摩擦学硏究的进展与趋势 、引言 摩擦学是一门与机械表面界面科学密切相关的学科,它主要研究相对运动表面之间 的摩擦、磨损和润滑规律及其控制技术。它涉及传统机楲加工、交通运输、航空航天、海 洋、化工、生物工程等诸多工业领域。统计资料显示,摩擦消耗掉全世界约13的一次能 源,磨损致使大约60%的机器零部件失效,而且50%以上的机械裝备恶性事故都起源于 润滑失效或过度磨损。欧美发达国家每年因摩擦、磨损造成的经济损失占其国民生产总 值(GNP)的2%~7%,而在工业生产中应用摩擦学知识和研究成果可以节约的费用占 GNP的1.0%~1.4%m。我国已经成为制造大国,但远不是制造强国,在生产与制造过 程中对资源和能源的浪费严重,单位国内生产总值(GDP)能耗约为日本的8倍,欧盟的 4倍,世界平均水平的22倍,若按GDP的5%计算,2014年我国摩擦、磨损造成的损失 达31800亿元,因此,开发和应用先进摩擦与润滑技术实现能源与资源节约的潜力巨大。 另外,机械产品中的摩擦界面除了起到传递运动和能量的作用,还可具备防腐、减阻、吸 声等特殊功能,对机楲系统的效率、精度、可靠性和寿命等性能具有重要的甚至是决定性 的作用。摩擦学理论与技术可用于改善机械系统工作效率、延长使用寿命、减少事故发 生,为解决人类社会发展面临的能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康冋题提供有效的解 决方案。 人类很早就在生活和生产实践中应用摩擦与润滑技术,而对摩擦规律的科学探索也已 有数百年的历史(2。早在15世纪,意大利的列奧纳多·达·芬奇就开始对摩擦学理论进 行探索,1785年法国摩擦学及物理学家库仑提岀干摩擦的机楲啮合理论,英囯的鲍登等 人于1950年提出了黏着摩擦理论。关于润滑,英国人雷诺于1886年根据前人观察到的流 体动压现象,总结出流体动压润滑的基本理论,其后相继发展出了边界润滑(1921年)
3 摩擦学研究的进展与趋势 一、引言 摩擦学是一门与机械表面界面科学密切相关的学科，它主要研究相对运动表面之间 的摩擦、磨损和润滑规律及其控制技术。它涉及传统机械加工、交通运输、航空航天、海 洋、化工、生物工程等诸多工业领域。统计资料显示，摩擦消耗掉全世界约 1/3 的一次能 源，磨损致使大约 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 润滑失效或过度磨损。欧美发达国家每年因摩擦、磨损造成的经济损失占其国民生产总 值（GNP）的 2% ～ 7%，而在工业生产中应用摩擦学知识和研究成果可以节约的费用占 GNP 的 1.0% ～ 1.4%［1］。我国已经成为制造大国，但远不是制造强国，在生产与制造过 程中对资源和能源的浪费严重，单位国内生产总值（GDP）能耗约为日本的 8 倍，欧盟的 4 倍，世界平均水平的 2.2 倍，若按 GDP 的 5% 计算，2014 年我国摩擦、磨损造成的损失 达 31800 亿元，因此，开发和应用先进摩擦与润滑技术实现能源与资源节约的潜力巨大。 另外，机械产品中的摩擦界面除了起到传递运动和能量的作用，还可具备防腐、减阻、吸 声等特殊功能，对机械系统的效率、精度、可靠性和寿命等性能具有重要的甚至是决定性 的作用。摩擦学理论与技术可用于改善机械系统工作效率、延长使用寿命、减少事故发 生，为解决人类社会发展面临的能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康问题提供有效的解 决方案。 人类很早就在生活和生产实践中应用摩擦与润滑技术，而对摩擦规律的科学探索也已 有数百年的历史［2］。早在 15 世纪，意大利的列奥纳多·达·芬奇就开始对摩擦学理论进 行探索，1785 年法国摩擦学及物理学家库仑提出干摩擦的机械啮合理论，英国的鲍登等 人于 1950 年提出了黏着摩擦理论。关于润滑，英国人雷诺于 1886 年根据前人观察到的流 体动压现象，总结出流体动压润滑的基本理论，其后相继发展出了边界润滑（1921 年）
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学 弹性流体动力润滑(1949年)和薄膜润滑(1990年)理论。鉴于摩擦、磨损与润滑的硏 究进展和在工业中的广泛应用及重要地位,1966年英国的H. Peter Jost首次提出“摩擦学” 这一术语,将其定义为“研究相对运动表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系 的理论与应用的一门边缘学科”。对摩擦的研究主要是揭示摩擦力的起源及其能量耗散规 律等基本的物理过程及机理。对材料磨损的硏究旨在揭示材料去除机制以及影响因素,进 而建立物理模型和数学描述,以及寻求润滑、表面处理等技术,以减少摩擦和控制磨损 对国民经济的发展具有重要意义。润滑是降低摩擦、减少或避免磨损的必要手段。研制和 正确使用润滑剂和润滑技术是大幅度提高机械效率、保证机械长期可靠地工作、节约能源 的最主要技术途径。为了生态环境的可持续发展,近年来摩擦学研究紧跟时代需要,以绿 色、高效、多功能作为润滑技术的发展新方向。随着研究从宏观向微观领域的不断深入, 表面效应和界面效应愈来愈突出,一方面为摩擦学基础理论和技术问题的突破提供了导向 作用,另一方面又催生出更为宽广的一个新的研究领域——机械表面界面科学。 随着我国从制造大国向制造强国的发展目标迈进,摩擦学专门知识对相关技术的指 导作用及其重要性愈加凸显。随着我国产业升级的发展,制造业、航空航天、地面交通运 输、能源、海洋、生物与仿生等不同工业领域对摩擦学技术提出了大量的迫切需求。特别 地,近年来,我国政府部门和科技界十分重视工业基础,即关键基础材料、核心基础零部 件/元器件、先进基础工艺和产业技术基础(简称“四基”)等能力薄弱的问题。2014年 1月,工业和信息化部向中国工程院发出“关于委托开展工业强基战略研究的函”,指出 基础能力不强是制约工业由大变强的主要瓶颈。摩擦学基础理论和技术的研究与“四基” 密切相关,比如轴承、齿轮、螺栓、密封件、刹车片等基础零部件虽然看似简单,但是 对其摩擦学机理及材料和生产技术的研究匮乏,严重制约了我国高端装备的升级换代与 性能提升。针对各行业对摩擦学需求的迅猛发展,本报告主要概述了近5年我国在摩擦 磨损与润滑基础理论研究以及在不同工业领域应用中取得的创新性和突破性研究进展, 通过对国内外研究进展进行对比,对今后摩擦学基础理论和应用技术的研究趋势进行了 展望 二、近年最新研究进展 (一)摩擦学基础理论 1.摩擦机理及控制 摩擦的起源与能量耗散杋制及其控制一直是摩擦学基础硏究的核心科学问题。黏着摩 擦理论认为摩擦力来自表面间微观真实接触处的黏着点或表面膜的剪切应力,摩擦二项式 中提出摩擦力由表面间机械作用和分子间作用力组成。从原子分子尺度来看,摩擦力主要 与摩擦界面在滑动过程中存在的能量积累和突然释放的非稳态过程相关,非稳态过程导致 原子振动并最终耗散为热。黏着和摩擦分别反映了接触界面发生相对运动时在法向和切向
