摩擦学：从微观奥秘到工程难题
Tribology: From the Mysteries at the Microscale
to Engineering Problems
摩擦学主要是研究相互作用、相互运动表面间的摩擦、磨损和润滑规律及其控制技术的学科。统计资料显示，摩擦消耗掉全世界1/3的一次能源，磨损致使约60%的机器零部件失效，而且50%以上的机械装备恶性事故都起源于润滑失效和过度磨损。摩擦学研究是事关国民经济发展的重要领域。另外，摩擦学对人类文明的进步也起到了巨大作用，原始社会燧人摩擦取火（钻木取火）标志着人类开始走向文明。公元前9000年出现滑橇，公元前4600年中国出现以滚动摩擦替代滑动摩擦的车等使人类摆脱了原始生活模式。特别是与摩擦学密切相关的轴承的发明，催生了现代工业的发展。这些都是摩擦学对人类文明发展的贡献。随着人类进一步向高速化、绿色化、深远化发展，对摩擦学提出了许多新的挑战，如何从微观入手，探索摩擦学最为本质的机制，为解决工程摩擦学难题提供新的途径、方法和技术成为当今摩擦世界的主流。
1.摩擦学发展历程
1)摩擦理论研究
真正对摩擦进行定量的研究，始于15世纪欧洲的文艺复兴时期。达·芬奇使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量出水平和斜面上物体间的摩擦力。达·芬奇还研究了摩擦面间有润滑油和其他介质时对摩擦的影响。遗憾的是，达·芬奇对摩擦的研究工作，当时并没有发表。他的手稿直到1967年才被发现，其摩擦相关著作和设计图才被人们所知。
最早对摩擦现象做出科学研究的是法国物理学家阿孟顿(G. Amontons)。1699年他写道：“如果假设两平行滑动表面的摩擦力随接触面积的增加而增加，那是不正确的。实验表明，摩擦力随负载的增大而增大。”在Amontons向法国科学院报告时，这一结论引起了人们的惊奇和质问。欧拉（L. Euler）在1750年用数学形式表示Amontons的实验结果，即F=fN。这个公式通常称为库仑摩擦定律[1]，因为对摩擦现象进行系统研究的是18世纪法国物理学家库仑(C.A. de Coulomb)。他在大量实验后，建立了以微突体变形为基础的古典摩擦定律。英国物理学家德萨古利斯（J.T. Desagaliers）提出了“黏着学说”，即产生摩擦力的真正原因在于摩擦表面上存在着分子（或原子）力的作用。1939年苏联学者克拉盖尔斯基以摩擦力二重性为依据，统一了分子论和凹凸学说，建立了摩擦分子机械论。19世纪50年代，Bowden与Tabor[2]经过系统的实验研究，建立了较完善的黏着摩擦理论，对于现代摩擦学理论具有重要的意义。从1986年开始，纳米摩擦研究兴起，摩擦研究进入新的范畴。
现代摩擦研究在探索无磨损摩擦(wearless friction)、近零摩擦或超滑(near-frictionless or superlubricity)、原子尺度摩擦(atomic-scale friction)、摩擦起源等，希望从根本上探索摩擦机制和控制摩擦的方法。
2）润滑理论研究
润滑作为摩擦学的核心组成部分，也经历了数千年的发展。早在春秋时代的《诗经》中，就有羊脂润滑车轴的描述。润滑理论发展至今，逐步形成了由全流体膜到干接触的润滑理论体系，即随着润滑膜厚度的减薄，润滑状态经历以下过程：流体润滑[3]、弹流润滑[4]、薄膜润滑[5]、边界润滑[6]、干摩擦。在实际中，往往几种润滑状态共存，统称为混合润滑[7,8]。
流体润滑是1886年Reynolds[3]建立的以流体动力学为基础的润滑状态，它为设计滑动轴承奠定了理论基础，并推动了轴承工业的快速发展。
边界润滑的概念是由Hardy等[6]于1922年提出的，即界面单分子吸附层的润滑作用。边界润滑说明了润滑剂分子化学结构在润滑过程的重要性。为了阐明润滑分子的作用机制和边界润滑的失效机理，相继出现了Bowden模型、Adamson模型、Kingsbury模型、Cammeron模型、鹅卵石(Cobblestone)模型，极大地丰富了边界润滑理论研究。
