 热变形和弹性变形等实际因素的轴承润滑 设计：高速轴承的动态特性及系统稳定性 分析，超层流和湍流润滑理论，变工况参 数与特殊介质(如液态金属、电磁流体、稀 薄气体、液晶及多相流体)中工作的轴承设 计等已成为流体润滑理论的重要研究课题。
摩擦学是一门古老而又年轻的科学。 有人认为摩擦学就是摩擦、磨损或润滑； 也有人认为摩擦学可以看成是摩擦加磨损 加润滑。但这些观点并不确切。摩擦学继 承了已有几千年历史的关于摩擦、磨损和 润滑的实践和研究的全部成果，并根据当 前科学与技术发展的态势和对未来的预见， 赋予自身更丰富的新的内涵。
二、摩擦学的发展
鉴于摩擦学问题广泛存在，工程科学 中的摩擦学，就如自然科学中的物理学、 化学一样重要。但是与物理学和化学相比， 摩擦学还远未发展成熟。当务之急，是要 研究并形成与摩擦学的定义和性质相适应 的可以支持自身独立发展的理论体系和方 法体系。
三、摩擦学研究内容
现代科学技术和生产规模化的迅速发展对摩擦 学研究提出了更加紧迫的要求，主要表现在：
第一章 序言--对象与任务
什么是摩擦学？ 摩擦学的发展 摩擦学研究内容 摩擦学问题的3个特点

一、什么是摩擦学？ Tribology : The science and
technology concerned with interacting surfaces in relative motion, including friction, lubrication, wear, erosion and system.
1、机械产品的低能耗、长寿命和高可靠性日益成为 市场竞争的主要指标。国际公认，现代机械产品如 不进行摩擦学设计必然要丧失市场竞争能力。
2、随着生产力的发展，机械产品的工作参数不断 提高，高速度、重载荷、高精密度和自动化机械中 的摩擦磨损问题日益突出。
为适应高新技术的发展，特殊功能和 特殊条件下工作的机械以及新材料的涌现， 提出了许多亟待解决的摩擦学问题，根据 我国现实状况和本学科的发展，当前摩擦 学研究的主要内容可归纳为以下几方面：

以上都需要从纳米摩擦学的角度进行研究。
8．特殊条件下的摩擦学问题
为了适应核工业、航天技术、海洋工程及 其它高新技术的发展，在特殊条件下的摩擦学 研究已经取得重大进展，包括高低温、真空、 辐射或腐蚀介质中的磨损与润滑问题。 此外，磁性存储装臵的摩擦与润滑，带电 条件下的磨损问题，以及生物工程中的人工关 节和心脏瓣膜的研究也是现代摩擦学研究的重 要领域。
摩 擦 学
Tribology
讲课内容：






