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摩擦学发展概况综述

姓名：XXX
学号：XXX
日期：2016年5月

目录
1.引言 2
2.近年来我国摩擦学发展的重要成就 2
2.1摩擦学教育 3
2.2摩擦学研究 3
3.现代摩擦学的发展 4
4.70~90年代摩擦学的主要研究内容 5
4.1磨损研究 5
4.2流体动压轴承 5
4.3流体静压支承和动静压支承 5
4.4弹性流体动压润滑 6
4.5固体润滑材料 6
4.6润滑油脂材料 6
4.7摩擦学测试技术及共况检测 6
5.90年代后至今摩擦学的发展方向 6
6.工业界的摩擦学研究 7
7. 摩擦学工业应用举例 8
8对摩擦学在我国国民经济中的重要作用的几点认识 9
9.摩擦学面临的挑战 9
10.结束语. 10

摘要：本文简要介绍了摩擦学的发展历史、研究内容及其在机械工业领域中的应用,并提出了当今摩擦学的主要发展方向。回顾了我国摩擦学发展的历程,综述了近年来我国摩擦学发展的重要成就,分析了摩擦学在我国国民经济发展中的重要作用,强调了节能、节资应该是摩擦学应用研究的主要发展方向。摩擦学在解决我国国民经济和社会发展中所面临的资源、能源、环境问题中具有重要的战略地位,对我国建设可持续发展的资源节约型和环境友好型社会,对国家安全、公众健康和高新技术的发展都具有重要作用。显然,国内面临的严峻形势需要我国摩擦学的发展,并赋予它新的历史使命,即摩擦学除了继续发挥它对高新技术和许多科技与工程领域的技术支撑作用之外,还应成为节约资源、能源,保护生态环境,实现经济社会与自然生态、环境资源协调发展的一支重要力量。
1.引言
按照当今的概念,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,以摩擦、磨损和润滑为主要研究内容。根据这个概念,远古时代的钻木取火技术应该是比较早的摩擦学技术,在公元前几千年的制陶工具———陶轮中人们就已经开始使用轴承;战车的使用也可以追溯到夏代。诗经里的“载脂载辖,还车言迈”是我国早期使用润滑脂的文字记载,说明最晚在2 500年前人们就已经开始普遍使用润滑剂了。我国摩擦学技术的早期研究有着悠久的历史。摩擦学(Tribolgy)一词是在1966年以后才开始使用并收入在牛津大学出版社出版的牛津英语词典中,这个新词是英国HPeterJost先生于1966年3月9日首先提出的。摩擦学包括摩擦、磨损与润滑。摩擦学被定义为“研究相对运动的相互作用的表面的有关理论与实践的一门科学与技术”。摩擦学是当今国际上研究十分活跃和受到各国普遍重视的交叉学科领域。摩擦学涉及材料科学、表面工程、流体力学、化学、物理及机械工程等学科。目前,摩擦学的研究不仅存在于机械系统中,而且存在许多领域中,如计算机工业中的磁性信息储存器、核反应堆中的摩擦学问题、医疗工程中的生物摩擦学等。
由于过去没有摩擦学的概念,各项研究工作都是在自然形成的各自的技术领域(如摩擦、磨损、润滑)中进行的,摩擦学科学研究进展缓慢。直到1966年,以H PJost博士为首的专家小组,提出了著名的《英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的报告》 (Jost报告)。该报告提出了“摩擦学”这样一个学科术语,它把摩擦、磨损、润滑及其相互作用的表面科学联系起来。摩擦学的提出对于促进该学科领域的发展具有十分重要的意义。
2.近年来我国摩擦学发展的重要成就
2006年中国工程院专门立项进行了《摩擦学科学与工程应用现状与发展战略研究》。项目由徐匡迪院长担任顾问,机械与运载工程学部副主任张彦仲院士任组长,谢友柏、薛群基、徐滨士院士任副组长,来自全国各高等院校、研究院所、大型企业和军事部门的33个单位的15位院士、 63名专家直接参加了调研工作,另有200余位各个行业的摩擦学专家教授、工程技术和管理人员协助参加了调研工作。项目组按照调研对象(行业)成立了冶金、能源化工、机车、汽车、航空航天、船舶、军事装备和农业装备等8个课题组,结合我国实际,采用面上调查和典型事例相结合的方法,选择了若干有代表性、专业人员基础较好、统计资料较完整的企业,通过问卷调查、组织座谈和专题讨论,以及深入现场收集资料等多种方式开展了调研工作。根据调查结果可以认为, 20年来我国在摩擦学教育、科研和工业应用领域取得了许多重要成果。