4 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 弹性流体动力润滑（1949 年）和薄膜润滑（1990 年）理论。鉴于摩擦、磨损与润滑的研 究进展和在工业中的广泛应用及重要地位，1966 年英国的 H. Peter Jost 首次提出“摩擦学” 这一术语，将其定义为“研究相对运动表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系 的理论与应用的一门边缘学科”。对摩擦的研究主要是揭示摩擦力的起源及其能量耗散规 律等基本的物理过程及机理。对材料磨损的研究旨在揭示材料去除机制以及影响因素，进 而建立物理模型和数学描述，以及寻求润滑、表面处理等技术，以减少摩擦和控制磨损， 对国民经济的发展具有重要意义。润滑是降低摩擦、减少或避免磨损的必要手段。研制和 正确使用润滑剂和润滑技术是大幅度提高机械效率、保证机械长期可靠地工作、节约能源 的最主要技术途径。为了生态环境的可持续发展，近年来摩擦学研究紧跟时代需要，以绿 色、高效、多功能作为润滑技术的发展新方向。随着研究从宏观向微观领域的不断深入， 表面效应和界面效应愈来愈突出，一方面为摩擦学基础理论和技术问题的突破提供了导向 作用，另一方面又催生出更为宽广的一个新的研究领域——机械表面界面科学。 随着我国从制造大国向制造强国的发展目标迈进，摩擦学专门知识对相关技术的指 导作用及其重要性愈加凸显。随着我国产业升级的发展，制造业、航空航天、地面交通运 输、能源、海洋、生物与仿生等不同工业领域对摩擦学技术提出了大量的迫切需求。特别 地，近年来，我国政府部门和科技界十分重视工业基础，即关键基础材料、核心基础零部 件 / 元器件、先进基础工艺和产业技术基础（简称“四基”）等能力薄弱的问题。2014 年 1 月，工业和信息化部向中国工程院发出“关于委托开展工业强基战略研究的函”，指出 基础能力不强是制约工业由大变强的主要瓶颈。摩擦学基础理论和技术的研究与“四基” 密切相关，比如轴承、齿轮、螺栓、密封件、刹车片等基础零部件虽然看似简单，但是 对其摩擦学机理及材料和生产技术的研究匮乏，严重制约了我国高端装备的升级换代与 性能提升。针对各行业对摩擦学需求的迅猛发展，本报告主要概述了近 5 年我国在摩擦、 磨损与润滑基础理论研究以及在不同工业领域应用中取得的创新性和突破性研究进展， 通过对国内外研究进展进行对比，对今后摩擦学基础理论和应用技术的研究趋势进行了 展望。 二、近年最新研究进展 （一）摩擦学基础理论 1. 摩擦机理及控制 摩擦的起源与能量耗散机制及其控制一直是摩擦学基础研究的核心科学问题。黏着摩 擦理论认为摩擦力来自表面间微观真实接触处的黏着点或表面膜的剪切应力，摩擦二项式 中提出摩擦力由表面间机械作用和分子间作用力组成。从原子分子尺度来看，摩擦力主要 与摩擦界面在滑动过程中存在的能量积累和突然释放的非稳态过程相关，非稳态过程导致 原子振动并最终耗散为热。黏着和摩擦分别反映了接触界面发生相对运动时在法向和切向
综合报告 遇到的抗力。法向黏着迟滞与切向摩擦能量耗散往往存在着耦合关系。材料的摩擦学行为 是由摩擦副材料的跨尺度特性决定的,微观分子、原子尺度的接触和作用需要与宏观材料 的 结合,建立跨尺度多物理场模型,系统全面揭示宏观摩擦学现象与微观原子 分子尺度的表面界面作用的联系。微观界面的能量耗散最终导致了宏观摩擦中的热、力、 光、电磁辐射等现象。很多关于摩擦机理的研究都是围绕不同尺度下的摩擦表面之间的基 本行为和规律去展开的 (1)原子尺度摩擦和固体超滑机理 摩擦总是直接发生在两固体表面之间的原子、分子间的直接接触与分离过程中。常见 材料的摩擦通常伴随着磨损,导致固体表面的形貌异常变化,从而不容易开展分子原子量 级的摩擦机理的研究。为了对摩擦机理进行深入探讨,人们尽量寻找一些原子级光滑的表 面来进行研究,其中一些层状二维材料,如云母、石墨等是比较理想的选择 维层状材料是由二维材料(如单层石墨烯、MoS2、h-BN等)堆叠而成的材料体系 因其层间剪切强度低,可以作为良好的固体润滑材料。胡元中小组通过计算体系势能起伏 和任意滑移路径上的滑动能垒,获得了层间剪切强度,分别研究了石墨烯、氧化石墨烯 氟化石墨烯、MoS2层间摩擦机理。研究发现氧化石墨烯的静电吸引和氢键作用会导致较 大的层间摩擦力,而理想氟化石墨烯(化学计量比1:1)由于强电负性的氟原子之间具有 的静电排斥作用,从理论上可以获得层间较小的摩擦力3。此外,层间摩擦力并不取决 于界面电荷密度的绝对值,而是取决于滑动过程中的电荷密度涨落。当界面电荷呈现摩尔 纹形状分布时,滑动过程中电荷密度涨落显著降低,从而获得超滑状态卬。氟化非晶碳 基薄膜在高真空条件下摩擦过程中通常表现为瞬间磨损失效,迄今为止,这种磨损失效的 本质机制仍不清楚。王立平小组硏究表明高真空条件下塑性变形引起的接触界面间强黏着 是薄膜的主要失效机制。摩擦界面的C—一F键和C—C键对周围的应力场分布和化学环境 非常敏感,当施加应力或改变对偶材料的成键状态时,与摩擦密切相关的界面电荷分布发 生明显改变,导致界面C—F键和C—C键的键长和键能发生相应变化,从而影响界面的 稳定性和黏着相互作用5。 清华大学郑泉水小组、魏飞小组在厘米级石墨片间和双壁碳纳米管管壁之间(卷曲的 石墨烯层间)实现了超滑现象(6J。在研究中,他们制备了超长碳纳米管并用TO2纳米颗 粒进行标记和修饰,在光学显微镜和电子显微镜中分别进行了单根碳纳米管的操纵实验。 在光学显微镜下,用气流吹动碳纳米管,发现在气流的作用下双臂碳纳米管的内层被拔 出,气流减小后内层可以进行快速的回缩,这一实验结果预示了管壁之间可能存在超低的 摩擦力。进而在扫描电镜中,利用纳米硅悬臂对双壁碳纳米管内外层间摩擦力进行了精确 的测量,发现双壁碳纳米管内外层的层间摩擦力在纳米量级,摩擦力随着内层拔出长度没 有明显改变,并计算了内外层间的剪切强度在帕斯卡量级。与碳管或者石墨烯之间的固体 超滑类似,雒建斌小组将石墨烯涂到SiO2小球,然后与高取向石墨(HOPG)对摩,实现 了超滑(摩擦系数为0.002),胡元中小组和张俊彦小组分别都对类金刚石固体薄膜的超滑
综 合 报 告 5 遇到的抗力。法向黏着迟滞与切向摩擦能量耗散往往存在着耦合关系。材料的摩擦学行为 是由摩擦副材料的跨尺度特性决定的，微观分子、原子尺度的接触和作用需要与宏观材料 的力学特性结合，建立跨尺度多物理场模型，系统全面揭示宏观摩擦学现象与微观原子、 分子尺度的表面界面作用的联系。微观界面的能量耗散最终导致了宏观摩擦中的热、力、 光、电磁辐射等现象。很多关于摩擦机理的研究都是围绕不同尺度下的摩擦表面之间的基 本行为和规律去展开的。 （1）原子尺度摩擦和固体超滑机理 摩擦总是直接发生在两固体表面之间的原子、分子间的直接接触与分离过程中。常见 材料的摩擦通常伴随着磨损，导致固体表面的形貌异常变化，从而不容易开展分子原子量 级的摩擦机理的研究。为了对摩擦机理进行深入探讨，人们尽量寻找一些原子级光滑的表 面来进行研究，其中一些层状二维材料，如云母、石墨等是比较理想的选择。 二维层状材料是由二维材料（如单层石墨烯、MoS2、h-BN 等）堆叠而成的材料体系， 因其层间剪切强度低，可以作为良好的固体润滑材料。胡元中小组通过计算体系势能起伏 和任意滑移路径上的滑动能垒，获得了层间剪切强度，分别研究了石墨烯、氧化石墨烯、 氟化石墨烯、MoS2 层间摩擦机理。研究发现氧化石墨烯的静电吸引和氢键作用会导致较 大的层间摩擦力，而理想氟化石墨烯（化学计量比 1∶1）由于强电负性的氟原子之间具有 的静电排斥作用，从理论上可以获得层间较小的摩擦力［3］。此外，层间摩擦力并不取决 于界面电荷密度的绝对值，而是取决于滑动过程中的电荷密度涨落。当界面电荷呈现摩尔 纹形状分布时，滑动过程中电荷密度涨落显著降低，从而获得超滑状态［4］。氟化非晶碳 基薄膜在高真空条件下摩擦过程中通常表现为瞬间磨损失效，迄今为止，这种磨损失效的 本质机制仍不清楚。王立平小组研究表明高真空条件下塑性变形引起的接触界面间强黏着 是薄膜的主要失效机制。摩擦界面的 C— F 键和 C— C 键对周围的应力场分布和化学环境 非常敏感，当施加应力或改变对偶材料的成键状态时，与摩擦密切相关的界面电荷分布发 生明显改变，导致界面 C— F 键和 C— C 键的键长和键能发生相应变化，从而影响界面的 稳定性和黏着相互作用［5］。 清华大学郑泉水小组、魏飞小组在厘米级石墨片间和双壁碳纳米管管壁之间（卷曲的 石墨烯层间）实现了超滑现象［6］。在研究中，他们制备了超长碳纳米管并用 TiO2 纳米颗 粒进行标记和修饰，在光学显微镜和电子显微镜中分别进行了单根碳纳米管的操纵实验。 在光学显微镜下，用气流吹动碳纳米管，发现在气流的作用下双臂碳纳米管的内层被拔 出，气流减小后内层可以进行快速的回缩，这一实验结果预示了管壁之间可能存在超低的 摩擦力。进而在扫描电镜中，利用纳米硅悬臂对双壁碳纳米管内外层间摩擦力进行了精确 的测量，发现双壁碳纳米管内外层的层间摩擦力在纳米量级，摩擦力随着内层拔出长度没 有明显改变，并计算了内外层间的剪切强度在帕斯卡量级。与碳管或者石墨烯之间的固体 超滑类似，雒建斌小组将石墨烯涂到 SiO2 小球，然后与高取向石墨（HOPG）对摩，实现 了超滑（摩擦系数为 0.002），胡元中小组和张俊彦小组分别都对类金刚石固体薄膜的超滑
