形色各異的摩擦磨損與潤(rùn)滑*

劉維民 郭志光

①中國(guó)科學(xué)院院士，②研究員，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

形色各異的摩擦磨損與潤(rùn)滑*

劉維民①郭志光②

①中國(guó)科學(xué)院院士，②研究員，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

摩擦；磨損；潤(rùn)滑；合成潤(rùn)滑油；固體潤(rùn)滑

簡(jiǎn)述了摩擦學(xué)的形成與發(fā)展，簡(jiǎn)要介紹了常用潤(rùn)滑材料及其應(yīng)用。隨著環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)和資源短缺，綠色潤(rùn)滑備受重視；合成油的可設(shè)計(jì)及可控性，為發(fā)展高性能潤(rùn)滑油脂提供了技術(shù)途徑。固體潤(rùn)滑材料可用于解決高低溫、高輻射、超高真空等苛刻環(huán)境和工況下的摩擦磨損問題，在以航空航天為代表的高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，復(fù)雜工況對(duì)潤(rùn)滑材料的物理化學(xué)、潤(rùn)滑抗磨損、生物降解等性能不斷提出新的挑戰(zhàn)，相關(guān)研究工作任重而道遠(yuǎn)。

摩擦是人類社會(huì)和生活中的最基本現(xiàn)象之一，人類每時(shí)每刻都在和摩擦打交道(圖1)。摩擦就像我們賴以生存的空氣，沒有它，平時(shí)毫不費(fèi)力的穿衣、走路、吃飯都會(huì)讓我們束手無策，車輛也無法行駛，艦船也無法拋錨固定。除此之外，小提琴和二胡等樂器奏出的讓人陶醉的美妙音符也與摩擦有關(guān)，而我們冬天碰到物體產(chǎn)生的觸電感也是因?yàn)槟Σ痢Ｗ匀唤缰幸灿性S多奇妙的摩擦現(xiàn)象，如甘肅敦煌有鳴沙山，令人驚奇的是山上的沙子會(huì)唱歌，這是由于風(fēng)吹動(dòng)沙粒振動(dòng)產(chǎn)生摩擦引起的聲響。其實(shí)早在舊石器時(shí)代，人們就開始有意無意地利用摩擦。“鉆木取火”就是一個(gè)了不起的發(fā)明，自此，人們不再過著茹毛飲血的生活；石器的發(fā)明也是利用了石頭耐磨的特點(diǎn)，使人們打獵勞作更加便利，人類也開始慢慢走向文明[1]。

圖1 與日常生活和工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)的摩擦潤(rùn)滑：(a)～(b)古代人類利用摩擦勞作，利用圓形車輪減少摩擦；(c)～(d)現(xiàn)代生產(chǎn)交通工具開始使用礦物基潤(rùn)滑油；(e)～(g)航空飛行器及航天器中開始使用合成潤(rùn)滑油脂及固體潤(rùn)滑材料

然而，摩擦是把雙刃劍，有時(shí)候也會(huì)給人們的生活實(shí)踐帶來很多的麻煩，甚至造成巨大的損失。摩擦?xí)斐蓹C(jī)械磨損，在現(xiàn)代汽車中，約20%的功率要用來克服動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦；飛機(jī)上的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)因摩擦損耗的功率約為10%，摩擦導(dǎo)致的磨損失效是機(jī)電裝備失效的最主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有50%的設(shè)備損壞是由于各種形式的磨損而引起的，磨損失效不僅造成大量的材料和部件浪費(fèi)，而且可能直接導(dǎo)致可怕的事故，如機(jī)毀人亡等。除導(dǎo)致磨損之外，摩擦還會(huì)使航空和航天器過度發(fā)熱，這更是現(xiàn)代科技遇到的又一難題。如當(dāng)宇宙飛船返回地面的時(shí)候，由于高速船體與空氣之間的摩擦，會(huì)使整個(gè)船體成為一個(gè)通紅的火球，為了保護(hù)飛船里的宇航員和各種儀器設(shè)備，人們不得不付出昂貴的代價(jià)，用耐高溫的特種合金制造船體，并且還在外面加裝了耐高溫材料。