2.1摩擦学教育
自从20世纪80年代我国摩擦学学科正式确立以来,广大的摩擦学科技工作者非常重视摩擦学教育和普及,在摩擦学教育领域取得了丰硕成果。其主要成果可以用“一个教学体系、一支教师队伍、一套科教著作、一批高水平人才”的“四个一”来描述。经过20多年的努力,我国已经初步建立了一个摩擦学教育教学体系。根据调查结果,我国大专院校在2001— 2005年间大约平均每年招收培养与摩擦学有关的博士研究生115人,硕士研究生338人,本专科生2 019人。这个数字相对于全国400多个二级学科专业来说,大约相当于一个中小型二级学科专业的招生人数。我国摩擦学师资队伍中大约有教授200人,副教授116人,讲师和其他人员45人,总数约361人。这支队伍中凝聚了我国摩擦学教学科研的高水平人才,是我国摩擦学学科发展的先锋队。在教材建设方面, 1985年以前,我国只有两本正式出版的自编摩擦学教材。据不完全统计,从1998— 2006年,我国摩擦学工作者共编辑并正式出版摩擦学方面的教材和教学参考书30余本,其中英文教学参考书两部。温诗铸院士主编的《摩擦学原理》多次再版并获得全国科技图书奖。张嗣伟教授编著的《橡胶摩擦学》被国际著名出版社ELSEVIER以英文出版。这些科技著作和教材必将为开展摩擦学教育教学活动发挥重要作用。根据对近12年来在《润滑与密封》和《摩擦学学报》两大主要摩擦学专业刊物上发表论文的人数和篇数的统计分析,我们可以大体上得到我国从事摩擦学教学和科研的专业队伍情况:近十年来曾经参与过摩擦学研究的人员大约在5 000人以上,能比较稳定地从事摩擦学专业研究,平均3年发表一篇论文的专业研究人员大约为600人,平均每年发表一项以上研究成果的专业核心研究人员约为100人。这些数据说明我国20年来开展摩擦学教育的成绩是显著的,它为我国进一步开展摩擦学研究和应用造就了一支骨干队伍。特别可喜的是,这支队伍中有一批中青年科技精英,其中有国家杰出青年基金获得者8人。这一个教学体系、一支教师队伍、一套科教著作和一批高水平人才为我国摩擦学学科发展奠定了基础,特别是这一批高水平人才必将在我国建设节约型社会、推动循环经济和走新型工业化道路的进程中发挥重要作用。
2.2摩擦学研究
1986年全国摩擦学工业调查后,政府有关部门和学术界对发展摩擦学的重大意义有了更加深刻的认识。科技部、国防科工委、中国人民解放军总装备部等对摩擦学研究给予了很大支持。摩擦学研究机构有了跨越性发展,先后以清华大学为依托建立了摩擦学国家重点实验室,以兰州化物所为依托建立了固体润滑国家重点实验室。以清华大学、西安交通大学为代的高校学术队伍,以兰州化物所为代表的科研队伍和以原机械工业部有关院所、石油化工研究院为代表的技术开发队伍初步形成了一支比较完整的摩擦学研究队伍。据不完全统计,我国现有摩擦学研究所(中心) 26个,摩擦学研究室大约100个。
我国摩擦学研究的基础性研究经费主要来自国家自然科学基金委员会。 1986— 2004年国家自然科学基金委员会工程与材料科学部资助与摩擦学相关的研究共计335项,资助总经费计5 731.51万元。除上面项目外,国家自然科学基金委员会还资助杰出青年基金8项,优秀创新研究群体3项,重点项目11项。近年来,我国摩擦学及其相关领域的基础研究既瞄准了科学前沿,又面向国家重大装备和工程的需求,大大促进了摩擦学和相关学科的发展,同时又解决了我国国民经济、社会发展和国家安全中出现的许多重要的摩擦学技术问题,使我国摩擦学的理论与应用技术在国际上占有重要位置。例如受国家自然科学基金连续资助的清华大学摩擦学国家重点实验室在薄膜润滑和纳米摩擦学理论与技术,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室在空间和固体润滑理论、技术及其应用,西南交通大学牵引动力国家重点实验室在轮轨波浪磨损、接触疲劳与微动磨损的理论与实验,吉林大学在生物脱附、减磨原理以及地面机械脱附仿生理论与技术等领域的研究成果在国际上产生了较大影响。我国摩擦学研究,一方面在研究中得到不断发展和完善,同时又涌现出了为摩擦学的发展做出了重要贡献的数名院士和一批优秀的青年学者。摩擦学已成为21世纪初我国机械工程学科在国际上最具影响的学科之一。 1991年以来,摩擦学研究领域获得的国家三大科技奖项,计有12项。
