摩擦學(xué)發(fā)展前沿

1、1,主要內(nèi)容,歷史回顧 摩擦磨損與國(guó)民經(jīng)濟(jì) 摩擦學(xué)學(xué)科概述 摩擦學(xué)研究前沿及國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀,,,2,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,節(jié)能摩擦學(xué)節(jié)能摩擦學(xué)： 通過摩擦學(xué)設(shè)計(jì)（如SG管）、潤(rùn)滑、表面工程、摩擦材料等技術(shù)手段以降低摩擦和磨損引起的能量損失和材料消耗。摩擦學(xué)的節(jié)約作用: 摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑技術(shù)是減少發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑區(qū)的摩擦損耗、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能源經(jīng)濟(jì)性的主要途徑。,,3,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,,汽車：機(jī)械損耗占內(nèi)燃機(jī)總能耗的15％

2、，而摩擦損耗占80％。發(fā)動(dòng)機(jī)油使用摩擦改進(jìn)劑，可節(jié)約燃料0.7～4.0％；齒輪油使用摩擦改進(jìn)劑，可節(jié)約燃油1.0～6.0％。,4,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,環(huán)境友好摩擦學(xué)環(huán)境友好摩擦學(xué)：研究生態(tài)系統(tǒng)中和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境產(chǎn)生影響的摩擦學(xué)問題及其防治的科學(xué)和技術(shù)。環(huán)境友好潤(rùn)滑劑、無(wú)公害摩擦材料、降噪、減振、……,,5,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,環(huán)境友好摩擦學(xué)----主要包括環(huán)境兼容潤(rùn)滑劑、環(huán)境友好潤(rùn)滑技術(shù)以及噪聲防治技術(shù)等歐盟每年銷售的450萬(wàn)

3、噸潤(rùn)滑油的13%在無(wú)控制的狀態(tài)下進(jìn)入環(huán)境，而泄露核事故導(dǎo)致的液壓油損失達(dá)8%。環(huán)境友好潤(rùn)滑劑及添加劑必須具有生物可降解性、較小的生態(tài)毒性和毒性累計(jì)性。,,6,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,摩擦噪聲防治主要研究對(duì)環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染嚴(yán)重的高頻尖嘯摩擦噪聲和摩擦副表面形貌對(duì)摩擦噪聲的影響。環(huán)境友好潤(rùn)滑劑主要研究包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品加工、采礦等用潤(rùn)滑油及其添加劑，液壓油等。研究新一代經(jīng)濟(jì)性更好的高效、多功能綠色潤(rùn)滑油，如高水基潤(rùn)滑油HWB

4、F（high water basic fluid）取代傳統(tǒng)礦物基礎(chǔ)油，以減少環(huán)境污染。,,7,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,研究潤(rùn)滑劑的生物相容性，潤(rùn)滑劑的生物可降解性，潤(rùn)滑劑的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與生物相容性和生物可降解性的關(guān)系規(guī)律；潤(rùn)滑劑及其添加劑對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響；環(huán)境友好潤(rùn)滑劑及其添加劑的設(shè)計(jì)制備與性能；潤(rùn)滑劑的再制造、再循環(huán)和再利用；摩擦、磨損產(chǎn)生的聲、熱等的物理過程及在該過程中摩擦與聲、熱等的相互作用。（如鋼軌彎道磨損）,,8,摩擦學(xué)的發(fā)展前

5、沿,微/納摩擦學(xué)微/納摩擦學(xué)：研究在微/納米尺度上的摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，發(fā)展為MEMS（微電子器件）、微機(jī)械、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)等提供技術(shù)支撐的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、摩擦材料和表面工程。,,9,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,,,,飛行高度<8 nm控制精度<2 nm,表面粗糙度：磁頭Ra < 0.1 nm磁盤Ra < 0.08 nm波紋度< 0.12 nm,磁頭表面保護(hù)膜厚度< 2 nm,尋道精度:< 0.

6、125 ?m,磁存儲(chǔ)密度：?100 Gb/in2,三維納米設(shè)計(jì)和加工,納米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制問題,磁頭/磁盤制造中的科學(xué)技術(shù)問題,亞微米級(jí)定位問題,亞納米表面拋光與測(cè)量問題,超薄膜的均勻生長(zhǎng)問題,10,MEMS器件失效分類,1、無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的微構(gòu)件,2、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)碰撞、磨損的微構(gòu)件,3、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互碰撞的微構(gòu)件,4、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互碰撞、磨損的微構(gòu)件,顆粒污染物振動(dòng)誘導(dǎo)的粘連失效,,,顆粒污染物振動(dòng)誘導(dǎo)的粘連機(jī)械疲勞,,顆粒污染物