“時(shí)敵時(shí)友”的摩擦現(xiàn)象，如影隨形，那么，什么是摩擦呢？我們?cè)撊绾伪苊夂拖湓斐傻膿p失？怎樣才能跟它和平共處？

接觸交代型鐵礦床是山西第二主要類型。該類型礦石品位w(Tfe)平均41.4%，最高可達(dá)54%(如壺關(guān)縣照陽(yáng)溝鐵礦區(qū))，屬規(guī)模相對(duì)小，但品位較高的鐵礦床。因此，要想尋找“小而富”的鐵礦床，應(yīng)重點(diǎn)放在狐堰山、塔兒山及虹梯關(guān)南部一帶，即主要在省內(nèi)尋找既有灰?guī)r出露又有巖體出露地區(qū)。由于碳酸鹽受熱液熱液影響會(huì)產(chǎn)生圍巖蝕變，即矽卡巖化，因此尋找圍巖蝕變帶是良好的找礦標(biāo)志。在野外注意觀察有無斷裂構(gòu)造及巖體出露情況。狐堰山地區(qū)出露巖體多為二長(zhǎng)斑巖，塔兒山一帶為二長(zhǎng)巖及正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖類，平順一帶為閃長(zhǎng)巖類，因巖體本身鐵質(zhì)含量較高，通常巖體大，所發(fā)現(xiàn)礦體越大。

1 摩擦學(xué)起源與發(fā)展

歐洲是摩擦磨損潤(rùn)滑科學(xué)研究的起源地。文藝復(fù)興是一場(chǎng)百花綻放的盛宴，掀起了思維和藝術(shù)革命的浪潮，使文學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)得到蓬勃發(fā)展。摩擦也引起了偉大的天才達(dá)芬奇(Leonardo da Vinci, 1452—1519)的好奇，他是對(duì)摩擦進(jìn)行定量研究的先驅(qū)者。他通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量水平面和斜面上物體間的摩擦力、半支軸承和滾筒間的摩擦力，研究接觸面積對(duì)摩擦力的影響，得出“同等重量引起的摩擦力相等，與接觸面積無關(guān)”的結(jié)論。但在此之后的一兩百年內(nèi)，摩擦學(xué)都沒有太大進(jìn)展。隨后，工業(yè)革命吹響了現(xiàn)代科學(xué)和機(jī)械工業(yè)的號(hào)角，帶動(dòng)了生產(chǎn)方式的變革。而機(jī)械工業(yè)的蓬勃發(fā)展，引發(fā)了人們對(duì)摩擦學(xué)研究的狂潮，開始系統(tǒng)科學(xué)地研究摩擦學(xué)，這是摩擦學(xué)歷史上的一個(gè)收獲季節(jié)。英國(guó)物理學(xué)家胡克(Robert Hook，1635—1703)在1685年向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了一篇論文，討論如何減小馬車軸承的摩擦磨損問題，提出了滾動(dòng)摩擦的兩要素：結(jié)構(gòu)和速度。法國(guó)巴黎科學(xué)院院士阿蒙頓(G. Amontons, 1663—1705)在1699年向皇家學(xué)會(huì)提交的論文中闡述了研究摩擦的必要性以及摩擦對(duì)機(jī)械性能的影響。在前人工作基礎(chǔ)上，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵?Charles-Augustin de Coulomb, 1736—1806)經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，總結(jié)出摩擦三定律：①摩擦力與作用在摩擦面上的正壓力成正比，與外表的接觸面積無關(guān)(這實(shí)際上也是阿蒙頓定律)；②滑動(dòng)摩擦力與滑動(dòng)速度大小無關(guān)；③最大靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力[1]。