3.现代摩擦学的发展
人们很早就会利用滚动摩擦,但对于滚动摩擦的实验研究及理论研究都很不够。滚动运动可分成三种基本滚动形式,其表面作用与摩擦机理各不同。有:自由滚动;具有牵引力的滚动;伴随着滑动的滚动。
滚动摩擦阻力主要由以下四种因素形成:1)塑性变形;2)弹性滞后;3)微观滑动;4)粘着效应。自50年代来,滚动摩擦理论为:弹塑性固体的滚动阻力主要归因于固体接触过程中的变形损失及滞后损失。滚动阻力的大小主要取决于下列四个方面:1)滚动的类型及受力方式:2)滚动副的弹塑性性质(如弹性摸量,屈服点);3)负载大小;4)两物体的大小、形状及相互配置关系。另外,滚动阻力一般随负载的增加而增大,随滚动半径的增大而减小,但不一定成线性关系。
在中国摩擦学发展历程中,特别值得纪念的是第一次全国摩擦学学术大会。 1962年10月15日— 20日在兰州由中国科学院技术科学部和中国机械工程学会联合举办了“第一次全国摩擦、磨损和润滑研究工作报告会议”。会议收到论文51篇,有96个单位的160多名专家参加了会议,分3个小组宣读和研讨了28篇学术论文及5个专题报告。会上还建议在中国机械工程学会下筹备成立摩擦、磨损与润滑学会。1979年3月18— 25日中国机械工程学会在广州主持召开了“第二次全国摩擦磨损润滑学术会议”,会议期间成立了“中国机械工程学会摩擦磨损润滑学会”,选出了由42名科学技术工作者组成的第一届理事会。与会代表沟通了情况,提高了认识,研究、提出了包括科研、教育、培训等内容的中国摩擦学发展的策略。“摩擦磨损润滑学会”经过将近两年的学术讨论之后,在1980年11月于苏州召开的第一届理事扩大会上,全体同意将本学会名称正式定名为“摩擦学学会”。
我国20世纪80年代的摩擦学工业应用调查对摩擦学的发展具有重要的影响。这次调查从1982年3月在北京召开的“摩擦学工业调查座谈会”开始,通过1982年8月的兰州会议、 1983年7月的安徽会议、1983年9月的大庆摩擦学工业调查现场座谈会、1984年10月的镇海座谈会和1985年12月的厦门“全国摩擦学工业应用技术交流会”等6次会议,参加调查的人数达5 000人以上。调查的直接收获是得出了在中国应用摩擦学技术可能获得的潜在经济效益的一个较为客观的估计。这个估计数值是根据各个行业提供的应用案例或实验数据测算来的。根据比较有说服力的各行业调查报告的测算结果:冶金行业节约为2.8～ 4.4亿元,石油行业约为2.8亿元,煤炭行业为3～ 4亿元,铁道运输业为3～ 4亿元,农机行业约20亿元,交通运输(汽车)行业约为5亿元。“根据我国对冶金、石油、煤炭、铁道运输、机械5大行业的调查,经过初步统计和测算,应用已有的摩擦学知识,每年可以节约37.8亿元左右,约占这5个行业1984年`可计算部分'生产总值的2.5%左右”。这部分产值相当于1984年工业总产值的20%,按此比例推算, 1984年我国应用摩擦学可节约的潜力为176.4亿元,约占国民总产值的1.37%。进一步推算到2000年,应用摩擦学技术在工矿企业中的节约潜力约为400亿元。根据石油、冶金、煤炭等有关企业估计,要获得这些经济效益估算投资效益比大约为1∶50。这次调查的意义不仅仅在于它第一次给出了中国开展摩擦学研究、教育和应用活动的经济效益估计,也不仅仅在于它第一次动员了那么多企业和技术人员参加,更重要的是,它使众多的企业和广大的技术人员认识到了摩擦学应用的重要性,极大地促进了摩擦学技术的应用,对其后的摩擦学发展起到了重要的推动作用。
4.70~90年代摩擦学的主要研究内容
4.1磨损研究
通过对磨损状态和磨损微粒的分析及对磨损过程的深入研究,出现许多磨损机理研究。早期有粘着磨损理论,磨料磨损理论和疲劳磨损理论。近代有磨损的剥层理论,此理论是由美国的SUH提出的,它是以位错理论以及靠近表面金属的断裂和塑性变形为基础的。通过扫描电子显微镜的照片分析表明,磨损碎片的形状为薄而长的层状结构是由于表面下裂纹生长的结果.
