摩擦学发展前沿课件

主要内容主要内容 历史回史回顾 摩擦磨摩擦磨损与国民与国民经济 摩擦学学科概述摩擦学学科概述 摩擦学研究前沿及国内摩擦学研究前沿及国内现状状1主要内容主要内容 1摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿节能摩擦学能摩擦学l节能摩擦学能摩擦学：通过摩擦学设计（如（如SG管）管）、润滑、表面工程、摩擦材料等技术手段以降低摩擦和磨损引起的能量损失和材料消耗。l摩擦学的摩擦学的节约作用作用:摩擦学摩擦学设计和润滑技滑技术是减少发动机润滑区的摩擦损耗、提高发动机的能源经济性的主要途径。2摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿节节能摩擦学能摩擦学2摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿汽汽车：机械损耗占内燃机总能耗的15，而摩擦损耗占80。l发动机油使用摩擦改进剂，可节约燃料0.74.0；l齿轮油使用摩擦改进剂，可节约燃油1.06.0。3摩擦学的摩擦学的发发展前沿汽展前沿汽车车：机械：机械损损耗占内燃机耗占内燃机总总能耗的能耗的15，而摩擦，而摩擦摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿环境友好摩擦学境友好摩擦学l环境友好摩擦学境友好摩擦学：研究生：研究生态系系统中和中和对生生态系系统与与环境境产生影响的摩擦学生影响的摩擦学问题及其及其防治的科学和技防治的科学和技术。环境友好境友好润滑滑剂、无公害摩擦材料、降、无公害摩擦材料、降噪、减振、噪、减振、4摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿环环境友好摩擦学境友好摩擦学4摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿环境友好摩擦学境友好摩擦学-主要包括主要包括环境兼容境兼容润滑滑剂、环境友好境友好润滑技滑技术以及噪声防治以及噪声防治技技术等等l欧盟每年欧盟每年销售的售的450万吨万吨润滑油的滑油的13%在无控制的状在无控制的状态下下进入入环境，而泄露境，而泄露核事故核事故导致的液致的液压油油损失达失达8%。l环境友好境友好润滑滑剂及添加及添加剂必必须具有生具有生物可降解性、物可降解性、较小的生小的生态毒性和毒性毒性和毒性累累计性。性。5摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿环环境友好摩擦学境友好摩擦学-主要包括主要包括环环境兼容境兼容润润滑滑剂剂摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿摩擦噪声防治主要研究摩擦噪声防治主要研究对环境境产生噪声生噪声污染染严重的高重的高频尖尖啸摩擦噪声和摩擦副表面形貌摩擦噪声和摩擦副表面形貌对摩擦噪声的影响。摩擦噪声的影响。l环境友好境友好润滑滑剂主要研究包括主要研究包括发动机机润滑滑油，油，农业、林、林业、食品加工、采、食品加工、采矿等用等用润滑油及其添加滑油及其添加剂，液，液压油等。油等。l研究新一代研究新一代经济性更好的高效、多功能性更好的高效、多功能绿色色润滑油，如高水基滑油，如高水基润滑油滑油HWBF（high water basic fluid）取代）取代传统矿物基物基础油，以减少油，以减少环境境污染。染。6摩擦学的摩擦学的发发展前沿摩擦噪声防治主要研究展前沿摩擦噪声防治主要研究对环对环境境产产生噪声生噪声污污染染严严重的重的摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿研究润滑剂的生物相容性，润滑剂的生物可降解性，润滑剂的化学组成、结构与生物相容性和生物可降解性的关系规律；润滑剂及其添加剂对生态环境的影响；环境友好润滑剂及其添加剂的设计制备与性能；润滑剂的再制造、再循环和再利用；摩擦、磨损产生的声、热等的物理过程及在该过程中摩擦与声、热等的相互作用。（如钢轨弯道磨损）7摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿7摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿微微/纳摩擦学摩擦学l微微/纳摩擦学摩擦学：研究在微/纳米尺度上的摩擦学基础理论和技术，发展为MEMS（微（微电子器件）、微机械、子器件）、微机械、计算机存算机存储系系统等提供技术支撑的摩擦学设计、摩擦材料和表面工程。