（二）新課導(dǎo)入課堂導(dǎo)入是整個(gè)教學(xué)過程中的一個(gè)有機(jī)組成部分,也是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。在語(yǔ)文課堂教學(xué)中,新課的導(dǎo)入成功與否，關(guān)鍵要看是否能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲。怎樣導(dǎo)入新課，應(yīng)該是：原則上求“趣”，形式上求“新”，內(nèi)容上求“巧”，方式上求“活”，語(yǔ)言上求“精”。教師制作的微課要根據(jù)新課知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)新穎而實(shí)用的問題，以吸引學(xué)生的注意力，為新課的講解做好鋪墊。如人教版四年級(jí)上冊(cè)的《梅花魂》，要緊緊抓住祖父對(duì)那幅梅花的熱愛，以及梅花的高貴品格，微課設(shè)計(jì)上可以用反問形式激發(fā)學(xué)生的好奇心，不斷指引他們往下走。

聚硅氧烷是一類以重復(fù)的Si—O鍵為主鏈，硅原子上直接連接有機(jī)基團(tuán)的聚合物，液體的聚硅氧烷又稱硅油或聚硅醚。20世紀(jì)40年代初，硅油開始用作減震液。后來為滿足軍用儀表發(fā)展的需要，國(guó)外研究了其作為航空、航天、航海高溫儀表油的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)GE公司生產(chǎn)的F-50油品即是含有7%氯原子的甲基四氯苯基硅油，用于航天器軸承部件的潤(rùn)滑。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所也先后研制了甲基氯苯基硅油(114#空間油，圖3(b))和氟丙基氯苯基硅油(115#空間油)，并在航天飛行器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及航空儀表中獲得了廣泛應(yīng)用。除在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用外，硅油在裝備制造、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域也得到了普遍使用。如在乳液、溶液、潤(rùn)滑脂及復(fù)配物中作為基礎(chǔ)油使用，用于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，用作含塑料橡膠部件的潤(rùn)滑劑等。

作為摩擦學(xué)的中心內(nèi)容，摩擦、磨損、潤(rùn)滑息息相關(guān)。磨損是摩擦結(jié)果的一種表現(xiàn)形式，通常意義上講，是指摩擦副幾何尺寸變小，摩擦副降低或失去原有設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能，繼續(xù)使用將可能影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與安全性。潤(rùn)滑則是通過改善摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以降低摩擦阻力并減少或避免磨損的技術(shù)措施。簡(jiǎn)單來說，有摩擦就可能產(chǎn)生磨損，潤(rùn)滑是為了避免或者減小磨損程度。據(jù)考證，人類至少在3500年前就學(xué)會(huì)使用動(dòng)物油脂作為潤(rùn)滑劑。在中國(guó)河南安陽(yáng)殷墓的遺跡中，馬車的車軸和軸套已有使用動(dòng)物油脂作為潤(rùn)滑劑的痕跡。傳統(tǒng)的動(dòng)植物油脂是潤(rùn)滑的主力軍，這種狀況一直持續(xù)到19世紀(jì)晚期。近代工業(yè)革命對(duì)潤(rùn)滑提出了越來越高的要求，在19世紀(jì)50年代人類完成了從傳統(tǒng)動(dòng)植物油到礦物潤(rùn)滑油的過渡，而將石油進(jìn)行加工煉制生產(chǎn)礦物潤(rùn)滑油始于19世紀(jì)中后期的歐美。在漫長(zhǎng)的歲月中，雖然人們使用潤(rùn)滑劑的時(shí)間很早，但是很少有人注意和研究潤(rùn)滑的特性；雖然已有實(shí)驗(yàn)研究了潤(rùn)滑的固體間的摩擦力，但都是致力于研究摩擦的物理本質(zhì)。隨著工業(yè)革命的興起，為了防止機(jī)器的高速運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來的軸承燒焦和磨損，潤(rùn)滑才成為這個(gè)時(shí)期摩擦研究的重中之重。在此期間，英國(guó)物理學(xué)家牛頓(Isaac New ton, 1643—1727)研究了流體運(yùn)動(dòng)的阻力，提出了牛頓黏性定律。同時(shí)流體潤(rùn)滑理論也在此基礎(chǔ)上得以建立。英國(guó)的托爾發(fā)表了第一篇關(guān)于軸承摩擦的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)軸承中的油膜具有高壓力。同一時(shí)代的雷諾根據(jù)托爾的發(fā)現(xiàn)，利用黏性流體力學(xué)建立了潤(rùn)滑膜中壓力分布的微分方程，從理論上證明了因軸頸旋轉(zhuǎn)而在油膜中產(chǎn)生高壓力(即高承載力)的現(xiàn)象[1]。

