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摩擦学--一门古老而又现代化的科学与技术

摩擦学--一门古老而又现代化的科学与技术
神舟七号上的客人
2008年，举世瞩目的神舟七号飞船成功遨游太空。9月28日，航天英雄翟志刚完成了太空行走的壮举。他高举五星红旗向全世界人民致以问候，然后从舟舷上摘下一个特制样品盒，返回舱内。这个预定的太空动作实际上是"神舟飞船应用系统固体润滑材料太空暴露试验"的关键一步，而样品盒里装的则是中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点试验室研制的高可靠性、长寿命的空间固体润滑材料。
众所周知，在彼此接触的两个物体发生相对运动或存在相对运动趋势时，其接触表面会产生与其运动方向相反的摩擦阻力；同时在运动中会发生我们称之为机械磨损的材料脱落的自然现象。为了减少因摩擦阻力造成的能量损失和因磨损不可避免的材料损失，人们在相对运动的两个表面间加入了以流体和半流体物质为主的介质，并取得成效。这种旨在降低摩擦、减少磨损的措施，我们称之为润滑；而相应的功能介质，我们称之为润滑剂。比如我们熟知的润滑油和润滑脂。以固态物质为润滑剂的固体润滑工程则是完全不同于传统流体润滑机理的更为现代的润滑技术。神舟七号上的试验样品便是为航天工程量身打造的固体润滑剂。
从钻木取火到航空航天
实际上，我们的老祖宗早已发现自然界的摩擦磨损现象和润滑方法，并在生产和生活中加以研究和利用。两万多年前，中国柳江人、资阳人、河套人和周口店的山顶洞人就已经掌握摩擦生热、磨削加工的原理，并用来钻木取火和磨制骨头和鹿角工具。在公元前约2400年的古埃及萨卡拉墓的石浮雕上，记录着人们在搬运大型石雕像时往底板下添加润滑材料的情景。我国周代中期的《诗经》中有过"载脂载辖、还车言迈"的诗句。意思是说，在车轴上涂上油指膏、插好轴头的销子，便可顺利驱车遥行。这不就是原始的润滑工程吗。而北京紫金城保和殿后面那块长16.57米、宽3米、重达250吨的丹陛石则是选在冬季从京郊房山大石窝每隔一里地挖井汲水、泼成冰道以减少摩擦力而拉运来的。中国人民的聪明才智受到每一位来故宫游览的世界各地游客的交口称赞。几千年过去了，如今的人类已走向太空。但研究、利用摩擦磨损现象及润滑方法的科技活动仍在延续。神舟七号上搭载的样品就是满足超低温、超高温、超真空、微重力、强辐射、高速度、高载荷等航空航天极限条件下使用的固体润滑材料。从远古燧人氏的人工取火到今天航天人的太空试验，人类文明史推动和成就着一门古老而又现代的科学与技术--摩擦学。
"摩擦学"的诞生
摩擦学（Tribology）这个名词问世于20世纪60年代。1964年12月22日，H.P.乔斯特博士受英国教育与科学国务大臣伯顿勋爵的委托组成了工作组，调查英国润滑工程教育和研究的现状。经过11个月的工作，完成了著名的乔斯特报告并于1966年2月公开发表。报告指出，如果重视和发展润滑技术，全英国每年仅在工业上便可节约5.5亿英磅。为了改变"润滑"一词所带来的认识局限性，报告建议用"摩擦学"一词来覆盖有关摩擦、磨损及润滑各自所有内涵和它们之间的有机联系。实际上，从19世纪80年代起，O.雷诺、H.赫兹等科学家分别在摩擦磨损及润滑领域做出了许多经典的研究工作。而摩擦学这个术语不但终于统一了这个领域，更是标志着人类对客看世界的认识出现了一个具有里程碑意义的新飞跃。H.P.乔斯特博士在报告中是这样定义摩擦学的：摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关实践的科学与技术。这个定义既表明了从此要用系统工程的理念而不是分立的方法研究摩擦磨损润滑问题；同时它又有针对性地强调了这门科学具有鲜明的实践性和应用性。
"摩擦学设计"与高速铁路
的确如此，摩擦学的研究和应用深渗入渗出到我们生产、生活的方方面面。在新型的机械装置研发过程中，摩擦学摒弃了传统的分立设计机械零部件的方法，引渗透了"摩擦学设计"的理念，在对诸如齿轮、轴承等进行产品设计时，将其材料、尺寸、耦合件、润滑、工况、环境等作为一个系统加以考虑，并建立动态的应用反馈体系不断修正优化。例如大家熟知的汽车是量大面广的能量形式转化与利用系统。其中，发动机和传动装置的机械摩擦损耗占发动机总能耗的12。采用摩擦学设计方法，使用低挥发性、具有良好氧化安定性、抗氧化性的低粘度润滑油可以节约燃料0.6-5.5。近年来发展的纳米热喷涂优化零部件表面性能的工艺、纳米和亚微米活化材料修复运行中摩擦副表面的技术等，都可以大大延长零部件的使用寿命。美国阿贡实验室研究出具有超滑性能和高耐磨性的表面膜。摩擦系数仅为0.001-0.003，是常规表面的1/10；其磨损率仅为10-10mm3/Nm。几乎实现零摩擦和零磨损，节能节材自有前景。
