专用材料与器件研究部

耿 哲

人类自诞生之日起，摩擦始终伴随着人类的活动。人类与摩擦

利用摩擦生热钻木取火

古埃及人使用水作润滑剂搬运石像

利用齿轮传动的记里鼓车

“ 滚动”战胜“滑动”——车轮的发明

和使用

复原的西周马车水

石像

用于碾压谷物制成粉浆或去皮的石磨和石碾子

使用了径向轴承和止推轴承的风车

瓦特改良蒸汽机，开始工业革命，摩擦学获得新的发展

当今社会遇到的摩擦学问题

航空发动机的摩擦磨损

水电站水轮机叶片的冲蚀

航天器的固体润滑

高速列车轮轨的接触疲劳 ……

石油的加工利用开启了矿物润滑油称霸的时代

人类与摩擦

摩擦的早期实验研究

列奥纳多 · 达 · 芬奇

Leonardo Da Vinci(1452-1519)

阿蒙顿G. Amontons(1663-1705)

德萨居利斯Desaguliers(1683-1744)

测量平面和斜面上的摩擦力

研究表面接触面积对摩擦力的影响

滚柱和半轴承上的摩擦力矩

最早对摩擦现象作定量研究。

提出摩擦粘附概念。

做了一系列摩擦、磨损和润滑实验，设计轴承，并首次定义摩擦系数。

计算作水平运动所需的力的装置

铅的粘附作用实验

库仑Coulomb

(1736-1806)

欧拉Euler

(1707-1783)

从静摩擦研究扩大到动摩擦研究，引入 μ作为摩擦系数符号，导出 μ=tanα， α为斜面与水平面的夹角。

左图为研究斜面上物体运动的示意图

库仑的实验工作分析全面、操作精确、观测仔细、记录严格，是实验研究客观规律的典范，并第一个用实验研究了滚动摩擦。

测滑动摩擦力的装置 研究滚动摩擦的装置

摩擦的早期实验研究

古典摩擦定律摩擦的早期实验研究得出了“古典摩擦定律”：

1 摩擦力与法向载荷成正比；

2 摩擦力与物体大小无关；

3 滑动摩擦力与滑动速度无关；

4 静摩擦力总是大于动摩擦力。

大家对上述摩擦定律都很熟悉，因为中学物理教材都会提到上述内容，还会给出一张物体之间的摩擦系数表格。但是上述摩擦定律却是不严密的。它存在局限性，原因是滑动摩擦系数不是恒定的，它受到表面膜、材料参数、润滑条件、温度、滑动速度、载荷等因素的影响。

摩擦的起因究竟是什么

机械啮合学说——认为摩擦是由摩擦是由表面粗糙的凹凸不平引起的。分子学说——分子 ( 原子 ) 被迫进入彼此的引力场而又被分开时消耗能量。分子机械理论——统一分子和机械两种学说。焊合、剪切、犁削理论——金属与金属紧密接触区出现“冷焊”，需外加剪切力将这些接点剪断；硬表面的微凸体会犁削软材料，二者合计构成摩擦力。能量理论——认为在金属的摩擦中，主要能量都消耗在塑性变形过程中。

从达 · 芬奇对摩擦的研究至今，科学家们对于摩擦原因的解释提出了各种理论，主要有：

但是影响摩擦的因素相当复杂，现有的学说仍无法完整和圆满地将摩擦的物理机制说清楚。

……

摩擦学是研究做相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技术。

那什么是摩擦、磨损和润滑呢？

什么是摩擦学1966 年，英国教育科研部关于摩擦学教育和科研的报告（ Jost 报告）正式提出“摩擦学”概念。摩擦学（Tribology ）定义：

摩擦学包括摩擦、磨损和润滑等研究领域。

在外力作用下物体相互接触表面之间发生切向相对运动或有运动趋势时出现阻碍该运动行为并且伴随着能量损耗的现象和过程。

有趣的问题摩擦系数的影响因素很多 , 而磨损的成因也很复杂 , 这些因素对摩擦系数和磨损的影响是不同的。例如在润滑条件下工作的工件 , 摩擦系数低 , 但材料表面因疲劳仍会发生磨损；再如高温条件下 , 某些材料表面生成软质疏松的氧化膜 , 使摩擦系数降低 , 但它们易被去除而使材料磨损严重。