第一章 序言--对象与任务 第二章 固体表面性质以及表面的统计学特征 第三章 粗造固体表面间的相互接触过程 第四章 材料的摩擦过程 第五章 材料的磨损过程 第六章 摩擦学材料 第七章 边界摩擦 第八章 流体动力润滑 第九章 摩擦学系统 第十章 弹性体的摩擦
5、新型润滑剂、添加剂与摩擦化学
在摩擦学系统中，润滑材料作为第三要素在摩擦 过程中的物理化学作用日益突出，发展新型润滑剂和 使用少量添加剂以提高润滑性能是摩擦学研究的重要 途径。 在边界润滑状态下，摩擦化学研究尤为重要。例 如，润滑剂、添加剂的组成结构及其对吸附膜，化学 反应膜、转移膜的形成和特性的影响，各种边界膜的 润滑机理与失效判据，高效能添加剂和复合添加剂的 研制等都有待于深入研究。 为了适用于特殊工况条件，应注意研究合成润滑 剂、固体润滑剂或自润滑材料、水基合成润滑剂以及 其它润滑材料。
6、微观摩擦学研究
早在十九世纪中叶就有人试图从原子、 分子水平上揭示摩擦过程的本质，然而直 到原子力显微镜和摩擦力显微镜问世之后 的本世纪八十年代，学术界才明确提出了 微观摩擦学这个概念。微观摩擦学在基础 研究方面首先是从边界润滑之研究提出的， 而在应用方面则是从磁头—盘之润滑提出 的。
在研究方法上主要是原子力显微镜、 LB （langmuir-blodget ）膜技术、表面力 装臵、石英晶体微量天平、红外、电子能 谱和计算机分子动力学模拟等．目前，微 观摩擦学主要应用于高密度磁纪录介质的 摩擦学研究，同时还应用于微型机械和大 规模集成电路的制造，以及微观摩擦、粘 着与磨损行为的基础研究等方面。
作为摩擦学的前身，人类运用摩擦、磨损、
润滑方面知识的记载，可以追溯到公元前3000多
年。然而发展成为Tribology还是1966年的事，中
译Tribology为“摩擦学”，在1ibology代替Lubrication的地
位，始于1984年，日本则更晚。
摩擦学的概念源于1966年英国的Peter Jost完成的调查报告。此后各种在摩擦学基 础上产生的应用技术有了长足的发展，而摩 擦学本身却有渐渐被淡忘的趋势，许多文献 中所说的摩擦学对国民经济的天文数字的贡 献或潜在贡献主要立足于其应用方面，而忽 视了其基础方面发展的停滞。
以点线接触副诸如齿轮、滚动轴承等为对象的 弹性流体动力润滑理论已取得重大进展，当前 的研究目标集中在建立综合考虑实际因素的润 滑理论，包括热效应、非稳态工况、润滑剂的 流变特性以及表面粗糙度的影响。此外，高速 重载齿轮、蜗杆传动、滚动轴承、凸轮机构及 其它复杂异向曲面接触副的润滑分析，结构参 数的优化设计等问题的研究也具有重要意义。 随着新型添加剂的广泛应用和机械工况参 数的提高，润滑剂的非牛顿性的影响日益突出， 流变润滑理论已成为重要的研究方向，包括润 滑剂的流变特性参数及本构关系研究，以非线 性本构方程为基础的润滑理论及其应用。
4．摩擦副材料与表面工程
摩擦副材料可分为摩阻材料、减磨材料和耐磨材料。 通过研究材料在摩擦过程中物理化学性质和组织结构变 化，揭示材料及表面膜的减磨耐磨机理，以探索发展新 材料的途径。近来人们注意研究非金属材料和复合材料 的性能及其应用，并取得重大进展。 现代摩擦学技术强调运用工程涂层和表面强化技术使 金属材料表面改性，以获得超过材料基体摩擦学性能， 因而提出表面工程这一概念。最普遍的表面涂层工艺是 化学气相沉积法(CVD)和等离子气相沉积法(PVD)．在表 面处理技术方面，有使金属表面冶金结构变化的热技术 法和使表面合金成分变化的热化学法。常用的表面处理 方法有：激渗、等离子氮化硼化、离子注入等。
目前已经能够利用某些模型．如嵌入 原子模型(Embedded—atom Model)和蒙 特长罗模型(Monte Karlo)等，计算材料表 面区域中原子间的相互作用．仿真相对运 动表面间的粘着、材料转移、电子转移和 相转移等行为，探索磨损的起因和边界润 滑剂分子的运动机理．由于微观尺度上的 摩擦磨损试验研究有时难以实现，而分子 动力学模拟在某种程度上则可以突破试验 研究的极限。但是，有一些结论仍需作进 一步的完善与证实。
图1-1
图1-2
摩擦学第二特点—— 摩擦学元素特性的时间依赖性。
与构成构件的材料相比,构成摩擦副的任何 一个元素的材料承受更为严酷的载荷：在非常 小的尺度范围内(表面不平)传递与构件整体所 传递的相同的载荷，载荷密度极大；传递是在 异构表面间实现的，不同于在同一材料内部的 传递；同时存在相对运动，加剧了载荷的作用； 而相对运动产生的高温则从物理和化学方面推 动了变化的过程,如图1-3所示.