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 开展了理论和实验研究,丰富了对类金刚石剪切石墨化和表面钝化的超滑机理的理解。 (2)界面摩擦调控 摩擦现象无时无刻不存在于各种机械与人们日常生活中的相对运动表面之间。通常, 在确定摩擦与润滑材料之后,经过磨合,人们能得到一个相对稳定的摩擦系数。要对摩擦 力进行在线调控只能通过对法向载荷的调节来实现,而不能对摩擦系数进行调控。从材料 学角度来看,界面摩擦性能与两个接触界面之间相互作用强度有关,因此可以通过多种方 式控制两个接触界面之间相互作用强度,从而在一定程度上实现界面之间摩擦“主动”调 控。日前国内的研究人员在这方面已开展不少研究。 清华大学的孟永钢、田煜等人对摩擦的电磁场主动调控开展了长期研究,主要使用外 加电磁场强度控制微纳表面之间的电磁力作用强度,从而改变两相对运动表面之间的法向 和切向力作用强度。此外,通过控制导电摩擦副表面的电势来控制带电基团在固体表面的 吸附或脱附,从而改变固体表面的剪切强度,调控得到不同的边界润滑状态和摩擦系数。 除了深入研究基于水基润滑的电控摩擦机理,还针对有机溶剂和离子液体体系,使用不同 的离子液体(如1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([OMM]BF4)、1-辛基-3-甲基咪 唑六氟磷酸盐([oMIM]PF6)和1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([DMm]PF6),溶 解在碳酸丙烯酯中,对钢材质的球-盘摩擦主动控制开展了硏究,得到了电势依賴的摩擦 磨损行为,并可通过吸附的离子种类和表面浓度来解释相关现象。 中国科学院兰州化学物理研究所的周峰等人通过对固体表面修饰或无机/有机复合将 些响应性官能团引入固体表面或基体之中构筑各种响应性表面,通过施加外界刺激来改 变固-液界面水化程度、微观形貌、化学组成、界面电荷等,实现固体表面润湿、黏附和 摩擦的调控。通过将离子型单体接枝到固体表面,改变其亲疏水性实现了固-固界面摩擦 电解质调控,摩擦系数可以从极低(~0001)到极高(~1)连续调控φ。将温度敏感 单体(如N-异丙基丙烯酰胺)、酸碱敏感单体(含羧基、氨基官能团等)引入固体表面 (或聚合物基体中),通过改变外界温度或环境pH值来改变特征官能团的水化程度从而实 现摩擦系数的温度和酸碱度调控。通过改变接枝聚合物(或凝胶表面)在不同溶剂中的溶 胀程度,或多元聚合物在不同溶剂之中重组可以实现固体表面溶剂调控0。据此原理 将两种或多种响应聚合物单体引人聚合物基体之中可以实现双刺激或多刺激敏感表面,实 现了摩擦系数的多重调控1 通过外界刺激来改变界面摩擦系数,使得人们在不接触界面前提下可依据人的意志来 改变界面的润滑性能。这些摩擦可控的界面在智能机械系统中有广阔的应用前景 (3)微纳结构的黏/脱附控制机理 当固体结构尺寸减小到微纳米尺度,尺寸越小,表面力对微纳结构的黏附与摩擦行为 的影响越大。随着纳米技术与纳米制造的发展,纳米摩擦学在微纳机电系统以及生物与仿 生技术中的作用越来越大。除了人们通过现代纳米制造技术制造微纳米结构外,研究发现 自然界的壁虎、蚂蚁、蜜蜂、苍蝇、蜘蛛和蜥蜴等动物或昆虫的强黏附和摩擦的控制能力
6 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 开展了理论和实验研究，丰富了对类金刚石剪切石墨化和表面钝化的超滑机理的理解。 （2）界面摩擦调控 摩擦现象无时无刻不存在于各种机械与人们日常生活中的相对运动表面之间。通常， 在确定摩擦与润滑材料之后，经过磨合，人们能得到一个相对稳定的摩擦系数。要对摩擦 力进行在线调控只能通过对法向载荷的调节来实现，而不能对摩擦系数进行调控。从材料 学角度来看，界面摩擦性能与两个接触界面之间相互作用强度有关，因此可以通过多种方 式控制两个接触界面之间相互作用强度，从而在一定程度上实现界面之间摩擦“主动”调 控。目前国内的研究人员在这方面已开展不少研究。 清华大学的孟永钢、田煜等人对摩擦的电磁场主动调控开展了长期研究，主要使用外 加电磁场强度控制微纳表面之间的电磁力作用强度，从而改变两相对运动表面之间的法向 和切向力作用强度。此外，通过控制导电摩擦副表面的电势来控制带电基团在固体表面的 吸附或脱附，从而改变固体表面的剪切强度，调控得到不同的边界润滑状态和摩擦系数［7］。 除了深入研究基于水基润滑的电控摩擦机理，还针对有机溶剂和离子液体体系，使用不同 的离子液体（如 1- 辛基 -3- 甲基咪唑四氟硼酸盐（［OMIM］ BF 4）、1- 辛基 -3- 甲基咪 唑六氟磷酸盐（［OMIM］ PF 6）和 1- 癸基 -3- 甲基咪唑六氟磷酸盐（［DMIm］ PF 6），溶 解在碳酸丙烯酯中，对钢材质的球 - 盘摩擦主动控制开展了研究，得到了电势依赖的摩擦 磨损行为，并可通过吸附的离子种类和表面浓度来解释相关现象［8］。 中国科学院兰州化学物理研究所的周峰等人通过对固体表面修饰或无机 / 有机复合将 一些响应性官能团引入固体表面或基体之中构筑各种响应性表面，通过施加外界刺激来改 变固 - 液界面水化程度、微观形貌、化学组成、界面电荷等，实现固体表面润湿、黏附和 摩擦的调控。通过将离子型单体接枝到固体表面，改变其亲疏水性实现了固 - 固界面摩擦 电解质调控，摩擦系数可以从极低（～ 0.001）到极高（～ 1）连续调控［9］。将温度敏感 单体（如 N- 异丙基丙烯酰胺）、酸碱敏感单体（含羧基、氨基官能团等）引入固体表面 （或聚合物基体中），通过改变外界温度或环境 pH 值来改变特征官能团的水化程度从而实 现摩擦系数的温度和酸碱度调控。通过改变接枝聚合物（或凝胶表面）在不同溶剂中的溶 胀程度，或多元聚合物在不同溶剂之中重组可以实现固体表面溶剂调控［10］。据此原理， 将两种或多种响应聚合物单体引入聚合物基体之中可以实现双刺激或多刺激敏感表面，实 现了摩擦系数的多重调控［11］。 通过外界刺激来改变界面摩擦系数，使得人们在不接触界面前提下可依据人的意志来 改变界面的润滑性能。这些摩擦可控的界面在智能机械系统中有广阔的应用前景。 （3）微纳结构的黏 / 脱附控制机理 当固体结构尺寸减小到微纳米尺度，尺寸越小，表面力对微纳结构的黏附与摩擦行为 的影响越大。随着纳米技术与纳米制造的发展，纳米摩擦学在微纳机电系统以及生物与仿 生技术中的作用越来越大。除了人们通过现代纳米制造技术制造微纳米结构外，研究发现 自然界的壁虎、蚂蚁、蜜蜂、苍蝇、蜘蛛和蜥蜴等动物或昆虫的强黏附和摩擦的控制能力