2008年4月18日，总经理郑重宣布京沪高速客运专线正式开工，并亲自为铁路奠基。到2010年，我国第一条速度达到350km/h的客运专线将交付使用。而速度为200km/h以上的动车组已经驰骋在提速改造后的各铁路既有干线上。在这些达到世界先入水平的成就中，也包含着许多摩擦学的先入理论与技术的应用。例如电力机车的受电弓和接触网、高速旋转的车轮和钢轨、高速运行车辆的制动闸瓦和闸片等这些摩擦副的材料、形状、配伍、环境和动态特点性的研究及相关产品的设计与制造。这些摩擦学问题，鲜为旅客所知，却维系着高铁运输的整体质量，即它的安全、高效与舒适。其中，轮轨关系是涉及车辆动力学、摩擦学的难题，解决不好会发生钢轨或轮缘断裂、列车脱轨甚至颠覆而最终车毁人亡的重大事故。1998年，德国从汉堡开往慕尼黑的著名城际高速列车（ICE）脱轨，造成101人死亡、84人重伤，经济损失约2亿马克。调查表明，事故缘于轮毂的疲劳裂纹。中国、美国、日本、英国的学者和科学家针对轮轨关系作了大量摩擦学理论的研究和数值仿真试验。科研和工业部门对轮轨的材料和接触型面作了摩擦学优化匹配设计。现在，所有高速铁路都铺设着我国钢铁冶金企业自行制造的国产专用高速钢轨。
"摩擦学系统监测"与海上大阅兵
除了"摩擦学设计"，摩擦学还有着另外一个年轻的分支，称"摩擦学系统监测"。随着现代工业的发展，许多大型机械设备要对其进行工作状态下的监测，以保障安全运行。特别是在流程工业，临时故障停机维修会造成巨大的损失。例如，宝山钢铁公司炼钢炉的鼓风机要满足五年连续正常运转的要求。有调查表明，约有80的机器零部件都是因为磨损而失效；且有50以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损。因此，采集和利用机械设备中各种摩擦副在运行中产生的各种输出信息，对其进行运用中的摩擦学状态监测，诊断机械的"健康"水平，预告机械的"疾病"，采取提前预防措施，保障其正常工作，将具有重大意义。这就是"摩擦学系统监测"。监测的方法很多，其中包括大家熟知的对机械工作参数（如温度、压力等）的监测、振动监测、噪声监测、红外监测等等。20世纪70年代出现了新的监测方法，称之为"油液监测"。就像患者进医院观病常常要先验血一样，油液监测是通过机械的血液即润滑油或液压油等工作介质来分析机械状态和诊断机械的"病情"。人的血液携带着的有关人体健康信息。同样，机械的润滑油和液体工作介质也携带着大量有关机械摩擦副的摩擦、磨损、腐蚀、失效、污染等状态信息。只要在机械运转的同时定期取出少量的油液分析样品，应用各种分析手段，就可以在不拆机的情况下了解机械摩擦副的状态，预告机械磨损故障。
油液监测所使用的分析手段主要包括直读发射光谱技术、铁谱技术、红外光谱技术、颗粒计数技术、常规理化分析技术等等。依靠这些技术，我们甚至可以从几个毫升的润滑油里便可得知一个发动机里的那一对摩擦副出现异常磨损了，又是什么类型的磨损；它的润滑油的性能是否还正常，或是否已经开始衰变而应该换油了；整个发动机是否还可以继续工作，或是否应该采取必要的防止停机故障的发生；等等。而这一切称之为基于油液监测技术的机械设备状态监测和故障诊断，都可以在机械设备运行过程中同时入行，而不必停机解体检查。全国铁路、交通、冶金、石化乃至军事部门从20世纪80年代起在各自领域应用摩擦学系统监测的油液分析技术，产生显著经济和社会效益。我国铁路领先在内燃机车柴油的运用和检修上全面推广应用了以光谱、铁谱、理化分析和计算机技术为平台的状态监测和故障诊断系统，取得显著的安全、提效、节支效益。20世纪末，油液监测也用上了对两台单价数亿人民币的德国入口全面断面硬岩掘入机的在线监测，在铁路新线建设领域中开始发挥作用。为维护这两台关键设备的高效运转、保障西康线秦岭隧道的按时贯通，光谱、铁谱技术立下汗马功劳。2002年5月15日到9月23日，中国人民海军的113新型导弹驱逐舰"青岛"号和575大型综合补给舰"太仓"号，横跨太平洋、印度洋和大西洋，穿越15个海和海湾，通过14个海峡和苏伊士、巴拿马运河，访问5大洲10个国家和地区，完成了人民海军的首次环球航行，在世界航海史上写下了光辉的篇章。在历时4个月、3.3万海里航行的过程中，采用了以光谱、铁谱为主要手段的油液监测技术，对舰艇动力心脏即柴油机进行工况监测，及时实施状态维护，使柴油机不但未出现任何故障，而且高效运转，保证了军舰环球航行的顺利进行。参加今天4月23日纪念中国人民海军成立60周年海上大阅兵的112新型导弹驱逐舰"哈尔滨"号，也是在该航的遥航出访任务中采取了油液监测技术，保障军般发动机的无故障运行。舰队所到之处，扬我国威、军威。这其中，摩擦学的油液监测技术功不可没。它被我国海军的高层领导誉之为人民海军现代化建设的"一朵奇葩"。