磨损、腐蚀与断裂是机械零件损坏失效的三大主要原因,在摩擦学中对磨损的研究占有较重要的地位。
磨损机理和影响因素1)磨损机理的基础研究,如摩擦表面分析、次表层结构和应力以及表面疲劳机理分析等;2)工程研究,如开发新型耐磨、减摩材料和磨损实验方法等。在磨损机理的研究上,已有不少学者提出了众多的理论如微观切削理论、原子转移理论、粘附失效理
论、疲劳失效理论、剥层失效理论、能量理论等,所有的摩擦磨损理论还存在一些不完善的地方,没有全面的、综合的、统一的概念。由这些理论选用相应的磨损模型,加上统计分析法等来分析和评价机械零件的耐磨性。从国外磨损机理研究可看到,当前摩擦学研究已经进入一个新的阶段,即采用微观、表面分析仪器来观察表面形态的瞬间变化和表面化学成分的变化;采用先进数据处理设备,处理实验所得的数据。
在开发新型耐磨、减摩材料方面,金属玻璃、聚合物复合材料、橡胶和陶瓷得到很大发展。各种新型表面处理工艺如涂敷、刷镀、离子注入、离子敷涂、离子溅镀、表面速熔、电子束熔化、激光表面熔化等工艺得到快速发展。在摩阻方面经历了三个发展阶段,即天然材料~合成材料~多种材料复合。
4.2流体动压轴承
流体动压轴承的研究己有一个世纪,基本理论己相当成熟,然而由于机械设备向超大型化、自动化、高精度和高参数运行发展,需要相应的轴承。1)新型结构或特殊用途轴承。2)轴承计算中考虑惯性、紊流、热效应及表面粗糙度、弹性变形、轴颈歪斜等影响。3)改善轴承动态特性和可靠性。4)应用有限元法、有限差分法、变分直接法和电子计算机辅助设计等提高计算精确度。
4.3流体静压支承和动静压支承
流体静压支承已作为一种成熟技术广泛应用于机床和各种机械、精密仪器中,具有回转精度高、抗振性好、摩擦阻力小、能耗低、使用寿命长等特性。其发展有以下几方面:
1)从一般结构形式的静压支承到特殊结构形式的静压支承;
2)从静压支承的原理与结构上增加节能措施;
3)提高支承动态特性和运转精度;
4)使用差分法、有限元法及电子计算机辅助设计计算测试及处理实验数据;
5)支承的标准化、系列化和通用化。
4.4弹性流体动压润滑
有关光滑表面的弹流润滑理论,尤其是等温状态下膜厚与膜压计算已较成熟。在弹流润滑理论研究中,部分膜弹流和微弹流有了很大发展。而粗糙表面的弹流润滑理论
4.5固体润滑材料
随着现代技术的发展,愈来愈多的机械需要在无油或少油润滑条件下工作,解决此类问题的关键是研究和应用固体润滑材料。特别是那些在特殊共况下工作的机械,对固体润滑材料的承载能力、寿命及环境适应能力有更高的要求。摩擦副的高温工作状态对固体润滑材料提出了更高要求。
4.6润滑油脂材料
我国润滑油脂材料发展快,生产形成规模。但科研水平与国外先进水平相比有差距。
4.7摩擦学测试技术及共况检测
常用的工况检测技术有光谱分析、铁谱、放射性同位素测量技术、污染度自动计算分析仪等。
5.90年代后至今摩擦学的发展方向
1997年9月8日至12日,在英国伦敦召开了第一届世界摩擦学大会。这次大会是自从摩擦学这门新学科在1966年创立后,第一次在世界范围内召开的规模空前的盛会。会议探讨了当今摩擦学的发展方向。
1)润滑和磨损仍是当今摩擦学研究的两大主题,但更注重工业应用。
在润滑研究方面,主要涉及弹性流体动力薄膜和边界膜,厚流体膜轴承,转子轴承,固体润滑及汽车发动机润滑等。在磨损研究方面,主要涉及表面接触力学、金属系统、陶瓷系统和高分子材料系统磨损。
2)表面工程的研究是当前摩擦学的重要领域。
表面工程是摩擦学研究的基础,因摩擦、磨损和润滑一般都发生在相对运动的摩擦表面上,因此了解和研究摩擦表面形态、接触过程、提高表面耐磨性的工艺方法和表面抗摩减磨材料的使用技术等,均是表面工程研究的主要内容,也是当前国际摩擦学研究的重点之一。分以下几个内容:
a)表面耐磨涂层技术发展。如CvD化学气相沉积法,yPD物理气相沉积法及离子注入技术法可制得厚度只有几个亚微米(纳米级)但硬度极高的表面涂层。