摩擦學(xué)理論的發(fā)展和完善為潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展提供了基石，不同種類和不同使用環(huán)境的潤(rùn)滑劑相繼被開發(fā)出來。可以說，摩擦學(xué)的發(fā)展史，就是人們以潤(rùn)滑為手段，與摩擦斗智斗勇的歷史。

2 常用潤(rùn)滑材料

2.1 傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑

2018年9月3日，以“致敬中國(guó)汽保人”為主題，知名汽車后市場(chǎng)社群線上直播訪談欄目“島主有約”特別策劃—走進(jìn)首屆中國(guó)汽車后市場(chǎng)店面運(yùn)營(yíng)綜合解決方案展在廣州保利世貿(mào)博覽館二號(hào)館現(xiàn)場(chǎng)直播室開播，直播活動(dòng)由優(yōu)汽(北京新汽聯(lián)科技有限公司)、車盟鏈聯(lián)盟、《汽車維修與保養(yǎng)》雜志社、中國(guó)機(jī)械國(guó)際合作股份有限公司聯(lián)合主辦，優(yōu)汽小閉環(huán)贊助，中國(guó)汽車保修設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)支持。優(yōu)汽CEO張科與《汽車維修與保養(yǎng)》雜志記者作為主持人，對(duì)行業(yè)協(xié)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)、優(yōu)質(zhì)參展企業(yè)代表及汽保行業(yè)領(lǐng)軍人物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采訪。受訪嘉賓分別分享了新產(chǎn)品、新觀點(diǎn)、汽車后市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)等行業(yè)熱點(diǎn)話題，重磅觀點(diǎn)一拋出，干貨滿滿。

根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)，可以將潤(rùn)滑劑分為四類：氣體類、油類、脂類和固體潤(rùn)滑材料。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑材料主要包括潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂。其中，潤(rùn)滑油是用量最大、品種最多的一類，包括植物油、礦物油和合成油。植物油是最早使用的潤(rùn)滑油(圖2(a)～2(b))，包括橄欖油、菜籽油、葵花籽油、大豆油、蓖麻油、低芥酸菜籽油等。植物油本身具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，但高溫易氧化變質(zhì)，且抗磨性能、承載能力不佳，因此被開發(fā)出來的礦物油迅速取代。礦物油是從原油中提煉而來，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、環(huán)烷基芳烴等烴類和氧化物、氮化物以及硫化物等非烴類(圖2(e))。在開發(fā)提煉出來后，短短幾十年時(shí)間礦物油就取代了使用了2000年的動(dòng)植物油脂，成為這個(gè)時(shí)代潤(rùn)滑劑的主角，是目前用量最大的一種液體潤(rùn)滑劑(高達(dá)95%)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，每年大量使用的礦物油對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，制備礦物油的石油資源也日益枯竭。隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)及資源危機(jī)，人們開始追求開發(fā)綠色潤(rùn)滑。植物油因其無毒、無污染、良好的生物降解性和可再生性等環(huán)境友好特征，再一次得到了人們的關(guān)注[2]。人們開始嘗試?yán)眉尤胩砑觿?、化學(xué)改性、生物改性等方式改善植物油的性能。潤(rùn)滑脂是一種常溫常壓下半流態(tài)的物質(zhì)，與潤(rùn)滑油相比，潤(rùn)滑脂(圖2(c)～2(d))的使用壽命長(zhǎng)，使用溫度范圍寬，且負(fù)載能力較高，阻尼性能好。除此之外，潤(rùn)滑脂在摩擦表面具有良好的黏附性，可以起到防銹、密封防塵作用，被廣泛應(yīng)用于軸承中[3]。

