“中學(xué)所學(xué)的固體間摩擦力，研究已相對成熟，但并不是沒‘空間’。比如，決定摩擦力的關(guān)鍵因素中，存在‘接觸面積’和‘接觸線’之爭。我們研究的是生活和生產(chǎn)中極為常見的液滴，在固體表面上的運(yùn)動，及發(fā)生的摩擦阻力變化。當(dāng)然，固液間摩擦力研究，未知可探‘空間’很大。”近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士后郜楠，就科技日報記者問及其發(fā)表在《自然·物理》上的一篇固—液間摩擦力研究論文時，作出如此表述。

借此話題，記者與部分高校、科研院所物理研究人員談及他們“飯碗里”的摩擦力，得到的回答大體分為兩類：“印象仍停留在中學(xué)課本里”；摩擦力研究“水太深”，自己不算“專業(yè)”人士，不便作答。

很顯然，生活中的“摩擦力”，不再是中學(xué)課本里那個“骨感”的概念了。它變幻莫測，充滿“魔”性。因?yàn)椤澳Σ痢?，還誕生了可細(xì)分到五花八門領(lǐng)域的交叉學(xué)科——摩擦學(xué)。

有生活的地方，就有“摩擦”

1966年，英國教授皮特·約斯特(H.PeterJost)首次提出“摩擦學(xué)”，并將其定義為“研究相對運(yùn)動表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的邊緣學(xué)科”。這門被學(xué)科“邊緣”化了的摩擦學(xué)，與機(jī)械表面界面科學(xué)密切相關(guān)，涉及領(lǐng)域廣至傳統(tǒng)機(jī)械加工、交通運(yùn)輸、航空航天、海洋、化工、生物工程……可謂，有生活的地方，就有“摩擦”。

人類與“摩擦”做“斗爭”，源于它所帶來的驚人能源損耗。

據(jù)2015年統(tǒng)計顯示，摩擦能消耗掉全世界約1/3的一次能源（即天然能源），磨損可致使約60%的機(jī)器零部件失效，50%以上的機(jī)械裝備惡性事故源于潤滑失效或過度磨損。歐美發(fā)達(dá)國家每年因摩擦、磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占其國民生產(chǎn)總值的2%—7%。作為制造大國，我國在生產(chǎn)與制造過程中，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗約為日本的8倍，歐盟的4倍，世界平均水平的2.2倍。

這讓摩擦學(xué)的研究備受重視。畢竟，“摩擦”關(guān)乎能源，也可能嚴(yán)重制約一個國家高端裝備的升級換代與性能提升。摩擦學(xué)里的“三大件”中，摩擦研究，主要揭示摩擦力起源及其能量耗散規(guī)律等基本物理過程及機(jī)理；材料磨損研究，旨在揭示材料去除機(jī)制及影響因素，尋求潤滑、表面處理等技術(shù)，減少摩擦和控制磨損；潤滑研究，重在研制和正確使用潤滑劑和潤滑技術(shù)，是大幅提高機(jī)械效率、保證機(jī)械長期可靠的工作并節(jié)能的最主要技術(shù)途徑。

隨著摩擦學(xué)的發(fā)展，前沿研究已從宏觀領(lǐng)域深入微觀世界。從摩擦學(xué)分支研究中的部分基礎(chǔ)與應(yīng)用研究新進(jìn)展，或從某個角度，窺現(xiàn)摩擦力的“魔”性。

輪胎花紋里,藏著摩擦力“藝術(shù)”

“橡膠摩擦力是個非常有趣和實(shí)用的課題，在輪胎制造等許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?！弊硇哪Σ亮ρ芯?0多年的德國于利希研究中心科學(xué)家博培森，認(rèn)為常被大家忽略的摩擦力現(xiàn)象“奇妙無比”。譬如，對輪胎公司而言，通常要對制造出的輪胎質(zhì)量進(jìn)行逐個測試。但如果有一種模型，能靠譜地“預(yù)測”材料的摩擦性質(zhì)，就能大幅省時省力。

關(guān)于橡膠摩擦力產(chǎn)生的主因，過去研究認(rèn)為，取決于路面質(zhì)地粗糙程度，及橡膠的自身黏彈性。不過近年，博培森團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究顯示，橡膠輪胎在瀝青路面上滑行產(chǎn)生的摩擦力，還依賴于速度和溫度。這一新發(fā)現(xiàn)意味著，橡膠摩擦力的產(chǎn)生，還必須考慮橡膠分子鏈與路面反復(fù)的黏合、拉伸和釋放因素。