b)表面高分子抗摩耐磨材料。为满足高精度大型机床发展的需要,德国率先在国际上成功开发了低摩擦系数、高耐磨性、无爬行和高强度的环氧涂层材料,解决了机床在重载低速运行下的爬行问题。这种表面抗摩涂层是由高分子化合物环氧树脂及高性能的填料组成。另一类表面高分子抗摩材料是以美国震板公司开发的用于滑动表面的高分子抗摩软带。它是以聚四氟乙烯为基添加不同填料所成的高分子复合材料。
c)激光表面的改性技术。激光技术是本世纪60年代出现的重大科学成就之一。经
过了30年的发展,’已成为一项重要的金属表面强化技术。其优点是:加热速度快,无需淬火介质:可对工件选择性处理,变形小,可在廉价材料表面取得摩擦学性能优异的合金层。按激光密度由小到大顺序分为:激光相变硬化、激光包覆、激光合金化、激光上釉和激光冲击强化等。据报道,激光热处理后其材料表面硬度可达110OVH。
3)摩擦学系统工况检测及故障诊断技术
工况检测技术在40年代从航空工业开始迅速扩展应用到机械工业、铁路机床、船舶、采矿冶金及化工等许多部门。铁谱技术是70年代初发展起来的一种机器磨损状态检测和故障诊断技术。随着电子计算机广泛应用于状态检测与故障诊断,各不同的检测方法已逐步形成一个系统的状态检测技术体系,不仅应用在机械设备故障诊断中,而且形成摩擦学系统状态检测与故障诊断技术。按磨屑磁性沉淀原理设计的铁谱仪目前有几种类型:直读式、分析式、旋转式及在线式。
4)磁记录系统摩擦学研究是微观摩擦学领域的热门课题。
近巧年来,微观摩擦学研究在许多国家已逐步深入,并取得很大进展。微观摩擦学(Miintirbolog卯或称纳米级摩擦学(Nan。一tirboogy)近年来在国际上引起广泛兴趣,因为它对现代磁记录系统的发展起了重要作用。纳米摩擦学是研究纳米尺度(1一10mn)的超薄膜的摩擦学行为。纳米尺是介于原子、分子与宏观物体间尚未被充分认识的新领域。常用磁盘保护层厚度20一30lnn。专家预测,随着高新技术发展,这层保护膜厚度可减小到10二或更薄。5.研究摩擦学对机械工业的重要意义摩擦学是一门应用科学,在国外发展很快.摩擦学研究成果对于提高机械设备运行可靠性、延长使用寿命、减少事故发生及节约能源和原材料消耗等方面己取得很大经济效益。
摩擦学是一门研究作相对运动的相互作用的对偶表面的理论和应用的科学技术。也就是研究各种机械设备普遍使用的运动副如轴承、齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副、传动链或皮带、滑动导轨副、缸套活塞环、犁烨、斗齿、钎套、纺锭等等在相对运动时接触表面的摩擦磨损与润滑问题。摩擦过程,其实也是能源损耗过程,因此减少摩擦和由于摩擦而造成的磨损也就是减少能源损耗。润滑是降低摩擦,减少磨损,节约能源和大幅度提高经济效益的重要措施.众所周知,世界上目前能量的平均有效使用率不超过60%,也就是说有1/3~1/2能量是在传递过程中消耗在克服摩擦上,同时还使零件表面产生磨损。机器的零部件因摩擦磨损导致失效而必须更新或修理的,约占部件总数的60一8%0。为了修复和更换已磨损的零配件,又要花费大量能量、材料和人力。从国外报告可知,开展摩擦学科研与教育培训,采用优化的机械设计,
适当进行润滑,降低摩擦,提高产品效率、可靠性和质量,延长产品使用寿命,就可以节约能源,减少表面磨损,从而减少零配件消耗能量和维修工作量,得到最大经济效益.从英美等国的调查报告所列举的数字可看到,充分运用已有的摩擦学知识,可使该国工业所节约的费用,相当于国民经济总产值的1%。
6.工业界的摩擦学研究
英国工业界的摩擦学研究很广泛,其特点是与学术界有很密切的联系。具有代表性的单位有以下几个:
(1) Jost摩擦学技术研究所: 2003年8月成立于中兰开夏大学技术系,主要开展与工业有关的研究与教学以及技术转移工作。
(2) Unilever公司:它有重大的摩擦学研究计划用于支持大量的食品以及家庭与个人护理的产品。该公司有员工23万,每年用于研发的费用约10亿英镑(相当于营业额的2.5%)。用于改善产品质量的摩擦学研究主要在两个研发实验室进行。近几年来进行的摩擦学研究有:牙齿磨损,牙刷的磨粒磨损以及与进食食物口感有关的水溶液聚合物的流体润滑等。