综合报告 与它们足部的微纳米尺度的刚毛结构密切相关。与通常机械加工得到的粗糙表面可用球形 或者椭球等来近似描述微观的粗糙峰形状不同,在扫描电镜下观察壁虎脚趾刚毛的微观结 现其末端是纳米量级的铲状薄板结构。传统接触模型考虑的多为常见加工表面的粗糙 度,发展了考虑球/平面接触的 Johnson- Kendal- roberts(简称JKR)等模型,在这些模 型中主要考虑了不同表面之间作用势的分布情况,预测了脱附黏着力的大小,该力在不同 分离方向上是各向同性的。传统球/平面的接触模型不能解释生物体刚毛这样的各向异性 微纳结构的易脱附行为。 清华大学的田煜与国外合作,提出了同时考虑摩擦力和黏着力的薄板剥离模型 接触区域范德华力产生摩擦力,剥离区范德华力产生黏着力。壁虎通过脚趾卷λ和卷岀宏 观动作,和刚毛自身的弯曲结构,可调节对刚毛末端的铲状薄板结构的剥离角度。脚趾卷 入时对应小剥离角度和强黏着与摩擦,卷出时大剥离角度对应弱黏着与摩擦,从而可改变 摩擦力和黏着力三个数量级以上,实现强黏附和易脱附。这种分区域考虑微观黏着与摩擦 的模型也适用于其他微纳米结构的摩擦学行为的分析。根据黏着的剥离区域模型,提出了 通过调节表面背部基底刚度、倾斜微柱几何与力学参数去优化强黏附、易脱附性能的方 法,制备了末端带薄板结构的仿生表面,具有与天然壁虎刚毛类似的黏着与摩擦的各向异 性,并研制了可对平面结构进行垂直抓持与释放的夹持器原型,1。这些研究有助于深 入理解微纳米结构的黏着与摩擦来源及其耦合规律,并展示控制和利用微纳结构与表面间 的范德华力产生的黏着力的方法。 2材料磨损 对材料磨损的研究旨在揭示摩擦过程中的材料去除机制,以及寻求润滑和表面处理技 术控制摩擦和减少磨损。它对于国民经济的发展具有重要意义,不仅能够通过减摩降噪为 国家节约资源和能源,同时可为我国高端制造业的发展奠定技术基础。本小节着重介绍近 5年我国在材料磨损基础研究领域取得的重要进展,主要内容包括化学机械抛光( Chemical Mechanical polishing,C.MP)中的磨损、微观磨损、复合微动磨损、碳基薄膜磨损和载流磨 损5个方面。 (1)CMP抛光中的磨损 CMP是超大规模集成电路制造的关键工艺步骤之一,是同时实现晶圆局部及全局平 坦化的唯一手段。一直以来,超精密加工过程中产生的摩擦和磨损现象属于摩擦学研究领 域,同样,CMP过程中的材料去除机理也需要用摩擦与磨损理论解释。CMP受化学作用、 机械作用、热效应等各种因素的影响,过程极为复杂,到目前为止材料去除机理尚不完全 清楚。因此,对CMP过程中的摩擦、磨损与润滑现象进行研究,是揭示材料去除机理的 基础,也是提升CMP效率和质量的关键 清华大学雒建斌、路新春团队针对集成电路铜互连布线和新型阻挡层的CMP过程中 的润滑状态、摩擦化学行为和化学机械协同作用下的材料去除机理等关键问题开展了系统 研究,并取得了一定进展,具体包括:①研制出CMP过程中纳米颗粒运动观测系统[5
综 合 报 告 7 与它们足部的微纳米尺度的刚毛结构密切相关。与通常机械加工得到的粗糙表面可用球形 或者椭球等来近似描述微观的粗糙峰形状不同，在扫描电镜下观察壁虎脚趾刚毛的微观结 构发现其末端是纳米量级的铲状薄板结构。传统接触模型考虑的多为常见加工表面的粗糙 度，发展了考虑球 / 平面接触的 Johnson-Kendall-Roberts（简称 JKR）等模型，在这些模 型中主要考虑了不同表面之间作用势的分布情况，预测了脱附黏着力的大小，该力在不同 分离方向上是各向同性的。传统球 / 平面的接触模型不能解释生物体刚毛这样的各向异性 微纳结构的易脱附行为。 清华大学的田煜与国外合作，提出了同时考虑摩擦力和黏着力的薄板剥离模型［12］： 接触区域范德华力产生摩擦力，剥离区范德华力产生黏着力。壁虎通过脚趾卷入和卷出宏 观动作，和刚毛自身的弯曲结构，可调节对刚毛末端的铲状薄板结构的剥离角度。脚趾卷 入时对应小剥离角度和强黏着与摩擦，卷出时大剥离角度对应弱黏着与摩擦，从而可改变 摩擦力和黏着力三个数量级以上，实现强黏附和易脱附。这种分区域考虑微观黏着与摩擦 的模型也适用于其他微纳米结构的摩擦学行为的分析。根据黏着的剥离区域模型，提出了 通过调节表面背部基底刚度、倾斜微柱几何与力学参数去优化强黏附、易脱附性能的方 法，制备了末端带薄板结构的仿生表面，具有与天然壁虎刚毛类似的黏着与摩擦的各向异 性，并研制了可对平面结构进行垂直抓持与释放的夹持器原型［13，14］。这些研究有助于深 入理解微纳米结构的黏着与摩擦来源及其耦合规律，并展示控制和利用微纳结构与表面间 的范德华力产生的黏着力的方法。 2. 材料磨损 对材料磨损的研究旨在揭示摩擦过程中的材料去除机制，以及寻求润滑和表面处理技 术控制摩擦和减少磨损。它对于国民经济的发展具有重要意义，不仅能够通过减摩降噪为 国家节约资源和能源，同时可为我国高端制造业的发展奠定技术基础。本小节着重介绍近 5 年我国在材料磨损基础研究领域取得的重要进展，主要内容包括化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing， CMP）中的磨损、微观磨损、复合微动磨损、碳基薄膜磨损和载流磨 损 5 个方面。 （1） CMP 抛光中的磨损 CMP 是超大规模集成电路制造的关键工艺步骤之一，是同时实现晶圆局部及全局平 坦化的唯一手段。一直以来，超精密加工过程中产生的摩擦和磨损现象属于摩擦学研究领 域，同样，CMP 过程中的材料去除机理也需要用摩擦与磨损理论解释。CMP 受化学作用、 机械作用、热效应等各种因素的影响，过程极为复杂，到目前为止材料去除机理尚不完全 清楚。因此，对 CMP 过程中的摩擦、磨损与润滑现象进行研究，是揭示材料去除机理的 基础，也是提升 CMP 效率和质量的关键。 清华大学雒建斌、路新春团队针对集成电路铜互连布线和新型阻挡层的 CMP 过程中 的润滑状态、摩擦化学行为和化学机械协同作用下的材料去除机理等关键问题开展了系统 研究，并取得了一定进展，具体包括：①研制出 CMP 过程中纳米颗粒运动观测系统［15］
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 以及300mm晶圆CMP装备流体润滑状态与晶圆状态的在线测量系统,探讨了流体承载与 润滑机制。研究发现,在常规压力下晶圆-抛光垫的接触面处于混合润滑状态,且接触 承载起主导作用;而下压力低至0.3ps后,流体承载起主要作用。②提出了纳米颗粒 与表面的作用机制。③基于腐蚀磨损杋理,提岀了CM材料去除的数学模型。该模型中, 材料去除速率与晶圆/抛光垫的相对线速度、有效颗粒个数呈正比;材料去除率随着抛光 压力的増大呈非线性增长;当磨粒半径远大于晶圆表面钝化膜厚度时,材料去除率随着颗 粒半径的増大而减小。该模型预测了CM过程中的大部分变量,并清晰地分析了机械参 数对CMP材料去除机制的影响[。④从摩擦化学的角度研究了铜在双氧水抛光液中的材 料去除机理。研究发现,材料去除的主导因素随pH值的变化而不同:pH值为4.0~60 时,腐蚀促进磨损是材料去除的主导因素;pH值为80~9.0时,磨损促进腐蚀起主导作 用;pH值为30和10.0时,化学腐蚀则成为主导。⑤研究了新型阻挡层钉在CMP过 程中的摩擦化学行为。在以高碘酸钾为氧化剂阻挡层抛光液中,拋光过程表面钝化膜的去 除和再生,以及抛光过程液体流动影响电化学反应的传质过程对钌的化学/电化学腐蚀有 明显的促进作用9⑥制备了粗糙度Ra为0041mm的超光滑表面。 (2)微观磨损 纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础。