传统的流体润滑理论不适宜于点、线等高副接触状态。1949年由苏联学者Grubin和Vinogradova[4]提出了弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论。但弹流润滑的真正迅速发展得益于Dowson等[9,10]利用计算机技术发展起来的数值计算方法。在20世纪70~80年代，世界上众多的摩擦学家投入该领域研究，相继发展出线接触问题完全数值解、点接触问题完全数值解、微弹流润滑、界面滑移与极限剪应力理论等。弹流润滑理论比较完善地考虑了点、线接触区的弹性变形，润滑液的黏压效应、热效应等。中国学者温诗铸、朱东、胡元中、杨沛然、黄平等对完善弹流润滑理论做出了贡献。弹流润滑理论进一步完善了以流体力学和弹性力学为基础的润滑理论，同时为解决球轴承、滚子轴承等点、线接触轴承的设计提供了理论指导。
但是，弹流润滑如何转化为边界润滑以及过渡状态的物理本质是润滑理论上的重大遗留问题。雒建斌、温诗铸等[5,11]于1994至1996年间提出的薄膜润滑填补了这一空白。其主要得益于纳米测量技术和纳米流变技术的迅速发展。雒建斌等提出了诱导有序层是薄膜润滑的主要特征；建立了弹流润滑与薄膜润滑的转化关系以及薄膜润滑的失效准则；提出了薄膜润滑的物理模型和新的润滑状态划分准则。郭峰等[12]对薄膜润滑的界面滑移问题取得了很好的实验结果。同时，在模拟方面，胡元中等[13]用分子动力学模拟的方法研究了薄膜润滑的流变特性，揭示出近壁面液体分子密度迅速增加等现象，其模拟结果与实验结果取得了比较一致的效果。
实际运行过程中，往往不是一种润滑状态独立存在，而可能有几种不同润滑状态共存，因此出现了混合润滑状态。它是由德国摩擦学家Stribeck等[7,8]根据摩擦系数随转速、黏度和压力的变化提出的，是描述不同的润滑状态共存时的状态。因此，在不同的混合润滑阶段，其性能差异非常巨大。决定混合润滑性能的一个关键因子是接触率。对混合润滑研究做出贡献的学者有很多，其中包括郑绪云的部分弹流润滑理论、J. Greenwood的接触模型、K.L. Johnson的平均膜厚模型、朱东和胡元中的混合润滑完全数值解。另外，雒建斌等通过实验方法建立了接触率与压力、速度、黏度、摩擦副弹性模量和表面综合粗糙度的关系。
虽然润滑理论体系已经完成，但是对润滑的研究并未终止，目前已进入润滑性能与分子结构的关系、超滑、绿色润滑、微量润滑、超低黏度润滑、苛刻工况（高速、高温、高压、腐蚀环境等）润滑等方面的研究。
3）磨损与表面工程
磨损是摩擦学的重要分支，是指相互接触的物体在相对运动中其表面材料不断损伤、几何尺寸持续变小的过程[14]。磨损伴随摩擦产生，是摩擦学研究的重要内容之一，同时它也是零部件失效的一种基本形式。磨损导致的失效占机械零件失效的60%~80%。磨损一般由物体间的机械作用、物理作用和化学作用引起[15]。
因为磨损发生在接触面的表层，减少零部件磨损最有效的方法一方面是改善表面间的润滑效果，减少固体接触从而减少磨损，另一方面是改善固体表面层品质，提高其耐磨性。这种获得所需表面性能的系统工程称为表面工程[16]，其于1983年由T. Bell首次提出。表面工程技术大致可分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类[16]。
2.现代摩擦学主要研究方向
随着高科技飞速发展，对摩擦学的要求也迅速提高，如近零摩擦、近零磨损、高温润滑、超低温润滑、强腐蚀环境润滑。要突破这些技术上的新要求，首先需要在摩擦机理和润滑机制上实现突破。另外，测量技术的不断突破，为从本质上讨论摩擦、润滑和磨损提供了可能。因此，摩擦学已进入一个新的爆发性突破的前夜。目前，主要研究热点集中在以下几个方面。