(3)国家摩擦学中心(NCT):它是AEA技术公司的一部分。其研究活动由工业界或政府资助,摩擦学研究主要有:空间摩擦学(真空环境下的高温润滑、低温摩擦学),轴承(用聚合物轴承取代金属轴承的新轴承设计研究),表面工程(富勒烯纳米颗粒涂层的研究,新型固体润滑涂层的开发,低粘附界面的研究,聚合物的粘滑行为),微观摩擦测量仪,轮轨摩擦学。
(4)国家物理实验室(NPL)材料中心。与摩擦学有关的工作涉及表征表面机械性能测量方法的开发与认证,包括摩擦学测试方法的开发,以及表面工程和涂层材料机械性能的测量等。他们的主要研究活动是围绕一项由英国贸易和工业部(CDI)与英国工业界联合资助的3年研究计划。近期的研究项目包括:在与工业相应条件下的材料与涂层的磨损,薄涂层特性的测量,硬材料的表面性能等。
7. 摩擦学工业应用举例
应该肯定,我国在摩擦学工业应用领域已经取得了巨大成就。但由于摩擦学带来的效益涉及国民经济的方方面面,要给出一个全面的统计数据却不是一件容易的事情。这里仅列举几个例子进行说明。
摩擦学在汽车行业发挥了非常重要的作用。近20年来,汽车润滑剂更新了5代。 1987年前我国汽油机油86.3%是SB级的[9], 2005年我国轿车用润滑油中SF及其以上等级的润滑油已经占据了81%[10]。这种变革使润滑油的抗氧化性、抗磨损性和抗腐蚀性有了很大提高,提高了汽车的寿命和可靠性,降低了维修成本。在这20年中,多级润滑油从无到有,至今已经普遍取代了单级油。仅就润滑油带来的汽车节省燃料油一项,按我国2005年汽油消耗4 076万t,车用柴油消耗9 274万t,以现代润滑剂比80年代的SB润滑剂节能10%计算,每年可以节约燃料油1 300万t以上,节约资金在500亿元以上。如果加上维修费用的降低和寿命提高带来的效益,则这个数字还要大得多。
现代润滑油的更重要的作用是减少了汽车排放。如英国专家IanTailor所言:“事实上典型的现代交通工具的排放已经降低到60年代产品的1/50”。其中润滑技术的进步发挥了重要作用。在铁路运输行业中, 1984年摩擦学调查时提出的第一个摩擦学节能措施就是在新造货车上全部安装滚动轴承,根据实验数据,滚动轴承比滑动轴承可减少基本运行阻力11%～ 22%,减少启动阻力75%～80%[11]。现代机车已经普遍采用了滚动轴承,并且滚动轴承的阻力系数比当年也有了显著下降。
2006年全国铁路完成货物周转量21 714.73亿吨公里,如果按2000年电力机车单耗129.8kW·h/万吨公里的15%计算,约可节电42亿kW·h。仅此一项就节约资金25亿元以上。此外,随着大功率机车的发展,机车质量和轮轨摩擦副的摩擦成为决定列车牵引力的主要因素,以此为基础发展起来的动车组已经成为铁路提速的重要发展方向,其社会经济效益是相当巨大的。据冶金行业的调研,通过摩擦学的应用,在冶金工业中设备修理费和备件消耗费有了显著下降。我国2003年全国钢铁行业的吨钢修理费为109.9元, 1999年为125.94元, 2003年吨钢备件消耗为76.53元,而1999年为92.45元。
按2003年全国钢材产量2.41亿t计算,仅此一项, 2003年比1999年全国冶金工业在修理费和备件消耗方面就已经节约了大约77亿元的资金。在航天工业中,许多高新技术是难以依赖引进的,要解决这些问题就要靠我们自己的高技术成果。我国航天工业领域对摩擦学的重视程度是比较高的,在空间摩擦学领域已有40多年的积累,研究工作针对液体火箭、各类卫星及“神舟”飞船等的润滑材料与技术需求,解决了相关运载工具和空间飞行器的润滑问题,为我国航天事业的发展做出了应有的贡献。从航空航天事故发生的概率分析来看,我国航空航天事故发生率显著低于国际平均值,这里面也不乏摩擦学的重要贡献。
8对摩擦学在我国国民经济中的重要作用的几点认识