7、振動(dòng)誘導(dǎo)的粘連自發(fā)粘連機(jī)械疲勞沖擊破壞,,顆粒污染物振動(dòng)誘導(dǎo)的粘連自發(fā)粘連機(jī)械疲勞碰撞損傷，沖擊破壞， 摩擦磨損,,11,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,極端工況摩擦學(xué) 研究發(fā)生在高溫、高壓、超高速、超高真空、低溫、強(qiáng)輻射等極端工況條件下的各種摩擦學(xué)問題。,,12,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,如高真空下缺少氧化膜的潤(rùn)滑作用，易發(fā)生冷焊；空間運(yùn)載工具與飛行器的工作環(huán)境十分復(fù)雜，工況極其嚴(yán)酷，1960--2000年40年間，包括

8、哥倫比亞航天飛機(jī)的空間運(yùn)載工具和飛行器共發(fā)生了11起由于摩擦學(xué)問題引起的事故。,,13,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,極端溫度條件下（溫度低于-40℃與溫度超過1000℃）的摩擦學(xué)：太空飛行器與航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等高技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵裝備的技術(shù)“瓶頸”。在高溫與低溫條件下，各種材料的性能會(huì)發(fā)生顯著變化，因此解決摩擦副材料磨損與潤(rùn)滑問題是目前世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。如：軟金屬作為太空軸承固體潤(rùn)滑材料、陶瓷材料（陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)）在高溫條件下的滑動(dòng)摩擦學(xué)特性研究等。,

9、,14,,,? 應(yīng)用背景——型號(hào)背景,,殲10 蘇27 直9和直11,斯貝(FWS9) 10A PL系列,飛豹,航空用特種潤(rùn)滑和密封材料與技術(shù),15,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,極端氣氛環(huán)境條件下的摩擦學(xué)：如：槍膛和炮管等與彈頭形成的彈道/彈帶

10、摩擦副。美國(guó)軍方專門研究武器發(fā)射系統(tǒng)的摩擦學(xué)問題以提高射擊精度、降低噪音、提高壽命。如炮管內(nèi)壁的固體潤(rùn)滑涂層。,,16,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,極端速度/載荷條件下的摩擦學(xué)：如：高速軸承dm·n值達(dá)1.0×106 mm·r/min以上，傳統(tǒng)潤(rùn)滑理論已完全不能指導(dǎo)這些軸承的設(shè)計(jì)與制造。如：精密塑性加工過程中，模具/工件之間的工作壓力大幅度提高，工件沿模具的塑性流動(dòng)與二者的界面摩擦學(xué)狀態(tài)有密切關(guān)系。,,17,摩

11、擦學(xué)的發(fā)展前沿,真空、微重力（失重）與強(qiáng)射線條件下的摩擦學(xué)：太空條件下，材料對(duì)摩擦學(xué)特性的要求產(chǎn)生根本性的變化，必須采用特種方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的潤(rùn)滑，相關(guān)的潤(rùn)滑理論與潤(rùn)滑材料選擇為各國(guó)的高度機(jī)密；,,18,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,太空或各種核設(shè)施中，各種強(qiáng)射線對(duì)材料的性能穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定的影響，如何保證應(yīng)用于射線條件下各種摩擦材料性能穩(wěn)定性也是各國(guó)面臨的難題之一。如核燃料元件的包殼材料鋯合金的輻照損傷問題。,,19,核電站,,20,核電站,,2

12、1,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,多相共存條件下材料的摩擦學(xué)： 汽輪機(jī)、水輪機(jī)等是關(guān)鍵的發(fā)電設(shè)備，其主要的摩擦學(xué)問題是（氣、固、液多相共存條件下）高速氣流、水流、粒子流造成的材料嚴(yán)重磨損導(dǎo)致的效率下降、穩(wěn)定性破壞、機(jī)組不能正常運(yùn)行甚至故障停機(jī)。氣、固、液多相共存條件下材料的摩擦學(xué)問題始終是國(guó)內(nèi)外材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)，特別是汽輪機(jī)葉片的多相流磨損問題。,,22,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,電－磁耦合作用條件下的摩擦學(xué)：導(dǎo)電摩擦副，例如鐵

13、路接觸網(wǎng)導(dǎo)線/滑板、發(fā)電設(shè)備勵(lì)磁電機(jī)碳刷、各種高低壓開關(guān)與接觸器觸頭、航天用整流設(shè)備等，其共同特點(diǎn)為表面不但承受摩擦接觸，而且要通過電流，二者之間存在非常強(qiáng)的耦合作用。,,23,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,,24,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,對(duì)于磁場(chǎng)存在的摩擦副，特別是強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)磨損產(chǎn)物在摩擦面上的運(yùn)動(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)的狀態(tài)都有非常明顯的作用。相關(guān)科學(xué)問題的解決將有利于提高我國(guó)磁懸浮列車應(yīng)用可行性研究的可靠性。,,25,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,生物摩擦學(xué)研究在生物體環(huán)