8摩擦学的摩擦学的发发展前沿微展前沿微/纳纳摩擦学摩擦学8摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿飞行高度行高度8 nm控制精度控制精度2 nm表面粗糙度：表面粗糙度：磁磁头Ra 0.1 nm磁磁盘Ra 0.08 nm波波纹度度 0.12 nm 磁磁头表面保表面保护膜厚度膜厚度 2 nm寻道精度道精度:0.125 m磁存磁存储密度：密度：100 Gb/in2三三维纳米米设计和加工和加工纳米米级运运动控控制制问题磁磁头/磁磁盘制造中制造中的科学技的科学技术问题亚微米微米级定位定位问题亚纳米表面抛米表面抛光与光与测量量问题超薄膜的均匀生超薄膜的均匀生长问题9摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿飞飞行高度行高度8 nm表面粗糙度：磁表面粗糙度：磁头头表面保表面保护护膜膜MEMS器件失效分器件失效分类1、无相对运动的微构件 2、有相对运动，无碰撞、磨损的微构件3、有相对运动，相互碰撞的微构件4、有相对运动，相互碰撞、磨损的微构件颗粒污染物振动诱导的粘连失效颗粒污染物振动诱导的粘连机械疲劳颗粒污染物振动诱导的粘连自发粘连机械疲劳冲击破坏颗粒污染物振动诱导的粘连自发粘连机械疲劳碰撞损伤，冲击破坏，摩擦磨损Digital Micromirror DeviceMicro-gyroMicro-sensor Nanotractor(2004)10MEMS器件失效分器件失效分类类1、无相、无相对对运运动动的微构件的微构件 2、有相、有相对对运运动动，摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿极端工况摩擦学极端工况摩擦学 研究研究发生在高温、高生在高温、高压、超高速、超高速、超高真空、低温、超高真空、低温、强辐射等极端工况条射等极端工况条件下的各种摩擦学件下的各种摩擦学问题。11摩擦学的摩擦学的发发展前沿极端工况摩擦学展前沿极端工况摩擦学11摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿如高真空下缺少氧化膜的润滑作用，易发生冷焊；空间运载工具与飞行器的工作环境十分复杂，工况极其严酷，1960-2000年40年间，包括哥伦比亚航天飞机的空间运载工具和飞行器共发生了11起由于摩擦学问题引起的事故。12摩擦学的摩擦学的发发展前沿如高真空下缺少氧化膜的展前沿如高真空下缺少氧化膜的润润滑作用，易滑作用，易发发生冷生冷焊焊；摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l极端温度条件下极端温度条件下（温度低于-40与温度超过1000）的摩擦学的摩擦学：l太空飞行器与航空航天发动机等高技术领域关键装备的技术“瓶颈”。在高温与低温条件下，各种材料的性能会发生显著变化，因此解决摩擦副材料磨损与润滑问题是目前世界各国研究的热点。如：软金属作为太空轴承固体润滑材料、陶瓷材料（陶瓷发动机）在高温条件下的滑动摩擦学特性研究等。13摩擦学的摩擦学的发发展前沿极端温度条件下（温度低于展前沿极端温度条件下（温度低于-40与温度超与温度超过过1 应用背景用背景型号背景型号背景歼10 苏27 直9和直11斯贝(FWS9)10A PL系列飞豹航空用特种航空用特种润滑和密封材料与技滑和密封材料与技术 14 应应用背景用背景型号背景型号背景歼歼10 摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l极端气氛极端气氛环境条件下的摩擦学：境条件下的摩擦学：如：枪膛和炮管等与弹头形成的弹道/弹带摩擦副。美国军方专门研究武器发射系统的摩擦学问题以提高射击精度、降低噪音、提高寿命。如炮管内壁的固体润滑涂层。15摩擦学的摩擦学的发发展前沿极端气氛展前沿极端气氛环环境条件下的摩擦学：境条件下的摩擦学：15摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l极端速度极端速度/载荷条件下的摩擦学：荷条件下的摩擦学：如：高速轴承dmn值达1.0106 mmr/min以上，传统润滑理论已完全不能指导这些轴承的设计与制造。如：精密塑性加工过程中，模具/工件之间的工作压力大幅度提高，工件沿模具的塑性流动与二者的界面摩擦学状态有密切关系。