机械工程学科发展报告.pdf

摩擦学研究的进展与趋势 一、引言 摩擦学是一门与机械表面界面科学密切相关的学科，它主要研究相对运动表面之间 的摩擦、磨损和润滑规律及其控制技术。它涉及传统机械加工、交通运输、航空航天、海 洋、化工、生物工程等诸多工业领域。统计资料显示，摩擦消耗掉全世界约 1/3 的一次能 源，磨损致使大约 60% 的机器零部件失效，而且 50% 以上的机械装备恶性事故都起源于 润滑失效或过度磨损。欧美发达国家每年因摩擦、磨损造成的经济损失占其国民生产总 值（GNP）的 2% ～ 7%，而在工业生产中应用摩擦学知识和研究成果可以节约的费用占 ［1］ GNP 的 1.0% ～ 1.4% 。我国已经成为制造大国，但远不是制造强国，在生产与制造过 程中对资源和能源的浪费严重，单位国内生产总值（GDP）能耗约为日本的 8 倍，欧盟的 4 倍，世界平均水平的 2.2 倍，若按 GDP 的 5% 计算，2014 年我国摩擦、磨损造成的损失 达 31800 亿元，因此，开发和应用先进摩擦与润滑技术实现能源与资源节约的潜力巨大。 另外，机械产品中的摩擦界面除了起到传递运动和能量的作用，还可具备防腐、减阻、吸 声等特殊功能，对机械系统的效率、精度、可靠性和寿命等性能具有重要的甚至是决定性 的作用。摩擦学理论与技术可用于改善机械系统工作效率、延长使用寿命、减少事故发 生，为解决人类社会发展面临的能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康问题提供有效的解 决方案。 人类很早就在生活和生产实践中应用摩擦与润滑技术，而对摩擦规律的科学探索也已 ［2］ 有数百年的历史 。早在 15 世纪，意大利的列奥纳多·达·芬奇就开始对摩擦学理论进 行探索，1785 年法国摩擦学及物理学家库仑提出干摩擦的机械啮合理论，英国的鲍登等 人于 1950 年提出了黏着摩擦理论。关于润滑，英国人雷诺于 1886 年根据前人观察到的流 体动压现象，总结出流体动压润滑的基本理论，其后相继发展出了边界润滑（1921 年）、 3 2014—2015机械工程学科发展报告（摩擦学） 弹性流体动力润滑（1949 年）和薄膜润滑（1990 年）理论。鉴于摩擦、磨损与润滑的研 究进展和在工业中的广泛应用及重要地位，1966 年英国的 H. Peter Jost 首次提出“摩擦学” 这一术语，将其定义为“研究相对运动表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系 的理论与应用的一门边缘学科”。对摩擦的研究主要是揭示摩擦力的起源及其能量耗散规 律等基本的物理过程及机理。对材料磨损的研究旨在揭示材料去除机制以及影响因素，进 而建立物理模型和数学描述，以及寻求润滑、表面处理等技术，以减少摩擦和控制磨损， 对国民经济的发展具有重要意义。润滑是降低摩擦、减少或避免磨损的必要手段。研制和 正确使用润滑剂和润滑技术是大幅度提高机械效率、保证机械长期可靠地工作、节约能源 的最主要技术途径。为了生态环境的可持续发展，近年来摩擦学研究紧跟时代需要，以绿 色、高效、多功能作为润滑技术的发展新方向。随着研究从宏观向微观领域的不断深入， 表面效应和界面效应愈来愈突出，一方面为摩擦学基础理论和技术问题的突破提供了导向 作用，另一方面又催生出更为宽广的一个新的研究领域——机械表面界面科学。 随着我国从制造大国向制造强国的发展目标迈进，摩擦学专门知识对相关技术的指 导作用及其重要性愈加凸显。随着我国产业升级的发展，制造业、航空航天、地面交通运 输、能源、海洋、生物与仿生等不同工业领域对摩擦学技术提出了大量的迫切需求。特别 地，近年来，我国政府部门和科技界十分重视工业基础，即关键基础材料、核心基础零部 件 / 元器件、先进基础工艺和产业技术基础（简称“四基”）等能力薄弱的问题。2014 年 1 月，工业和信息化部向中国工程院发出“关于委托开展工业强基战略研究的函”，指出 基础能力不强是制约工业由大变强的主要瓶颈。摩擦学基础理论和技术的研究与“四基” 密切相关，比如轴承、齿轮、螺栓、密封件、刹车片等基础零部件虽然看似简单，但是 对其摩擦学机理及材料和生产技术的研究匮乏，严重制约