團(tuán)隊(duì)還給出了計算橡膠塊和粗糙表面接觸面積的方法?！跋鹉z和地面真正接觸的面積其實(shí)非常小，對整只輪胎來說，大約只有一平方厘米的數(shù)量級?！辈┡嗌f。其實(shí)，這包含著不被大眾理解的“實(shí)際意義”：如幫助輪胎公司選擇適宜材料，制作出更高質(zhì)量的輪胎花紋。

擺脫摩擦損耗，“超滑”是個新技能

2017年,第21屆材料磨損國際會議上，“潤滑磨損”的探討，特別吸引企業(yè)科研人員。畢竟，運(yùn)用合適的潤滑條件改善磨損，能極大提高材料及結(jié)構(gòu)的服役性能和壽命。與潤滑磨損相關(guān)的新技術(shù)新方法，能短時間為企業(yè)創(chuàng)造巨大效益。

在此領(lǐng)域，有一種能大大提高運(yùn)動系統(tǒng)能源利用效率的“超滑”新技術(shù)?！俺?，通常指兩個物體表面間滑動摩擦系數(shù)在0.001量級或更小的潤滑狀態(tài)。自20世紀(jì)90年代初提出,它就吸引了摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等各界研究者的廣泛關(guān)注。

在利用石墨烯實(shí)現(xiàn)固體超滑領(lǐng)域中，清華大學(xué)的機(jī)械工程系和摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合中國科學(xué)院化學(xué)研究所等單位，設(shè)計并制備出了一款用于原子力顯微鏡的、鍍有石墨烯的微球探針，可實(shí)現(xiàn)石墨烯間微觀摩擦力測量。同時，他們獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦：既能適于較寬范圍的載荷、濕度、掃描范圍及速度等實(shí)驗(yàn)條件，也可維持較長時間的超滑狀態(tài)。該石墨烯探針還能在六方氮化硼晶體等其他二維材料上獲得超滑，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)二維材料間的摩擦測量。

能“上天”的材料，要經(jīng)得起摩擦力考驗(yàn)

空間運(yùn)載機(jī)構(gòu)（運(yùn)載火箭等）和飛行器（人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間站、空間探測器等）中的部分材料，在相對運(yùn)動過程中會產(chǎn)生摩擦磨損。“空間摩擦學(xué)”由此誕生，其中僅“材料”的研究，便很讓人“頭疼”。

在空間應(yīng)用中，涉及摩擦磨損的材料，統(tǒng)稱為空間摩擦學(xué)材料。這些能“上天”的材料，生存環(huán)境極為嚴(yán)苛，要經(jīng)受住如高真空、原子氧、微重力、宇宙射線和高低溫等空間服役工況，摩擦磨損行為復(fù)雜性呈指數(shù)上升。一旦這類材料經(jīng)不起摩擦磨損的考驗(yàn)，后果很嚴(yán)重。如“哥倫比亞號”航天飛機(jī)與大氣間的高速摩擦，產(chǎn)生過度高溫，使機(jī)外隔熱瓦受損而遭遇解體墜毀。

“傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料，在空間極端復(fù)雜環(huán)境下易產(chǎn)生冷焊、熱疲勞和表面侵蝕等破壞，地面優(yōu)良的摩擦學(xué)性能得不到發(fā)揮。隨著空間研究的不斷深入，大量新型空間摩擦學(xué)材料需要不斷被研制與開發(fā)?！敝心洗髮W(xué)粉末冶金研究院教授姚萍屏說。美國、歐洲、日本及俄羅斯等國家和地區(qū)的航天部門，均成立了專門機(jī)構(gòu)，開展空間摩擦學(xué)及其材料的基礎(chǔ)性研究。

我國在此領(lǐng)域也頗有進(jìn)展。空間對接裝置是航天器與航天器、或空間站交會對接的關(guān)鍵部件，制造對接裝置的摩擦材料，一直是各國“高保密級”技術(shù)。中南大學(xué)研制出的銅基粉末冶金摩擦材料，使我國進(jìn)入了少數(shù)能提供對接機(jī)構(gòu)摩擦副材料的國家行列。以此制造的摩擦副，也成功應(yīng)用于神舟八號、九號、十號、十一號載人飛船與“天宮一號”“天舟一號”太空實(shí)驗(yàn)艙的在軌自動和手動交會對接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。

“我們亟須改進(jìn)空間環(huán)境地面模擬試驗(yàn)設(shè)備，研究相關(guān)理論，建設(shè)數(shù)據(jù)庫，為實(shí)現(xiàn)對空間耐磨和空間減摩材料的設(shè)計改進(jìn)提供保障?！闭劶斑@一領(lǐng)域的“未來”，姚萍屏說。

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