典型的纳米制造技术包括纳米切削 纳米抛光、纳米压印和纳米铸造等,均涉及大量的微观磨损问题。此外,由于表面和尺寸 效应的影响,微观磨损已成为微/纳机电系统长期可靠服役的巨大障碍。因此,微观磨损 不仅是微/纳机电系统应用中的关键问题,更已成为纳米制造的共性基础问题 西南交通大学的钱林茂针对单晶硅的微观磨损问题开展了系统的研究「。具体进展 包括:①研制了多环境和多功能的微观磨损实验平台。以原子力显微镜为基础平台,通过 对针尖支架和液池系统的改进以及外接环境气氛控制系统的搭建,实现了不同气液环境中 的微观摩擦磨损实验。②研究了实验条件、环境工况等对单晶硅微观磨损的影响规律2H-3 单晶硅表面越亲水,摩擦化学磨损越严重。滑动速度的增加会减弱单晶硅的摩擦化学磨 损,当速度足够大时,单晶硅在低湿度(<30%RH)下表现为无损伤。③初步揭示了单 晶硅的摩擦化学磨损机制2.3。单晶硅的摩擦化学磨损是化学反应和机械作用共同作用 的结果[2。仅当环境中有水分存在且摩擦副具有较强的化学活性时,单晶硅的摩擦化学 磨损才有可能发生。④实现了单晶硅表面的原子层状去除。磨损区域断面的高分辨透射电 镜分析显示单晶硅在摩擦化学磨损后仍保持完整的晶体结构(x。在此基础上,通过面扫 描的方式在单晶硅表面实现了单层或多层原子层状去除。相关研究结果对单晶硅的超光滑 表面抛光有重要的指导意义 (3)复合微动磨损 微动是发生在紧配合面上的微小幅度的运动,已成为重大装备灾难性事故的主要原因 之一。而复合微动是两种及以上微动模式的耦合。例如,扭转复合微动是扭动与转动微动 耦合的复杂微动[2.36,它广泛存在于球阀、滚珠轴承、杵臼关节、球窝接头及其他旋转
8 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 以及 300mm 晶圆 CMP 装备流体润滑状态与晶圆状态的在线测量系统，探讨了流体承载与 润滑机制。研究发现，在常规压力下晶圆 - 抛光垫的接触面处于混合润滑状态，且接触 承载起主导作用；而下压力低至 0.3psi 后，流体承载起主要作用［16］。②提出了纳米颗粒 与表面的作用机制。③基于腐蚀磨损机理，提出了 CMP 材料去除的数学模型。该模型中， 材料去除速率与晶圆 / 抛光垫的相对线速度、有效颗粒个数呈正比；材料去除率随着抛光 压力的增大呈非线性增长；当磨粒半径远大于晶圆表面钝化膜厚度时，材料去除率随着颗 粒半径的增大而减小。该模型预测了 CMP 过程中的大部分变量，并清晰地分析了机械参 数对 CMP 材料去除机制的影响［17］。④从摩擦化学的角度研究了铜在双氧水抛光液中的材 料去除机理。研究发现，材料去除的主导因素随 pH 值的变化而不同：pH 值为 4.0 ～ 6.0 时，腐蚀促进磨损是材料去除的主导因素；pH 值为 8.0 ～ 9.0 时，磨损促进腐蚀起主导作 用；pH 值为 3.0 和 10.0 时，化学腐蚀则成为主导［18］。⑤研究了新型阻挡层钌在 CMP 过 程中的摩擦化学行为。在以高碘酸钾为氧化剂阻挡层抛光液中，抛光过程表面钝化膜的去 除和再生，以及抛光过程液体流动影响电化学反应的传质过程对钌的化学 / 电化学腐蚀有 明显的促进作用［19］。⑥制备了粗糙度 Ra 为 0.041 nm 的超光滑表面。 （2）微观磨损 纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础。典型的纳米制造技术包括纳米切削、 纳米抛光、纳米压印和纳米铸造等，均涉及大量的微观磨损问题。此外，由于表面和尺寸 效应的影响，微观磨损已成为微 / 纳机电系统长期可靠服役的巨大障碍。因此，微观磨损 不仅是微 / 纳机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题［20］。 西南交通大学的钱林茂针对单晶硅的微观磨损问题开展了系统的研究［20-24］。具体进展 包括：①研制了多环境和多功能的微观磨损实验平台。以原子力显微镜为基础平台，通过 对针尖支架和液池系统的改进以及外接环境气氛控制系统的搭建，实现了不同气液环境中 的微观摩擦磨损实验。②研究了实验条件、环境工况等对单晶硅微观磨损的影响规律［21-23］。 单晶硅表面越亲水，摩擦化学磨损越严重。滑动速度的增加会减弱单晶硅的摩擦化学磨 损，当速度足够大时，单晶硅在低湿度（＜ 30%RH）下表现为无损伤。③初步揭示了单 晶硅的摩擦化学磨损机制［22，23］。单晶硅的摩擦化学磨损是化学反应和机械作用共同作用 的结果［24］。仅当环境中有水分存在且摩擦副具有较强的化学活性时，单晶硅的摩擦化学 磨损才有可能发生。④实现了单晶硅表面的原子层状去除。磨损区域断面的高分辨透射电 镜分析显示单晶硅在摩擦化学磨损后仍保持完整的晶体结构［24］。在此基础上，通过面扫 描的方式在单晶硅表面实现了单层或多层原子层状去除。相关研究结果对单晶硅的超光滑 表面抛光有重要的指导意义。 （3）复合微动磨损 微动是发生在紧配合面上的微小幅度的运动，已成为重大装备灾难性事故的主要原因 之一。而复合微动是两种及以上微动模式的耦合。例如，扭转复合微动是扭动与转动微动 耦合的复杂微动［25，26］，它广泛存在于球阀、滚珠轴承、杵臼关节、球窝接头及其他旋转
综合报告 紧固件中,常常是导致该类零部件失效的元凶。复合微动的提出,极大地拓宽了微动摩擦 学的研究领域,为减缓实际的复杂微动损伤提供了重要的理论指导。 周仲荣、朱旻昊团队提出了复合微动概念,并开展了系统研究(。具体进展包 括:①研制了一系列微动磨损、疲劳试验装置。研制了包括扭动、转动和扭转复合微动磨 损,以及弯曲和拉扭微动疲劳的试验裝置,为研究微动损伤机理提供了条件和手段。②揭 示了不同材料复合微动的运行行为和损伤机理,31。开展了1Z50中碳钢、7075铝合金、 PMMA等材料的扭转复合微动磨损试验,研究表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数和材 料性质等对扭转复合微动的运行和损伤行为有重要影响。发现利用摩擦振动/噪声信号分 析可成功鉴定出微动与滑动的范围。③探索了复合微动磨损条件下的疲劳裂纹萌生和扩展 行为(3。探讨了扭转复合微动局部接触疲劳和磨损间的竞争机制,提出疲劳裂纹的形 成与接触区局部隆起密切相关。④揭示了油/水流体等介质对扭转复合微动磨损特性的影 响[3。建立了磨损体积与累积耗散能的关系,评价了不同抗微动减缓措施对抵抗扭转复 合微动的影响。 (4)碳基薄膜磨损 碳基薄膜具有高硬度、高弹性、低摩擦系数和低磨损率等优异的综合特性,同时其还 兼有制备方法简单、易于大规模生产和沉积温度较低等优点,在航空、汽车机电等领域获 得广泛应用。采用纳米多元化、复合等涂层技术对其组成结构主动设计,研制低摩擦、高 承载、高弹性、多环境适应性的碳基薄膜已成为润滑薄膜技术发展的主要方向。 中国科学院兰州化学物理研究所张俊彦和清华大学邵天敏等研究组对碳基薄膜的制备 及其摩擦磨损行为、机理进行了大量研究[。具体进展包括:①研制出了具有类富勒 烯结构含氢碳膜ων。采用 PECVD沉积系统实现了类富勒烯结构含氢碳膜的可控制备,并 采用显微拉曼技术分析了薄膜产生超低摩擦的原因。②研制了具有强韧化、低摩擦特性以 及低环境敏感性集一体的碳基多元复合薄膜。采用多靶磁控溅射薄膜沉积技术,首次 系统性地制备了元素周期表中9种强碳与弱碳金属A共掺杂的碳基多元复合薄膜体系 ③制备了一种具有双重纳米结构的非晶碳薄膜材料l该种薄膜材料具有极为优异的 弹性回复性能,并且在真空条件下具有非常良好的减摩抗磨性能,摩擦系数低于0.001。 ④阐释了无定型碳薄膜的超低摩擦现象□3]。提出摩擦界面上形成的转移膜中类石墨层状 结构的聚集是无定型碳膜产生超低摩擦的原因。这些基础性的硏究工作丰富了对碳基薄膜 摩擦磨损机制的认识,对制备一定结构和用途的涂层具有借鉴和指导意义。 (5)载流磨损 随着科学技术的快速发展,载流摩擦副选材设计面临严峻的挑战,表现在两个方 面:服役条件的极度苛刻化和载流与摩擦的高可靠性要求[3-3。对于高铁弓网系统,摩 擦线速度达100m/s、摩擦接触区电流密度超过2A/mm2,对于电力高压开关的工作电压从 l00kⅤ快速提升到500~1000kV。为保证持续的动力供给,高速列车弓网系统的离线率 要求小于5%以下。在轨道交通、电力行业等领域,材料载流摩擦磨损性能不足已成为关