16摩擦学的摩擦学的发发展前沿极端速度展前沿极端速度/载载荷条件下的摩擦学：荷条件下的摩擦学：16摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l真空、微重力（失重）与真空、微重力（失重）与强射射线条件下的条件下的摩擦学：摩擦学：太空条件下，材料对摩擦学特性的要求产生根本性的变化，必须采用特种方式实现稳定的润滑，相关的润滑理论与润滑材料选择为各国的高度机密；17摩擦学的摩擦学的发发展前沿真空、微重力（失重）与展前沿真空、微重力（失重）与强强射射线线条件下的摩擦学：条件下的摩擦学：摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿太空或各种核设施中，各种强射线对材料的性能稳定性将产生一定的影响，如何保证应用于射线条件下各种摩擦材料性能稳定性也是各国面临的难题之一。如核燃料元件的包壳材料锆合金的辐照损伤问题。18摩擦学的摩擦学的发发展前沿太空或各种核展前沿太空或各种核设设施中，各种施中，各种强强射射线对线对材料的性能材料的性能稳稳核核电站站19核核电电站站19核核电站站20核核电电站站20摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l多相共存条件下材料的摩擦学：多相共存条件下材料的摩擦学：汽轮机、水轮机等是关键的发电设备，其主要的摩擦学问题是（气、固、液多相共存条件下）高速气流、水流、粒子流造成的材料严重磨损导致的效率下降、稳定性破坏、机组不能正常运行甚至故障停机。气、固、液多相共存条件下材料的摩擦学问题始终是国内外材料摩擦学研究的重点，特别是汽轮机叶片的多相流磨损问题。21摩擦学的摩擦学的发发展前沿多相共存条件下材料的摩擦学：展前沿多相共存条件下材料的摩擦学：21摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿l电磁耦合作用条件下的摩擦学：磁耦合作用条件下的摩擦学：导电摩擦副，例如摩擦副，例如铁路接触网路接触网导线/滑滑板、板、发电设备励磁励磁电机碳刷、各种高低机碳刷、各种高低压开关与接触器触开关与接触器触头、航天用整流、航天用整流设备等，其共同特点等，其共同特点为表面不但承受摩擦接表面不但承受摩擦接触，而且要通触，而且要通过电流，二者之流，二者之间存在非存在非常常强的耦合作用。的耦合作用。22摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿电电磁耦合作用条件下的摩擦学：磁耦合作用条件下的摩擦学：22摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿23摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿23摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿对于磁于磁场存在的摩擦副，特存在的摩擦副，特别是是强磁磁场对磨磨损产物在摩擦面上的运物在摩擦面上的运动、润滑系滑系统的状的状态都有非常明都有非常明显的作用。相关科的作用。相关科学学问题的解决将有利于提高我国磁的解决将有利于提高我国磁悬浮浮列列车应用可行性研究的可靠性。用可行性研究的可靠性。24摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿对对于磁于磁场场存在的摩擦副，特存在的摩擦副，特别别是是强强磁磁场对场对磨磨损产损产物物摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿生物摩擦学生物摩擦学l研究在生物体环境中有关生物体及其替代物的摩擦学问题，以及仿生材料的摩擦学行为。人体摩擦学、仿生摩擦学 研究人体研究人体组织器官、人工器官、人工组织器官及修器官及修复体摩擦学行复体摩擦学行为的科学，是摩擦学在生命与的科学，是摩擦学在生命与健康健康领域的学科分支域的学科分支 人人类必必须认清人体清人体组织器官中的摩擦学器官中的摩擦学现象及人体的特殊象及人体的特殊环境，用以指境，用以指导人工人工组织器官的摩擦学器官的摩擦学设计。