(1)摩擦学在国民经济中最能产生直接经济效益的作用就是节能。在中国工程院的调查中,最重要的预期潜在经济效益就是汽车节油,它约占总效益的70%以上。其实在许多领域中应用摩擦学都是可以节能的,如煤炭行业、冶金行业、建材行业、石油行业、机械制造业等行业都应该有非常大的节能潜力。能源是国家推动循环经济和实现社会可持续发展要考虑的重要问题,随着社会发展和能源价格的提高,这种效益将会变得更加突出。摩擦学科技工作者应该尽最大努力去发挥和实现摩擦学的这种重要作用。
(2)摩擦学在延长设备寿命、提高设备可靠性、减少事故停产等方面所发挥的社会效益是远大于经济效益的。冶金行业中提供了1999— 2003的5年间应用摩擦学技术使维修费用降低的宝贵数据,它表明我们的摩擦学应用已经于2003年为国家节约了近80亿元的资金。其实在许多行业中我们都已经发挥了这种作用,只是数据统计上有一定困难。此外,要获得通过应用摩擦学延长设备寿命、提高设备可靠性、减少事故停产等带来的效益的数据会更加困难,但是,可以肯定延长设备寿命、提高可靠性以及减少设备故障给企业带来的社会经济效益要远比直接经济效益大得多。
(3)关注环境,以人为本,摩擦学将在国民经济和社会发展中发挥更大作用。现代润滑技术已经在控制汽车排放方面发挥了重要作用,摩擦材料的进步也为减小环境污染做出了重要贡献,生物摩擦学已经为许多疾病(心脏病、关节病、口腔疾病等)患者带来了福音。随着社会的进步以及人们对生存环境的关注,摩擦学在减少污染,改善环境,提高生活质量方面的作用将会更加突出。此外,有效地掌握和控制摩擦,对于提高设备性能和可靠性,特别是对于安全生产和避免安全事故具有极其重要的社会经济效益。
(4)摩擦学在推动科技进步、提升国家科技实力方面的作用是非常重要的。我国的早期摩擦学科学研究有很重要的一部分是中国科学院为解决“两弹一星”发射中的关键技术问题而开展的,许多摩擦学科技工作者已经为国防尖端科技做出了突出贡献。在微纳米领域中,摩擦学研究也已经为推动磁盘抛光、芯片制造、微纳米机械设计和制造等高新科学技术的发展发挥了重要作用。此外,摩擦学是一个充满着高技术的专业学科,从宏观宇宙的星际摩擦学到微观世界的纳米摩擦学,有许多前人未曾涉足的领域需要我们去探索和研究。科技创新将是我们全体摩擦学科技人员面临的重要挑战。
9.摩擦学面临的挑战
在未来的10年,摩擦学研究面临的挑战将主要来自生态/环境,信息和生物3方面的技术发展和需求。未来环境和能源的需求将会提出越来越困难的摩擦学问题,常规的摩擦学考虑将会被排除在主要的设计和开发过程之外,而对再循环、轻量化和在摩擦学应用中采用仿生的办法等技术的需求将会随着设计的可持续性需求的增加而增长。我们将面临多方面的挑战,如想取得重大的突破和进展,就必须克服开展跨学科研究和利用全球装备的各种障碍。
根据摩擦学本身的科学属性和技术属性,它不是带头的主体(主干)学科,然而却是一种对许多学科不可缺少的、起支撑作用的基础性学科。它不是单一技术,而是一种集成的共性技术。因此,它的发展必须与被支撑的各种学科与技术领域紧密结合,以充分发挥其支撑作用,同时还要善于通过跨学科的方式充分发挥其集成技术与共性技术的作用(例如,在机械装备的全寿命过程运用集成技术)。
对于机械零件和发动机应用这样一些传统的摩擦学领域,不断增长的需求将对现有技术产生影响。今后要求机械零件和发动机在越来越高的负荷,转速和温度的条件下运行,这对材料的性能和润滑技术是一个挑战,并要求发展先进的寿命预测和性能评价方法。
美国国家标准和技术研究院(NIST)的徐明炯在摩擦学前沿国际研讨会(2005, 5, 8 -29,日本,神户)上所作的“摩擦学研究的未来”这篇报告中,提出摩擦学的主要挑战是能够设计出可达到预期寿命的自修复、自保持的摩擦学系统和具有特定概率寿命的、不用维护的摩擦学系统。如何普及和改进摩擦学的教育与培训,并更使更多的工程部门从这个重要领域充分受益,以增强广大工程技术人员的摩擦学意识,这也是一个挑战。
10.结束语.