生活中的摩擦与我们形影不离早晨我们醒来，眼皮和眼球完成全天的第一个摩擦。随后的穿衣、走路、刷牙、洗脸、吃饭都需要摩擦。

鞋底纹路的设计需考虑止滑性能

摩擦传动 弦乐器需摩擦发出美妙的音乐

体育中的摩擦不胜枚举

什么是摩擦学摩擦

打绳结需要摩擦摩擦系数低，材料磨损就轻吗？

磨损

有趣的问题材料耐磨性和硬度、屈服强度等常规力学性能不同，它不是材料的固有属性，而受使用工况条件、材料本身性能及相互作用等因素的影响。因此单凭硬度很难判断材料的磨损就轻。

磨损表面形貌千变万化

按磨损机理，将磨损类型分为 6 类：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损。

磨损不像摩擦那样具有简单的定律。

磨粒磨损 粘着磨损 疲劳磨损 微动磨损 冲蚀磨损

什么是摩擦学由于摩擦造成相互接触表面损伤、变形或表层材料逐渐流失的现象和过程。

材料硬度越高，磨损越轻吗？

有趣的问题答案是否定的。润滑剂的首要功效当然是减少摩擦，控制磨损，但除此之外，它们还有清洁、冷却、防锈、减振、密封、传递动力及降低噪声等一系列作用。

生活中的润滑点点滴滴

铅笔芯粉末撒在钥匙上，开锁更自如

滴几滴润滑油在门轴上消除“嘎吱”声

自行车链条的润滑 理发师将剃刀在粗帆布上打镗，磨光刀面并黏上一层润滑膜

什么是摩擦学在相对运动又相互作用表面间加入易剪切物质以减少摩擦和控制磨损的方法。

润滑

润滑剂的作用只是润滑吗？

如何做摩擦磨损试验摩擦磨损试验分为实验室试验、模拟（台架）试验和现场使用试验。

小提示

实验室常见的摩擦磨损试验机

四球机 往复试验机 销 /盘试验机

环块试验机

交叉圆柱试验机接触疲劳试验机 磨粒磨损试验机 环 -环试验机

做摩擦磨损试验，应注意研究载荷、速度等试验参数的变化对材料摩擦磨损性能的影响。避免在单一参数条件下，就对材料的摩擦磨损性能做出评价。

实验室试验 实验室的摩擦磨损试验机有点、线、面接触形式；有滑动、滚动、 滑滚混合摩擦形式；有旋转、直线、冲击、振动、单向、往复等运动形式。实验前需选择合适的试验机和试验参数，尽量模拟材料的服役工况。

摩擦学的新兴研究领域空间摩擦学 专门研究空间运载和飞行器件相互接触、相对运动表面的摩擦、

磨损和润滑的一门学科。

特点 高真空、温差大、微重力、强辐射和原子氧

研究对象

空间站 火箭 卫星 载人飞船

各类航天器和运载工具的运动机构如电源系统、姿态控制系统、天线系统和推进系统等所涉及的运动部件如滚动 / 滑动轴承、齿轮、蜗轮 / 蜗杆、滑动电接触件、轴、紧固件、电接插件、密封件等等，还有许多一次性动作和重复动作的部件，都要求良好的润滑和防止冷焊。

纳米摩擦学 在原子、分子尺度上（ 0.1 ～ 100 纳米）研究相对运动界面的摩擦、磨损与润滑的行为和机理。

特点 经典摩擦定律不适用于原子尺度。

研究对象纳米颗粒作为复合材料的填料或油品的添加剂，改善材料的摩擦磨损性能。微机电系统（ MEMS ）、微结构制造、纳米精度加工 / 控制、表面微改性技术中的微摩擦、微磨损问题和纳米级厚表面膜的润滑问题。