综 合 报 告 9 紧固件中，常常是导致该类零部件失效的元凶。复合微动的提出，极大地拓宽了微动摩擦 学的研究领域，为减缓实际的复杂微动损伤提供了重要的理论指导。 周仲荣、朱旻昊团队提出了复合微动概念，并开展了系统研究［25-28］。具体进展包 括：①研制了一系列微动磨损、疲劳试验装置。研制了包括扭动、转动和扭转复合微动磨 损，以及弯曲和拉扭微动疲劳的试验装置，为研究微动损伤机理提供了条件和手段。②揭 示了不同材料复合微动的运行行为和损伤机理［26，28］。开展了 LZ50 中碳钢、7075 铝合金、 PMMA 等材料的扭转复合微动磨损试验，研究表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数和材 料性质等对扭转复合微动的运行和损伤行为有重要影响。发现利用摩擦振动 / 噪声信号分 析可成功鉴定出微动与滑动的范围。③探索了复合微动磨损条件下的疲劳裂纹萌生和扩展 行为［27，28］。探讨了扭转复合微动局部接触疲劳和磨损间的竞争机制，提出疲劳裂纹的形 成与接触区局部隆起密切相关。④揭示了油 / 水流体等介质对扭转复合微动磨损特性的影 响［28］。建立了磨损体积与累积耗散能的关系，评价了不同抗微动减缓措施对抵抗扭转复 合微动的影响。 （4）碳基薄膜磨损 碳基薄膜具有高硬度、高弹性、低摩擦系数和低磨损率等优异的综合特性，同时其还 兼有制备方法简单、易于大规模生产和沉积温度较低等优点，在航空、汽车机电等领域获 得广泛应用。采用纳米多元化、复合等涂层技术对其组成结构主动设计，研制低摩擦、高 承载、高弹性、多环境适应性的碳基薄膜已成为润滑薄膜技术发展的主要方向。 中国科学院兰州化学物理研究所张俊彦和清华大学邵天敏等研究组对碳基薄膜的制备 及其摩擦磨损行为、机理进行了大量研究［29-32］。具体进展包括：①研制出了具有类富勒 烯结构含氢碳膜［29］。采用 PECVD 沉积系统实现了类富勒烯结构含氢碳膜的可控制备，并 采用显微拉曼技术分析了薄膜产生超低摩擦的原因。②研制了具有强韧化、低摩擦特性以 及低环境敏感性集一体的碳基多元复合薄膜［30］。采用多靶磁控溅射薄膜沉积技术，首次 系统性地制备了元素周期表中 9 种强碳与弱碳金属 Al 共掺杂的碳基多元复合薄膜体系。 ③制备了一种具有双重纳米结构的非晶碳薄膜材料［31］。该种薄膜材料具有极为优异的 弹性回复性能，并且在真空条件下具有非常良好的减摩抗磨性能，摩擦系数低于 0.001。 ④阐释了无定型碳薄膜的超低摩擦现象［32］。提出摩擦界面上形成的转移膜中类石墨层状 结构的聚集是无定型碳膜产生超低摩擦的原因。这些基础性的研究工作丰富了对碳基薄膜 摩擦磨损机制的认识，对制备一定结构和用途的涂层具有借鉴和指导意义。 （5）载流磨损 随着科学技术的快速发展，载流摩擦副选材设计面临严峻的挑战，表现在两个方 面：服役条件的极度苛刻化和载流与摩擦的高可靠性要求［33-35］。对于高铁弓网系统，摩 擦线速度达 100m/s、摩擦接触区电流密度超过 2A/mm2 ，对于电力高压开关的工作电压从 100kV 快速提升到 500 ～ 1000kV。为保证持续的动力供给，高速列车弓网系统的离线率 要求小于 5% 以下。在轨道交通、电力行业等领域，材料载流摩擦磨损性能不足已成为关
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学 键技术瓶颈。 河南科技大学张永振团队在材料载流摩擦学特性方面开展了系统的研究工作计3。 具体进展包括:①研制了载流摩擦试验平台。实现了载流与摩擦的条件耦合、摩擦学性 能与导电性能的同步检测,可模拟高铁弓网振动与高压开关的刚性接触。②初步揭示了载 流特性与摩擦特性的基本规律,发现导电与摩擦的共面接触是载流/摩擦耦合的本质原因 摩擦性能与载流性能波动趋势与时间上表现为动态一致。③初步探索了电弧损伤的物理机 制。电弧对材料的热损伤、熔化甚至汽化是材料损伤的主要途径。电弧损伤后的表面氧化 膜是导致导电性能降低的主要原因。④载流摩擦材料的硏制。采用能够在接触表面持续形 成一层具有导电/润滑功能表面膜的材料,能够大幅度提升材料的导电性能与摩擦性能。 3.润滑理论与技术 润滑的目的主要在于利用润滑剂避免两固体摩擦表面的直接接触,以达到减小摩擦和 降低磨损的目的。常用润滑剂有液体润滑剂(水、矿物油和合成润滑油等)、固体润滑剂 (石墨、二硫化钼、滑石粉、高分子聚合物等)、润滑脂和气体润滑剂。在实际应用中,液 体润滑最常用,与固体润滑相比具有较长的忍耐性,低的机械噪声,良好的导热性,在弹 性流体动压润滑状态下具有较低的摩擦等。 根据摩擦学中经典的 Stribeck曲线,润滑可分为四种状态,流体润滑(包括弹性流体 动压润滑)、薄膜润滑、混合润滑、边界润滑。流体润滑典型膜厚在1~100mm,摩擦表 面上完全被连续的润滑膜所分开,低摩擦的润滑膜承受载荷;弹流润滑是在高副接触下, 考虑摩擦副变形、润滑液黏压效应等的流体润滑,膜厚有数十纳米到几个微米。薄膜润滑 是考虑摩擦副表面的物理化学性能、膜厚对润滑剂分子行为影响的润滑状态,典型润滑膜 厚在20~300mm;混合润滑的法向载荷由固体之间的直接接触和部分弹流动压共同承受; 边界润滑中主要载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润 滑膜来承担,通常膜厚为1~2个分子层。对各种润滑形式及其机理的研究及润滑新材料 与技术的研究是润滑研究的主要内容。 (1)液体超滑 清华大学雒建斌、张晨辉小组在液体超滑方面开展了大量实验研究,并在基于磷酸体 系的超滑规律和机理、生物液体超滑的规律和机理]、基于酸与多羟基醇混合溶液超 滑的规律和机理等方面取得了一定的成果。 发现了磷酸溶液的超滑特性,它能够实现0004的超低摩擦系数[x。分析了超滑的 磨合过程和磨合机理,并将超滑的磨合过程划分为2个阶段。对第一阶段而言,它是磷酸 实现超滑的必要条件,其磨合机理与溶液中的氢离子密切相关。提出了氢离子润滑模型, 即磨合过程中的氢离子与摩擦副表面发生摩擦化学反应(表面质子化)使表面带正电荷, 这是摩擦系数减小的主要原因。对第二阶段而言,它不是磷酸实现超滑的必要条件,其磨 合过程主要与自由水的挥发有关。并建立了磷酸超滑的润滑模型。通过对磷酸超滑过程中 的接触区形态的分析和摩擦副表面的分析,提出了一种3层结构的超滑模型,即 stern层