2.3 固體潤(rùn)滑材料

傳統(tǒng)礦物油的不可再生性和環(huán)境污染以及現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)潤(rùn)滑油的性能提出了新要求。針對(duì)礦物油耐溫性、潤(rùn)滑性、抗氧化性、黏溫性不足，人們有針對(duì)性地開發(fā)了合成潤(rùn)滑油[4]。通過分子組裝和功能設(shè)計(jì)，人們可以按需求合成需要的潤(rùn)滑劑，滿足不同環(huán)境的使用需求。與礦物油相比，合成潤(rùn)滑油具有較高的熱穩(wěn)定性、較低的凝固點(diǎn)、良好的黏溫性和抗氧化性、較小的揮發(fā)性和良好的抗磨損性等。目前常見的合成油主要有聚α-烯烴(PAO合成油)、烷基化芳烴、脂類合成油、全氟聚醚、聚硅氧烷、離子液體潤(rùn)滑劑等。從1931年開始，人們就嘗試?yán)肞AO合成油解決潤(rùn)滑劑的短缺問題。PAO油具有良好的潤(rùn)滑性能、低溫流動(dòng)性、氧化穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪油等行業(yè)中，也表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性[5]。烷基化芳烴則指烷基苯、烷基萘、烷基化環(huán)戊烷等，主要利用苯和萘與鹵代烷、烯烴及其齊聚物Friedel-Crafts烷基化制得。其具有良好的抗氧化性、熱穩(wěn)定性、低揮發(fā)等性質(zhì)，被廣泛用作工業(yè)潤(rùn)滑劑和金屬加工潤(rùn)滑液。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成了系列多烷基環(huán)戊烷(MACs)(圖3(a))[6]，評(píng)價(jià)了其對(duì)鋼/鋼摩擦副的潤(rùn)滑作用，結(jié)果顯示合成的MACs具有良好的減摩抗磨性能，其摩擦學(xué)性能受取代基的影響：取代基碳鏈越長(zhǎng)，減摩效果越好。隨后，又進(jìn)一步研究了空間低軌道中廣泛存在的原子氧對(duì)MACs的摩擦學(xué)性能的影響[7]，質(zhì)量損失結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，具有較長(zhǎng)支鏈的MACs潤(rùn)滑劑耐原子氧侵蝕性能較強(qiáng)，表明設(shè)計(jì)調(diào)控適當(dāng)?shù)闹ф滈L(zhǎng)度是改善MACs耐原子氧性能的一條可能途徑。

圖2 傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油脂及礦物油：(a)～(b)植物油作為潤(rùn)滑劑；(c)～(d)動(dòng)物油脂作潤(rùn)滑油；(e)石油提煉的礦物基潤(rùn)滑油的主要成分

母親說得沒錯(cuò)，婚姻是我自己選擇的，偉翔并沒要求我什么，所以，他也并不欠我的。而我呢，對(duì)他做了些什么呢？

酯類合成油是由有機(jī)酸與有機(jī)醇在催化劑作用下通過酯化反應(yīng)脫水而獲得的由(—COO)官能團(tuán)組成的有機(jī)化合物，其研究始于20世紀(jì)30年代。酯類合成油包括雙酯、多元醇酯、芳香羧酸酯和復(fù)酯。酯類合成油具有優(yōu)異的高低溫性能、黏溫性能、熱氧化安定性、潤(rùn)滑性、低揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，并具有優(yōu)良的生物降解性、低毒及原材料可再生等優(yōu)勢(shì)，可以更好地滿足當(dāng)前工業(yè)發(fā)展對(duì)于新型潤(rùn)滑材料的要求，是目前最具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的合成潤(rùn)滑油之一。酯類油主要應(yīng)用于裝備制造、汽車、石油化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域[8]。