25摩擦学的摩擦学的发发展前沿生物摩擦学展前沿生物摩擦学25摩擦学的摩擦学的发发展前沿展前沿人体摩擦学包含如下人体摩擦学包含如下7个个组成部分成部分一、骨、关一、骨、关节系系统摩擦学摩擦学二、牙与口腔系二、牙与口腔系统摩擦学摩擦学三、心血管系三、心血管系统摩擦学摩擦学四、眼系四、眼系统摩擦学摩擦学五、皮肤与毛五、皮肤与毛发摩擦学摩擦学六、体内六、体内软组织摩擦学摩擦学七、人体生物七、人体生物润滑材料滑材料26摩擦学的摩擦学的发发展前沿人体摩擦学包含如下展前沿人体摩擦学包含如下7个个组组成部分一、骨、关成部分一、骨、关节节系系人体摩擦学涉及范人体摩擦学涉及范围27人体摩擦学涉及范人体摩擦学涉及范围围27皮肤与外界物体接触界面的微气候及湿度皮肤与外界物体接触界面的微气候及湿度皮肤与外界物体接触界面的擦皮肤与外界物体接触界面的擦动界面摩擦运界面摩擦运动引起的皮肤引起的皮肤组织反反应：破裂破裂 起泡起泡 角角质化与起化与起茧 汗毛与汗腺的破坏汗毛与汗腺的破坏皮肤摩擦学的三个要素皮肤摩擦学的三个要素28皮肤与外界物体接触界面的微气候及湿度皮肤摩擦学的三个要素皮肤与外界物体接触界面的微气候及湿度皮肤摩擦学的三个要素28实实 例例寿命短，患者年龄受限软组织吸收，引发病变磨损颗粒被巨噬细胞吸收，导致骨溶解人工关人工关节的磨的磨损后果后果29实实 例寿命短，患者年例寿命短，患者年龄龄受限受限软组织软组织吸收，引吸收，引发发病病变变磨磨实实 例例针对摩摩损的研究之一的研究之一材料配副材料配副UHMWPE金属金属陶瓷表面处理30实实 例例针对针对摩摩损损的研究之一的研究之一材料配副材料配副UHMWPE实实 例例陶瓷陶瓷-陶瓷人工关陶瓷人工关节31实实 例陶瓷例陶瓷-陶瓷人工关陶瓷人工关节节31人工骨人工骨人工骨人工骨人工关人工关人工关人工关节节32人工骨人工关人工骨人工关节节32指关指关节假体假体肩关肩关肩关肩关节节假体假体假体假体腕关腕关节假体假体肘关肘关节假体假体踝关踝关节假体假体大脚趾关大脚趾关节假体假体指关指关节节假体肩关假体肩关节节假体腕关假体腕关节节假体肘关假体肘关节节假体踝关假体踝关节节假体大脚趾关假体大脚趾关节节33义齿34义齿义齿34实实 例例人工心人工心脏瓣膜瓣膜35实实 例人工心例人工心脏脏瓣膜瓣膜35实实 例例人工心人工心脏36实实 例人工心例人工心脏脏36实实 例例人造血管及支架人造血管及支架37实实 例人造血管及支架例人造血管及支架37实实 例例人工肺人工肺 38实实 例人工肺例人工肺 3隐形眼形眼镜39隐隐形眼形眼镜镜39海洋生物表面海洋生物表面结构及仿生减阻构及仿生减阻鲨鱼皮表面形皮表面形态Textured surfaces of shark skin40海洋生物表面海洋生物表面结结构及仿生减阻构及仿生减阻鲨鱼鲨鱼皮表面形皮表面形态态40仿仿鲨鱼皮泳装皮泳装41仿仿鲨鱼鲨鱼皮泳装皮泳装41我国摩擦学研究我国摩擦学研究进展及成果展及成果 获得国家自然科学得国家自然科学奖 纳米薄膜米薄膜润滑理滑理论与与实验：清清华大学大学（温（温诗铸）l20012001年国家自然科学年国家自然科学2 2等等奖 颗粒粒对电接触可靠性影响及防接触可靠性影响及防护：北京北京 邮电大学（章大学（章继高）高）l19931993年国家自然科学年国家自然科学3 3等等奖 微微动磨磨损理理论：西南交通大学（周仲荣）西南交通大学（周仲荣）l2006年年国家自然科学国家自然科学2 2等等奖42我国摩擦学研究我国摩擦学研究进进展及成果展及成果 获获得国家自然科学得国家自然科学奖奖42我国摩擦学研究我国摩擦学研究进展及成果展及成果 获得国家技得国家技术发明明奖、国家科技、国家科技进步步奖陈建敏建敏 航空用特种航空用特种润滑和密封材料与技滑和密封材料与技术 -2004年国家技术发明2等奖王家序王家序 水水润滑滑动密封复合材料密封复合材料轴承承 -2004年获国家科技进步2等奖葛世荣葛世荣 矿井提升机的井提升机的补偿制制动技技术及相关及相关 安全装置安全装置 -2001年获国家技术发明2等奖谢友柏友柏 旋旋转机械机械转子子轴承系承系统摩擦学摩擦学动力力 学学设计理理论与与应用研究用研究 -1997年获国家科技进步2等奖43我国摩擦学研究我国摩擦学研究进进展及成果展及成果 获获得国家技得国家技术发术发明明奖奖、国家科技、国家科技进进我国摩擦学研究我国摩擦学研究进展及成果展及成果 在国在国际上有上有较大影响的研究大影响的研究领域域清清华大学摩擦学国家重点大学摩擦学国家重点实验室室：薄膜润滑；纳米摩擦学研究；中国科学院中国科学院兰州化物所固体州化物所固体润滑国家重点滑国家重点实验室室：空间和特种材料固体润滑理论与应用；西南交通大学西南交通大学牵引引动力国家重点力国家重点实验室室：轮轨波浪型磨损；接触疲劳；微动磨损；吉林大学教育部仿生机械吉林大学教育部仿生机械实验室：室：生物脱附及减磨原理；地面机械脱附仿生理论与技术。44我国摩擦学研究我国摩擦学研究进进展及成果展及成果 在国在国际际上有上有较较大影响的研究大影响的研究领领域清域清Thanks for attention!Thanks for attention!45Thanks for attention!45