IBM公司制作的“量子围栏” 生物分子马达 硬盘中的微摩擦

摩擦学的新兴研究领域

生物摩擦学 研究与生物系统相关的所有摩擦学问题。分为人体生物摩擦学和动物仿生摩擦学。

人体生物摩擦学

动物仿生摩擦学

研究人体器官和人工组织的摩擦学行为，直接关系人类的生命健康。

研究动物体外表适应自然环境的摩擦学行为，发展、提升工程摩擦副的性能。

隐形眼镜与眼睛的摩擦 护发品对头发的润滑 牙齿的磨损 人工关节的磨损

减小水摩擦阻力的“鲨鱼皮”泳衣 黏附于物体表面的壁虎机器人

摩擦学的新兴研究领域

研究高低温、高速、真空、辐射等特殊条件下的摩擦、磨损和润滑问题。

特殊工况摩擦学

在航空发动机中，气路密封配副叶片材料的失效分析和可刮削涂层的性能评价，以及某些部件表面涂层的高温摩擦磨损性能等。航空发动机

核电站

核电站中一些部件也存在摩擦磨损问题。如核电泵用机械密封摩擦，辐照监督管的微动磨损等。

摩擦学的新兴研究领域

涂层摩擦学 表面工程的巨大进步导致涂层摩擦学的形成与发展。

涂层和基体材料作为一个整体系统进行材料设计，各自具备其最需要的性能。基体材料具有强度和韧性；而涂层具备耐磨、耐蚀、耐热载荷和所需要的摩擦性质。

覆盖涂层的表面在不同区域具有的影响摩擦学性质的性能

摩擦学的新兴研究领域

碳摩擦学 碳摩擦学研究来源于形态不同，结构特征各异的炭材料家族的摩擦磨损特性。

碳纳米管由于管状分子外形和优异的机械特性，被寄希望应用于润滑剂、复合材料、纳米制造等方面，提供减摩、耐磨和润滑性能。 多层石墨烯（ Few-Layer Graphene, FLG ）系统中存在多个层间界面，受剪切时，会发生复杂的多界面滑移的行为，滑移行为能显著影响摩擦力。

碳纳米管与石墨基底的摩擦

碳纳米管与 Si基底的摩擦 多层石墨烯摩擦的分子动力学模型

摩擦学的新兴研究领域

生态摩擦学

地质摩擦学

也叫环境摩擦学或绿色摩擦学，研究生态系统中以及对生态系统和环境产生影响的摩擦学问题。研究内容包括环境友好润滑剂、无公害摩擦学材料、摩擦降噪、减振等。

研究地质运动过程中相对运动的相互作用表面上各种现象产生、变化和发展的规律性及其应用的科学。研究内容包括地质运动过程中的摩擦、磨损、润滑和摩擦化学反应，钻井过程中的摩擦磨损问题等。

地震是岩体沿断层在摩擦控制下的力学作用引发的

地下水的润滑作用使堆积岩沿基岩下滑，造成滑坡

摩擦学的新兴研究领域

摩擦学期刊

摩擦学与材料研究相结合，将有广阔的发展前景。没有摩擦学，人就不可能生存。

谢 谢！参考资料《奇妙的摩擦世界》崔海霞，陈建敏，周惠娣 科学出版社 2010《摩擦的早期实验研究》郭奕玲，沈慧君清华大学摩擦学国家重点实验室网页《材料磨损原理及其耐磨性》刘家浚 清华大学出版社 1993《碳纳米管与摩擦学前沿》 ppt 李瑞《 Coatings Tribology》 Kenneth Holmberg, Allan Matthews Elsevier 2009部分图片来自“百度图片”磨损表面形貌来自多篇文献，恕不一一列举，在此感谢相关文章的作者。