10 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 键技术瓶颈。 河南科技大学张永振团队在材料载流摩擦学特性方面开展了系统的研究工作［34-35］。 具体进展包括：①研制了载流摩擦试验平台。实现了载流与摩擦的条件耦合、摩擦学性 能与导电性能的同步检测，可模拟高铁弓网振动与高压开关的刚性接触。②初步揭示了载 流特性与摩擦特性的基本规律，发现导电与摩擦的共面接触是载流 / 摩擦耦合的本质原因， 摩擦性能与载流性能波动趋势与时间上表现为动态一致。③初步探索了电弧损伤的物理机 制。电弧对材料的热损伤、熔化甚至汽化是材料损伤的主要途径。电弧损伤后的表面氧化 膜是导致导电性能降低的主要原因。④载流摩擦材料的研制。采用能够在接触表面持续形 成一层具有导电 / 润滑功能表面膜的材料，能够大幅度提升材料的导电性能与摩擦性能。 3. 润滑理论与技术 润滑的目的主要在于利用润滑剂避免两固体摩擦表面的直接接触，以达到减小摩擦和 降低磨损的目的。常用润滑剂有液体润滑剂（水、矿物油和合成润滑油等）、固体润滑剂 （石墨、二硫化钼、滑石粉、高分子聚合物等）、润滑脂和气体润滑剂。在实际应用中，液 体润滑最常用，与固体润滑相比具有较长的忍耐性，低的机械噪声，良好的导热性，在弹 性流体动压润滑状态下具有较低的摩擦等。 根据摩擦学中经典的 Stribeck 曲线，润滑可分为四种状态，流体润滑（包括弹性流体 动压润滑）、薄膜润滑、混合润滑、边界润滑。流体润滑典型膜厚在 1 ～ 100mm，摩擦表 面上完全被连续的润滑膜所分开，低摩擦的润滑膜承受载荷；弹流润滑是在高副接触下， 考虑摩擦副变形、润滑液黏压效应等的流体润滑，膜厚有数十纳米到几个微米。薄膜润滑 是考虑摩擦副表面的物理化学性能、膜厚对润滑剂分子行为影响的润滑状态，典型润滑膜 厚在 20 ～ 300nm；混合润滑的法向载荷由固体之间的直接接触和部分弹流动压共同承受； 边界润滑中主要载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润 滑膜来承担，通常膜厚为 1 ～ 2 个分子层。对各种润滑形式及其机理的研究及润滑新材料 与技术的研究是润滑研究的主要内容。 （1）液体超滑 清华大学雒建斌、张晨辉小组在液体超滑方面开展了大量实验研究，并在基于磷酸体 系的超滑规律和机理［36］、生物液体超滑的规律和机理［37］、基于酸与多羟基醇混合溶液超 滑的规律和机理［38］等方面取得了一定的成果。 发现了磷酸溶液的超滑特性，它能够实现 0.004 的超低摩擦系数［36］。分析了超滑的 磨合过程和磨合机理，并将超滑的磨合过程划分为 2 个阶段。对第一阶段而言，它是磷酸 实现超滑的必要条件，其磨合机理与溶液中的氢离子密切相关。提出了氢离子润滑模型， 即磨合过程中的氢离子与摩擦副表面发生摩擦化学反应（表面质子化）使表面带正电荷， 这是摩擦系数减小的主要原因。对第二阶段而言，它不是磷酸实现超滑的必要条件，其磨 合过程主要与自由水的挥发有关。并建立了磷酸超滑的润滑模型。通过对磷酸超滑过程中 的接触区形态的分析和摩擦副表面的分析，提出了一种 3 层结构的超滑模型，即 stern 层
综合报告 具有氢键网络结构的磷酸吸附膜和自由水分子层。 发现了莼菜黏液的超滑特性。结果表明莼菜黏液与玻璃表面之间的摩擦系数为 0005。通过进一步实验,发现超滑与黏液的分子结构和黏液中的水分子密切相关。微观 结构分析表明黏液是一种含有很多纳米薄片结构的多糖凝胶。其超滑的机理归因于在这些 聚合物薄片之间形成了流动性很好的水合层。同时,通过对钛合金表面的有机膦酸涂层改 性,发现了生物材料膦酸聚合物分子的超滑特性,该涂层不仅能够有效降低摩擦系数至超 滑量级(0.004),而且能够大幅度减少自身及对偶摩擦副的磨损。 发现了酸和甘油混合溶液的超滑特性x。超滑与甘油溶液的浓度和酸溶液的pH值 密切相关,只有当甘油溶液的浓度≤40%且酸溶液的pH≤1时,超滑才可以实现,但 是超滑与酸溶液的种类无关。通过进一步研究,发现了酸和多羟基醇混合溶液的超滑特 性。其超滑的机理和磷酸溶液的超滑机理以及酸和甘油混合溶液的超滑机理是一致的。实 验还发现多羟基醇溶液和酸溶液混合后能够实现超滑的条件是:多羟基醇分子上羟基个数 大于等于2个,而分子上碳原子个数(<10)以及羟基在碳链上的位置对超滑没有影响。 2015年,他们在特定条件下,在润滑油中实现了超滑,摩擦系数达0.004 清华大学马丽然与以色列Kein教授合作,对水合超滑的微观行为机制进行研究,获 得了o0002的摩擦系薮,发现在不同载荷下,盐溶液超滑具有不同的能量耗散形式,并 通过水合层剪切规律测得盐离子水合层黏度,该黏度约为体相水黏度的250倍鹨。 (2)热弹流润滑理论 弹性流体动压润滑(简称弹流润滑,EHL)广泛存在于诸如轴承及齿轮等髙副接触的 机械零部件中。其油膜的建立不仅依靠流体动压效应,更重要的是来自高压力下的表面弹 性变形及润滑油黏压特性。由于弹流模型的高度复杂,其研究工作极具挑战。自20世纪 50年代开始,众多学者开发了先进的分析方法和有效的实验手段,针对弹流润滑进行了 深入而广泛的研究。以多重网格法为代表的一系列高效算法的提出,使得在宽广的速度和 载荷范围内高效求解稳态和时变弹流冋题成为可能。朱东、胡元中等人通过确定性混合弹 流润滑模型的建立、弹流润滑的计算由全膜状态拓展到定量的部分粗糙接触及干接触。随 着数字化图像技术的发展,光干涉油膜测量的分辨率和测量范围都得到提高,可对不同工 况下的弹流油膜进行测量,如混合弹流润滑及时变效应的测量。迄今为止,弹流润滑的- 般基础理论体系已比较完善,因此在硏究中,可充分考虑热效应、非牛顿效应、微观形貌 效应及动态效应。近些年,弹流润滑研究转向某些特殊的成膜机理。当这些因素成为主导, 普通的弹流润滑理论不再适用,如热黏度楔产生的中央油膜凹陷及膜厚随载荷的增加[40 界面滑移导致的中央油膜下凸 现在弹流润滑面临的主要挑战在于真实的而非虚拟的工业问题的研究,这些问题的研 究并非已有弹流理论的参数化分析,而是润滑学与表界面力学、物理化学的交叉,其输出 不仅是润滑膜厚,还应包括摩擦、磨损与功耗。在这一方面已取得了进展,如轴承润滑中 润滑剂的分布与弹流润滑的分析;弹流中真实流变行为的研究与 Stribeck摩擦曲线的计算
综 合 报 告 11 具有氢键网络结构的磷酸吸附膜和自由水分子层。 发现了莼菜黏液的超滑特性［37］。结果表明莼菜黏液与玻璃表面之间的摩擦系数为 0.005。通过进一步实验，发现超滑与黏液的分子结构和黏液中的水分子密切相关。微观 结构分析表明黏液是一种含有很多纳米薄片结构的多糖凝胶。其超滑的机理归因于在这些 聚合物薄片之间形成了流动性很好的水合层。同时，通过对钛合金表面的有机膦酸涂层改 性，发现了生物材料膦酸聚合物分子的超滑特性，该涂层不仅能够有效降低摩擦系数至超 滑量级（0.004），而且能够大幅度减少自身及对偶摩擦副的磨损。 发现了酸和甘油混合溶液的超滑特性［38］。超滑与甘油溶液的浓度和酸溶液的 pH 值 密切相关，只有当甘油溶液的浓度≤ 40% 且酸溶液的 pH ≤ 1 时，超滑才可以实现，但 是超滑与酸溶液的种类无关。通过进一步研究，发现了酸和多羟基醇混合溶液的超滑特 性。其超滑的机理和磷酸溶液的超滑机理以及酸和甘油混合溶液的超滑机理是一致的。实 验还发现多羟基醇溶液和酸溶液混合后能够实现超滑的条件是：多羟基醇分子上羟基个数 大于等于 2 个，而分子上碳原子个数（＜ 10）以及羟基在碳链上的位置对超滑没有影响。 2015 年，他们在特定条件下，在润滑油中实现了超滑，摩擦系数达 0.004。 清华大学马丽然与以色列 Klein 教授合作，对水合超滑的微观行为机制进行研究，获 得了 0.0002 的摩擦系数，发现在不同载荷下，盐溶液超滑具有不同的能量耗散形式，并 通过水合层剪切规律测得盐离子水合层黏度，该黏度约为体相水黏度的 250 倍 ［39］。 （2）热弹流润滑理论 弹性流体动压润滑（简称弹流润滑，EHL）广泛存在于诸如轴承及齿轮等高副接触的 机械零部件中。其油膜的建立不仅依靠流体动压效应，更重要的是来自高压力下的表面弹 性变形及润滑油黏压特性。