全氟聚醚(PFPE)的研究開始于20世紀(jì)50年代。全氟聚醚具有抗強(qiáng)氧化、潤(rùn)滑性能好的特點(diǎn)，同時(shí)還有很好的黏溫性能和低的凝固點(diǎn)，此外其沸點(diǎn)高、揮發(fā)損失小、用作空間機(jī)械的潤(rùn)滑劑已有40多年的歷史。全氟聚醚合成油的高穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗磨損能力好等特性使其成為在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用的潤(rùn)滑劑，因此在工程和工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用：在電子工業(yè)方面適用于作為諸如等離子蝕刻、化學(xué)蒸汽沉積和離子注入等各種半導(dǎo)體集成生產(chǎn)工藝中機(jī)械真空泵的潤(rùn)滑油；在電氣工業(yè)中用作耐電弧的開關(guān)、滑線接觸部件的潤(rùn)滑劑；在有化學(xué)腐蝕性氣體的工作環(huán)境中，全氟聚醚可作為各種真空泵、壓縮機(jī)和閥門的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂等[9]。

隨著研究的發(fā)展和完善，在20世紀(jì)60年代中期，形成了以摩擦、磨損和潤(rùn)滑為主要內(nèi)容的摩擦學(xué)——Tribology(研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其相關(guān)理論和實(shí)踐的科學(xué)技術(shù))。Tribology一詞源于希臘語(yǔ)“Tribos”，其含義是摩擦或磨損的科學(xué)，由英國(guó)科學(xué)家喬斯特(H. P. Jost)于1966年3月在其主持撰寫的《英國(guó)潤(rùn)滑教育與研究現(xiàn)狀和工業(yè)需求報(bào)告》中首先提出來，此后，摩擦學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科得到了迅猛發(fā)展。(Tribology: The science and technology of interacting surfaces in relative motion and of the practices related thereto. Tribology encom passes the science and technology of friction, wear and lubrication. It deals w ith the phenomena occurring between interacting surfaces in relative motion related to physics, mechanics, metallurgy and chemistry)。

離子液體是一種新型合成潤(rùn)滑劑，具有極低的揮發(fā)性、熔點(diǎn)低、不可燃、抗氧化、熱穩(wěn)定性好、無污染等優(yōu)點(diǎn)[11]。自2001年固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了離子液體作為潤(rùn)滑劑的研究成果以來[12]，離子液體引起了人們的廣泛關(guān)注[13]。固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成了1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體并考察了其作為潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能，結(jié)果顯示1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體(圖3(c))低溫流動(dòng)性能好，能在鋼磨損表面形成含F(xiàn)ePO4和FeF2等物質(zhì)的邊界潤(rùn)滑膜，有效地提高了摩擦副的承載能力和抗磨性能[14]。為了降低離子液體的腐蝕問題，該實(shí)驗(yàn)室又先后設(shè)計(jì)合成了不同類型的離子液體潤(rùn)滑劑，不僅較好地解決了離子液體的腐蝕及抗氧化等問題，同時(shí)還保留了其優(yōu)異的潤(rùn)滑性能?？傮w而言，主要策略是設(shè)計(jì)制備不同的陽(yáng)離子及陰離子，引入抗氧化和抗腐蝕等功能基團(tuán)，提高所制備離子液體的純度，進(jìn)而達(dá)到降低腐蝕及提高抗氧化能力的目的。離子液體潤(rùn)滑劑的應(yīng)用目前尚處于起步階段。從離子液體所具備的性能來看，有望在高溫、高速、高真空及重載等苛刻環(huán)境條件下作為潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑薄膜及潤(rùn)滑添加劑獲得使用。

潤(rùn)滑是降低摩擦、減少或避免磨損的最主要技術(shù)途徑，是節(jié)省能源、資源的最有效技術(shù)手段之一。其實(shí)生活中的潤(rùn)滑行為也隨處可見，當(dāng)拉鏈拉不動(dòng)時(shí)，往上面抹一層蠟，就能很容易地將拉鏈拉上；女士在戴手鐲的時(shí)候，如果帶不進(jìn)去，在手上粘一層肥皂水，就能輕易地戴上而不傷手。工業(yè)使用的潤(rùn)滑劑，不光只是潤(rùn)滑，它可以起到控制摩擦、減少磨損、冷卻降溫、密封隔離、阻尼振動(dòng)、傳遞動(dòng)力、提供防銹等作用[1]。