"纳米摩擦学"与计算机
随着科技的发展，在诸如信息、生物、医学、航空、航天等领域，对性能完善的微型器件和装置的需求越来越高。我们称制造特征尺寸在纳米级、结构尺寸在微米级的微型器件的领域为"微纳制造"。当器件的尺度从毫米级减少至微米级时，面积减少一百万倍，体积减少十亿万倍。这样，正比于面积的摩擦力等阻力，相对正比于体积的电磁力等作用力要增大数千倍。同时，在物体相对运动的间隙接近分子尺度时，我们不得不考虑分子物理学的效应。这样，"微纳制造"中摩擦副的摩擦、磨损与润滑问题催生了"纳米摩擦学"。比如，在我们最熟悉的计算机中，硬盘信息的读写是由磁头和磁盘间的高速相对运动所实现的。硬盘的尺寸由20世纪80年代的14英寸缩小到今天的0.85英寸；而存储量则由1.89G增加到了320G，还在向1000G发展。磁头的飞行高度随磁盘存储密度的增加而大幅下降，而飞行的控制精度又要不断提高。2004年，磁头飞行的高度已降到8纳米，目标是3纳米。这是个间隙接近十分之一分子自由运动行程的稀薄气体润滑问题。边界条件自然完全不同于宏观的机械摩擦副。国内外的科技专家正在从建立新的润滑理论和开展科学实验入手解决纳米间隙的摩擦学问题。
"生物摩擦学"与医疗和仿生工程
近十余年，摩擦学又走进了生物工程领域，派生出所谓"生物摩擦学"。它包括人体摩擦学和仿生摩擦学。最典型的人体摩擦学是人造骨关节的例子。实际上，人体摩擦学不但涉及到骨关节系统，还已涉猎到口腔系统的牙齿、心血管系统的红血球与血管、眼系统的眼球与眼睑、皮肤系统的皮肤与毛发等9个方面的问题。例如，人工心脏瓣膜置换术已有40年的历史，是治疗占心脏病三分之一至二分之一比例的心脏薄膜病患者的有效手段。人工瓣膜要在血液流动的特殊环境下不间断地作机械往复运动，不但对其材料强度、耐磨性、耐腐蚀性有极高的要求，而且要有很好的血液相容性。因此，科学家陆续开发了金属的、有机的、陶瓷的乃至生物的人工瓣膜。至今，寻求机械性能更为稳定、耐磨寿命更长、血溶性更好的人工心脏瓣膜的研发工作一直没有停止。至于更为直观的人工骨关节的摩擦、磨损以及人工骨液润滑的问题，我们自然会联想到工业机械的轴承和润滑油，更感有着异曲同工之妙。所以说，摩擦学与生命质量也有着不解之缘。
人们发现，自然界的生物和动物有着天然的摩擦学生存适应。例如，德国科学家在提高计算机硬盘表面耐磨性的研究中，发现鲨鱼背部的表面比钢材更耐砂粒的喷射。因此，仿生的硬盘表面就成为研究方向之一。这只是仿生摩擦学简单一例。受生物、动物乃至人类有"伤病自愈"现象的启发，科学家也提出无生命物质在一定外界条件下也可以"自愈"的新概念。摩擦学工作者自21世纪初开始研究在机械摩擦副之间添加减摩修复物质以减少摩擦、"愈合"表面磨损"伤痕"、延长零部件寿命的技术。我国铁路领全国之首，在内燃机车柴油机上开展了数年严格的减摩修复科学实验，取得成功。试验机车柴油机跨越3个中修期，连续安全运行了115万公里。气缸套经历正常磨损、磨损率降低和表面自修复三个阶段，恢复到新车出厂尺寸，寿命延长了3倍有余。同时，燃油节约率也达到2.5，显示出良好的节能、节材经济前景。
大有作为的摩擦学
摩擦学覆盖着人类生产、生活活动的每一个角落，无所不及。发展好、应用好这门科学技术有着重大的经济和社会意义。中国工程院2006年至2007年开展《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》。研究报告指出：摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源。在美、英、德等工业国家，每年因摩擦、磨损造成的损失约占其国民生产总值（GNP）的2-7，而在工业中应用摩擦学知识可节约的费用约占GNP的1.0-1.4。我国2006年摩擦磨损的损失约9500亿元；我国工业领域应用摩擦学知识可节约的潜力估计为3270亿元；占2006年国内生产总值（GDP）的1.55此不难看出，摩擦学这门古老而又现代的科学技术在建设节约能源资源、改善生态环境、消除安全隐患、提高生命质量的和谐社会过程中，将延续它永不衰竭的生命力，不断攀登新的高峰。

2012-5-21

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