14、境中有關(guān)生物體及其替代物的摩擦學(xué)問題，以及仿生材料的摩擦學(xué)行為。人體摩擦學(xué)、仿生摩擦學(xué) 研究人體組織器官、人工組織器官及修復(fù)體摩擦學(xué)行為的科學(xué)，是摩擦學(xué)在生命與健康領(lǐng)域的學(xué)科分支 人類必須認(rèn)清人體組織器官中的摩擦學(xué)現(xiàn)象及人體的特殊環(huán)境，用以指導(dǎo)人工組織器官的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。,,26,摩擦學(xué)的發(fā)展前沿,人體摩擦學(xué)包含如下7個(gè)組成部分,一、骨、關(guān)節(jié)系統(tǒng)摩擦學(xué)二、牙與口腔系統(tǒng)摩擦學(xué)三、心血管系統(tǒng)摩擦學(xué)四、眼系統(tǒng)摩擦

15、學(xué),五、皮膚與毛發(fā)摩擦學(xué)六、體內(nèi)軟組織摩擦學(xué)七、人體生物潤(rùn)滑材料,,27,人體摩擦學(xué)涉及范圍,,28,皮膚與外界物體接觸界面的微氣候及濕度皮膚與外界物體接觸界面的擦動(dòng)界面摩擦運(yùn)動(dòng)引起的皮膚組織反應(yīng)： 破裂 起泡 角質(zhì)化與起繭 汗毛與汗腺的破壞,皮膚摩擦學(xué)的三個(gè)要素,29,實(shí) 例,,,,壽命短，患者年齡受限,軟組織吸收，引發(fā)病變,磨損顆粒被巨噬細(xì)胞吸收，導(dǎo)致骨溶解,人工關(guān)節(jié)的磨損后果,30

16、,實(shí) 例,,,,針對(duì)摩損的研究之一——材料配副,UHMWPE,金屬——金屬,陶瓷,表面處理,31,實(shí) 例,,,,,,,,陶瓷-陶瓷人工關(guān)節(jié),32,,人工骨,人工關(guān)節(jié),,,指關(guān)節(jié)假體,肩關(guān)節(jié)假體,,,腕關(guān)節(jié)假體,肘關(guān)節(jié)假體,,踝關(guān)節(jié)假體,大腳趾關(guān)節(jié)假體,34,,義齒,35,實(shí) 例,,,,人工心臟瓣膜,36,實(shí) 例,,,,人工心臟,37,實(shí) 例,,,,人造血管及支架,38,實(shí)

17、 例,,,,人工肺,39,,隱形眼鏡,40,,海洋生物表面結(jié)構(gòu)及仿生減阻,鯊魚皮表面形態(tài)Textured surfaces of shark skin,41,,仿鯊魚皮泳裝,42,我國(guó)摩擦學(xué)研究進(jìn)展及成果 －獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng),,納米薄膜潤(rùn)滑理論與實(shí)驗(yàn) ：清華大學(xué)（溫詩(shī)鑄）2001年國(guó)家自然科學(xué)2等獎(jiǎng) 顆粒對(duì)電接觸可靠性影響及防護(hù)：北京 郵電大學(xué)（章繼高）1993年國(guó)家自

18、然科學(xué)3等獎(jiǎng) 微動(dòng)磨損理論：西南交通大學(xué)（周仲榮）2006年國(guó)家自然科學(xué)2等獎(jiǎng),43,我國(guó)摩擦學(xué)研究進(jìn)展及成果 －獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng),陳建敏 航空用特種潤(rùn)滑和密封材料與技術(shù) --2004年國(guó)家技術(shù)發(fā)明2等獎(jiǎng)王家序 水潤(rùn)滑動(dòng)密封復(fù)合材料軸承 --2004年獲國(guó)家科技進(jìn)步2等獎(jiǎng)葛世榮 礦井提升機(jī)的補(bǔ)償制動(dòng)技術(shù)及相關(guān) 安全裝置

19、 --2001年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明2等獎(jiǎng)謝友柏 旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)動(dòng)力 學(xué)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究 --1997年獲國(guó)家科技進(jìn)步2等獎(jiǎng),,44,我國(guó)摩擦學(xué)研究進(jìn)展及成果 －在國(guó)際上有較大影響的研究領(lǐng)域,清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：薄膜潤(rùn)滑；納米摩擦學(xué)研究；中國(guó)科學(xué)院蘭州化物所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：空間和特種材料固體潤(rùn)滑理論與應(yīng)用；西南交通大學(xué)牽引