1）摩擦起源与超滑
摩擦起源与超滑[17]是国际摩擦学研究的热点。摩擦现象是由摩擦副材料及界面的跨尺度特性共同决定的，微观分子、原子尺度的作用以及宏观材料的力学特性和工况条件共同决定着摩擦学行为。因此，摩擦机理的全面揭示需要建立跨尺度的物理模型。超滑是摩擦系数趋近于零的特殊状态。工程上目前将摩擦系数小于0.01的润滑状态称为超滑[17]。超滑可以分为固体超滑（含结构超滑）[18,19]和液体超滑[20-22]，其机理与摩擦起源密切相关。目前国际上许多学者从原子、分子的角度研究摩擦的规律和现象，在单晶二维材料层间超滑性能、无定形碳薄膜的超低摩擦现象、新的液体超滑体系（磷酸体系、生物液体、酸与多羟基醇混合溶液）、摩擦发射、摩擦发电、摩擦控制等方面取得了重要进展。
目前有待解决的难题如下：
（1）摩擦起源；
（2）超滑机制；
（3）磨损预测；
（4）摩擦系数的精确预测；
（5）摩擦量子理论与摩擦自旋电子学问题；
（6）跨尺度（微观/介观/宏观）摩擦学理论；
（7）摩擦诱发材料结构演变问题；
（8）摩擦发射的机制；
（9）润滑中的界面滑移问题；
（10）薄膜润滑分子行为的探测。
2）生物摩擦学与仿生摩擦学
生物摩擦学（bio-tribology）于20世纪70年代由Dowson提出[23]，主要研究关节润滑、心脏瓣膜、血管流动、人造视网膜、人工心脏、牙齿等摩擦磨损问题。最早讨论关节润滑的是Rgynolds[3]，但并未开展研究。第一个从事关节润滑研究的是MacConaill[24]，他根据关节结构，提出了关节流体动压润滑模型。Jones[25]是早期开展关节润滑实验研究的学者，证明了关节润滑黏性阻尼现象。关节润滑的流体动力润滑理论维持了数十年，Charnley[26]用真人关节摆动实验证明其润滑更倾向于边界润滑。Unsworth等[27]用实验证明关节润滑根据其运行次数和载荷大小的不同，可以处于边界润滑、全膜润滑或混合润滑三种状态。到了20世纪80~90年代，人工关节迅速发展，特别是超大分力量聚乙烯（UHMWPE）[28]在人工关节上的使用，其具有的无毒、密度小、耐磨、抗腐蚀、抗冲击、自润滑等特点使人工关节成为可能。到了21世纪初，关节水合润滑概念的提出，为探索关节润滑本质起到了很好的作用[29]。近年来，口腔摩擦学、皮肤摩擦学、眼睛摩擦学、血管摩擦学、胸膜摩擦学、脚下摩擦学等的发展，大幅度扩展了生物摩擦学的范畴。
仿生摩擦学是与生物摩擦学密切相关的领域，近20年发展非常迅速。它是以向自然界学习为核心，针对生物系统的减摩、抗黏附、增摩、抗磨损及高效润滑机理开展研究和学习，制造出仿生结构与器件，如仿荷叶自清洁表面、仿壁虎吸附与脱附表面、肠道探测机器药丸、仿鲨鱼减阻表面、仿蜣螂体表的非光滑防黏着表面等。
目前有待解决的难题包括：
（1）长寿命硬体人工关节材料的设计准则；
（2）超低摩擦与磨损关节材料的改性方法；
（3）磨损微粒毒副作用的药物抑制机理；
（4）人工关节中金属纳米磨屑的腐蚀机制；
（5）人体天然牙结构与摩擦学性能的构性关系；
（6）牙齿的损伤与自我修复机制；
（7）不同皮肤层的各向异性力学性能及其对摩擦行为的影响；
（8）人体软组织的润滑机理；
（9）新一代人工关节的设计准则；
（10）具有增摩、高黏附和易脱附特性的新型仿生材料的发掘。
3）绿色摩擦学
绿色摩擦学（green tribology）的概念由张嗣伟提出[30]，Jost在第四届世界摩擦学大会上进行了宣讲。绿色润滑，即环境友好润滑，是20余年来润滑剂研究的核心，也是当代摩擦学的主流发展方向之一[31,32]。随着制造业和生态文明发展的迫切需求，环境污染问题已经成为世界各国关注的焦点。绿色摩擦学的典型研究为研发矿物润滑油的替代品，如不含硫、磷等的抗极压添加剂、纳米颗粒添加剂、水基润滑、微量润滑、油气混合润滑。
