>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