由于弹流模型的高度复杂，其研究工作极具挑战。自 20 世纪 50 年代开始，众多学者开发了先进的分析方法和有效的实验手段，针对弹流润滑进行了 深入而广泛的研究。以多重网格法为代表的一系列高效算法的提出，使得在宽广的速度和 载荷范围内高效求解稳态和时变弹流问题成为可能。朱东、胡元中等人通过确定性混合弹 流润滑模型的建立、弹流润滑的计算由全膜状态拓展到定量的部分粗糙接触及干接触。随 着数字化图像技术的发展，光干涉油膜测量的分辨率和测量范围都得到提高，可对不同工 况下的弹流油膜进行测量，如混合弹流润滑及时变效应的测量。迄今为止，弹流润滑的一 般基础理论体系已比较完善，因此在研究中，可充分考虑热效应、非牛顿效应、微观形貌 效应及动态效应。近些年，弹流润滑研究转向某些特殊的成膜机理。当这些因素成为主导， 普通的弹流润滑理论不再适用，如热黏度楔产生的中央油膜凹陷及膜厚随载荷的增加［40］、 界面滑移导致的中央油膜下凸。 现在弹流润滑面临的主要挑战在于真实的而非虚拟的工业问题的研究，这些问题的研 究并非已有弹流理论的参数化分析，而是润滑学与表界面力学、物理化学的交叉，其输出 不仅是润滑膜厚，还应包括摩擦、磨损与功耗。在这一方面已取得了进展，如轴承润滑中 润滑剂的分布与弹流润滑的分析；弹流中真实流变行为的研究与 Stribeck 摩擦曲线的计算
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 面对工业问题,弹流润滑有很大的发展空间,面临的挑战也非常巨大,如混合弹流润滑 中磨损的确定性模型与计算、固液复合润滑中的弹流机制、基于非光学的工程弹流膜厚 测量等 (3)新型润滑材料 第一,液体润滑剂及添加剂。 在很多摩擦系统中都使用液体润滑剂用以润滑、冷却和密封机械,液体润滑剂通常 有矿物润滑油、合成润滑油和水基液体。在润滑油、脂中加人少量添加剂,能改善润滑 油、脂的使用性能,改善程度与基础油的品质有关。添加剂通常用以影响润滑油的物理 和化学性质,如各种降凝剂、黏度指数改进剂、消泡剂和各种抗氧化剂、抗腐剂、清净 剂、油性剂和极压抗磨剂等。针对不同的工况环境需要应用不同的润滑基础液和添 加剂。 一是离子液体润滑剂:与传统润滑剂相比,离子液体具有更好的减摩抗磨能力,但合 成步骤复杂、成本昂贵、对基底具有腐蚀性以及与基础油相溶性差,从而限制了它的实际 应用。为解决以上问题,中国科学院兰州化学物理研究所刘维民等人制备了一系列离子液 体,旨在降低成本、提髙在基础油中的溶解性以及解决其氧化腐蚀性。①“原位”离子液 体:将一些IA族金属元素的无机盐与功能有机分子在基础油、脂中复配,在基础油、脂 中“原位”合成了具有减摩抗磨性能的离子液体润滑添加剂叫·2。这在降低离子液体润 滑剂成本、提高其在基础油中的溶解性以及解决其腐蚀性冋题等方面有了重大突破。②抗 氧化防腐蚀离子液体:把具有特定功能的官能团位阻酚、苯并三氮唑等引λ离子液体分子 结构中制备抗氧化防腐蚀功能离子液体,设计制备出具有抗氧化和防腐蚀的离子液体润滑 剂,作为润滑油和润滑脂的添加剂具有较好的抗氧化防腐蚀性能[4.4。减少离子液体的 腐蚀和氧化,还有另外两个比较合理的方法:①将其用作添加剂,特别是润滑脂的添加 剂,稠化剂的存在可以最大限度地降低腐蚀和氧化,防止外界环境的影响。②离子液体 润滑剂的腐蚀主要由于含氟阴离子造成,用疏水或无卤素阴离子取代含卤阴离子,例如 C2F3)P3变为PF6,阴离子为长链磷酸酯、螯合硼酸根等,可降低或消除对基底的腐蚀。 ③绿色离子液体润滑剂:具有优异的水解稳定性、对金属基底无腐蚀性且表现出优异的润 滑效果;原料易得、工艺简单、成本远远低于传统离子液体;其阴阳离子均具有一定的生 物相容性、低毒性,是易生物降解的环境友好型绿色润滑剂(4.“。 二是纳米颗粒添加剂:纳米材料由于其独特的物理化学性能,被广泛应用于生物、能 源和新材料等领域。同时,也被用作润滑油添加剂,研究者对其润滑机理开展了大量的研 究工作[,钢。其中,纳米金属由于其自修复性能一直是人们研究的热点,纳米金属铜更 是被成功应用于发动机油添加剂,表现出良好的减摩抗磨性能。近来,各种纳米富勒烯材 料由于其独特的层状结构成为添加剂领域的硏究热点之一,并表现岀良好的摩擦学性能且 符合环保要求。刘维民等人通过简单有效的方法由蜡烛燃烧制备了绿色、环保洋葱状 碳纳米材料,其作为水和润滑油添加剂都具有较好的摩擦学性能,并探讨了其作为高效润
12 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 面对工业问题，弹流润滑有很大的发展空间，面临的挑战也非常巨大，如混合弹流润滑 中磨损的确定性模型与计算、固液复合润滑中的弹流机制、基于非光学的工程弹流膜厚 测量等。 （3）新型润滑材料 第一，液体润滑剂及添加剂。 在很多摩擦系统中都使用液体润滑剂用以润滑、冷却和密封机械，液体润滑剂通常 有矿物润滑油、合成润滑油和水基液体。在润滑油、脂中加入少量添加剂，能改善润滑 油、脂的使用性能，改善程度与基础油的品质有关。添加剂通常用以影响润滑油的物理 和化学性质，如各种降凝剂、黏度指数改进剂、消泡剂和各种抗氧化剂、抗腐剂、清净 剂、油性剂和极压抗磨剂等。针对不同的工况环境需要应用不同的润滑基础液和添 加剂。 一是离子液体润滑剂：与传统润滑剂相比，离子液体具有更好的减摩抗磨能力，但合 成步骤复杂、成本昂贵、对基底具有腐蚀性以及与基础油相溶性差，从而限制了它的实际 应用。为解决以上问题，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民等人制备了一系列离子液 体，旨在降低成本、提高在基础油中的溶解性以及解决其氧化腐蚀性。①“原位”离子液 体：将一些 IA 族金属元素的无机盐与功能有机分子在基础油、脂中复配，在基础油、脂 中“原位”合成了具有减摩抗磨性能的离子液体润滑添加剂［41，42］。这在降低离子液体润 滑剂成本、提高其在基础油中的溶解性以及解决其腐蚀性问题等方面有了重大突破。②抗 氧化防腐蚀离子液体：把具有特定功能的官能团位阻酚、苯并三氮唑等引入离子液体分子 结构中制备抗氧化防腐蚀功能离子液体，设计制备出具有抗氧化和防腐蚀的离子液体润滑 剂，作为润滑油和润滑脂的添加剂具有较好的抗氧化防腐蚀性能［43，44］。减少离子液体的 腐蚀和氧化，还有另外两个比较合理的方法：①将其用作添加剂，特别是润滑脂的添加 剂，稠化剂的存在可以最大限度地降低腐蚀和氧化，防止外界环境的影响。②离子液体 润滑剂的腐蚀主要由于含氟阴离子造成，用疏水或无卤素阴离子取代含卤阴离子，例如 （C2F5）3PF3 变为 PF6，阴离子为长链磷酸酯、螯合硼酸根等，可降低或消除对基底的腐蚀。 ③绿色离子液体润滑剂：具有优异的水解稳定性、对金属基底无腐蚀性且表现出优异的润 滑效果；原料易得、工艺简单、成本远远低于传统离子液体；其阴阳离子均具有一定的生 物相容性、低毒性，是易生物降解的环境友好型绿色润滑剂［45，46］。 二是纳米颗粒添加剂：纳米材料由于其独特的物理化学性能，被广泛应用于生物、能 源和新材料等领域。同时，也被用作润滑油添加剂，研究者对其润滑机理开展了大量的研 究工作［47，48］。其中，纳米金属由于其自修复性能一直是人们研究的热点，纳米金属铜更 是被成功应用于发动机油添加剂，表现出良好的减摩抗磨性能。近来，各种纳米富勒烯材 料由于其独特的层状结构成为添加剂领域的研究热点之一，并表现出良好的摩擦学性能且 符合环保要求［49］。刘维民等人通过简单有效的方法由蜡烛燃烧制备了绿色、环保洋葱状 碳纳米材料，其作为水和润滑油添加剂都具有较好的摩擦学性能，并探讨了其作为高效润