目前有待解决的难题包括：
（1）分子结构与润滑性能之间的关系；
（2）固-液复合润滑规律；
（3）绿色极压添加剂；
（4）微量润滑机理；
（5）油气混合微量润滑规律与控制技术；
（6）全水基润滑分子的设计与制备；
（7）难加工材料的高效润滑方法；
（8）绿色离子液体；
（9）液体中纳米颗粒运动规律与表征；
（10）超分子凝胶润滑剂。
4）极端工况摩擦学
极端工况包括高速、真空、高温、高压、强氧化、强腐蚀等。在高速飞行器、深海探测、高铁、能源等领域均涉及极端工况问题。
在航空航天摩擦学方面，高速、真空、高温、强氧化的苛刻环境条件非常突出，然而对运动副的性能、寿命、可靠性要求又非常高。在航天领域，由于真空环境的要求，MoS2、DLC等固体润滑剂应用比较多。同时，挥发性很低的润滑液也是研发的主体。例如，引入了氟、氯等元素改性的硅油空间液体润滑剂[33]，以及具有极高热稳定性和蒸发损失性能的液体（如PFPE、x1-P和离子液体）[34-36]。PFPE和x1-P早期应用于硬盘的磁头与磁盘表面间的润滑，1998~ 2001年，杨明楚等[35]研究了x1-P的摩擦学性能及其在硬盘磁头表面的润滑特性。2001年，刘为民等[36]在室温离子液体的摩擦学性能研究方面取得重要进展。另外，如何解决高压、高温下的润滑失效问题也非常重要。ZDDP的成功研制，为解决发动机的润滑问题起到了巨大作用。但是，由于ZDDP含有磷、硫等环境有害元素，研制绿色抗极压添加剂成为一个难题。
海洋运输船舶、潜艇/潜器、水下机器人、海底采矿装备、海底油气开发设备、海洋结构物等相关设施都处于高盐、高压、低温、腐蚀以及生物污损等多元苛刻海洋环境中，服役性能受到了极大关注，其摩擦学问题越来越突出。模拟苛刻海洋环境条件，研究关键部件的摩擦磨损机理和特性也是重要的研究任务。
在高铁领域，运行速度不断提高，在我国商用的轮轨式高铁速度已经达到了350km/h，属于全球最高速度。目前正在研究500km/h以上的高速列车。也有学者在研究速度600km/h以上的磁悬浮列车和1000km/h的真空管道列车。在轮轨式高铁中，轮轨关系，特别是表面污染物、列车速度、轮轨表面粗糙度、载重等对轮轨黏着特性的影响非常重要，高速列车车外噪声主要来自轮轨的噪声[37]。
能源装备中的高载荷、高温、颗粒磨损、腐蚀环境等使得工件的磨损较一般工况严重，表面强化与减摩耐磨技术至关重要。核电等能源装备中润滑、密封等摩擦副在核辐射作用下的失效问题非常重要。煤炭、风电等大型能源装备中轴承、齿轮等摩擦副的重载、变温等苛刻工况和高湿、高盐、高颗粒污染等使用环境的影响值得研究。
目前有待解决的难题包括：
（1）极端工况下的多场耦合作用材料损伤行为和机理；
（2）摩擦学系统的状态检测方法；
（3）空间、超高真空、高低温、射线辐照等空间环境模拟实验重构；
（4）地基实验与空间运动部件实际润滑效果及寿命的相关性；
（5）宽温域润滑材料的设计方法；
（6）核辐射环境下的摩擦磨损问题；
（7）离子液体摩擦学；
（8）材料表面的原子尺度去除机制；
（9）表面纳米化的结构特征和微观机理；
（10）钢轨/车轮波浪形磨损机理与预防。
5）智能润滑
发展摩擦副的智能监测、微纳传感和反馈控制技术，为实现润滑系统智能诊断、智能修复、自适应调整、智能存储奠定基础。探索具有修复剂/润滑剂储存-释放功能的智能润滑材料的设计和制备方法，发展环境适应（高低温、海洋、沙漠等）具有自修复、自存储、自诊断等功能的智能摩擦副。
目前有待解决的难题包括：
（1）现役机器摩擦学系统状态的在线辨识；
（2）自修复摩擦副设计原理；
（3）自存储、自感知润滑胶囊；
（4）自诊断、自修复摩擦系统的设计与实现。
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撰稿人：雒建斌 解国新
清华大学