多年来,具有多科性摩擦学在基础研究和工业化应用方面在世界范围内得到飞速发展,并且深入各领域尤其是高新技术,人们已经认识到摩擦学知识的正确应用对一个国家国民经济和促进高新技术领域的发展显示其巨大作用。摩擦学是科学和工程学中最重要的领域之一,因为它既具有提高产品的可靠性、延长其使用寿命及节约材料和能源的意义,又是当今最活跃的交叉科学领域之一。它涉及流体力学、固体力学、化学、物理、材料科学、数学和机械工程学等学科,其所研究的对象复杂,要求多学科配合进行。摩擦学研究的多样性,加上它对工业的重要性,迫使我们要特别注意其发展概况和趋势,以便因势利导使摩擦学研究在经济建设中发挥更大的作用。
在预测科学研究的发展趋势时,必须注意区别科学带动的研究和技术带动的研究。对于前者,技术发展是在特殊的科学取得突破之后;而对于后者,则是科学研究跟随着一个即将来临的技术发展。摩擦学研究是一个技术带动的领域。其过去的许多贡献都是出现在某些技术发展受阻或需要重大改进的时候。如铁路运输和水力发电技术中需要更好的润滑,引起了流体动力润滑的发展;内燃机引起了润滑添加剂的发展;涡轮发动机的润滑需要产生了弹一流润滑和发展了合成润滑剂;宇宙飞行中的特殊润滑要求引起了固体润滑的发展;需要延长金属高速机加工中切削工具的使用寿命又引起了耐磨硬涂层的发展。
当前,先进的内燃机、燃气轮机系统、计算机工业的磁记录系统、空间技术中的空间站和太空发电站系统,以及机器人装置和生物医学工程,都属于摩擦学能够和应该起重要作用的领域。尽管这些技术领域每一个均有其独特的要求,但其基础问题是类似的,汇集起来形成了上述摩擦学研究的发展趋势。换句话说,笔者在综合各方面意见的基础上认为,跟着这些趋势开展摩擦学研究有可能导致这些技术领域的大发展,摩擦学本身也会获得长足的进步。当然,这是带有预测性的,“在任何领域里进行预测都可能有差错”阁,然而即使是“没有把握的预测也比从来没有预测要好”。
总之,这些年来摩擦学的概念在全世界不仅已逐步得到学术界、产业界及政府有关部门的承认,而且摩擦学学科本身也取得了许多成果。有的企业已充分认识到摩擦学所能带来的经济、技术和环境保护的利益,已开始注意进行摩擦学的设计,或主动要求进行针对性很强的研究。尽管摩擦学研究已取得了很大的进展,但其在应用方面的进展不快,效益也不够理想,在机械设计中真正进行摩擦学设计的更少,研究成果转化为生产力也远没有达到应有的水平。关键可能在于摩擦学的教育远没有普及,许多企业对摩擦学的作用认识不够,再加上摩擦学的研究课题并非都是企业所急需的。本文的目的之一就是通过讨论摩擦学研究的发展趋势,使未来的摩擦学研究朝着更适合于实际需要和更富有成效的方向发展。

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