1939年1月，國(guó)民黨五屆五中全會(huì)通過了《限制異黨活動(dòng)辦法》，對(duì)共產(chǎn)黨、民主團(tuán)體、愛國(guó)民主人士和人民群眾的言論行動(dòng)實(shí)行嚴(yán)格的控制，實(shí)際上剝奪了人民群眾抗戰(zhàn)以來爭(zhēng)得的某些民主權(quán)利。在9月9日舉行的國(guó)民參政會(huì)第四次大會(huì)上，共產(chǎn)黨和各抗日黨派的參政員提出《請(qǐng)政府明令定期召集國(guó)民大會(huì)實(shí)行憲政案》。經(jīng)過大家的努力，這個(gè)提案被通過。11月，國(guó)民黨五屆六中全會(huì)宣布于1940年11月12日召集國(guó)民大會(huì)。國(guó)民黨曾借此大做文章，聲稱要實(shí)施憲政，還組織人討論研究1936年5月5日頒布的《中華民國(guó)憲法草案》（即“五五憲草”）。但后來這些許諾都成了泡影。

2.2 合成潤(rùn)滑劑

圖3 列舉合成油分子式：(a)合成的一系列烷基環(huán)戊烷分子式；(b)甲基氯苯基硅油(114#空間油)的分子結(jié)構(gòu)；(c)1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體

傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料是減少摩擦和磨損最常用的有效方法，在汽車和機(jī)械工程等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，但其在使用過程中存在污染、泄漏等問題。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的使用要求越來越高，很多需要在苛刻的環(huán)境如高低溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)氧化、超高真空、強(qiáng)輻射等環(huán)境下使用，傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油脂在高低溫環(huán)境下可能固化、分解、揮發(fā)，一般的潤(rùn)滑劑使用溫度最高僅為200～300 ℃，在真空環(huán)境下?lián)]發(fā)、污染光學(xué)和電子器件，無法滿足使用要求。相對(duì)于流體和液體潤(rùn)滑，固體潤(rùn)滑以其優(yōu)異的性能獲得了廣泛的認(rèn)同，其應(yīng)用范圍也越來越廣，尤其在以航空航天為代表的高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的重要作用，為解決高低溫、超高真空、強(qiáng)輻射和高載荷等特殊環(huán)境工況條件下的摩擦磨損問題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[15]。常用的固體潤(rùn)滑劑包括具有層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、石墨、聚四氟乙烯等[16-17]；軟金屬如金、銀、鉛、銦等也被廣泛用作固體潤(rùn)滑薄膜；還有金屬氧化物、氟化物、磷酸鹽等。其中，石墨等僅適用于大氣中潤(rùn)滑，而M oS2、WS2、銀等適于真空潤(rùn)滑。

2007年，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位在科技部“973項(xiàng)目”的資助下開展了“苛刻環(huán)境下潤(rùn)滑抗磨材料的基礎(chǔ)研究”[18-20]。該項(xiàng)目針對(duì)高性能潤(rùn)滑抗磨材料的國(guó)家重大需求和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，研究分析了超高真空、離子束輻照、高溫、高速、重載、電流、過氧化氫等苛刻環(huán)境條件下潤(rùn)滑材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能演變規(guī)律，揭示了摩擦表面組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)條件、潤(rùn)滑材料/介質(zhì)共同作用下的摩擦行為規(guī)律，提出了超低摩擦的潤(rùn)滑新原理及摩擦控制方法，研制發(fā)展了新型空間潤(rùn)滑油脂、固體潤(rùn)滑薄膜、聚合物復(fù)合潤(rùn)滑材料并獲得成功應(yīng)用。通過該研究工作顯著提高了解決中國(guó)航天潤(rùn)滑問題的能力，滿足了國(guó)家航天工程對(duì)潤(rùn)滑材料技術(shù)的需求，推動(dòng)了空間摩擦學(xué)事業(yè)的發(fā)展。2008年9月，固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用中國(guó)的“神舟七號(hào)”飛船艙外平臺(tái)提供的技術(shù)條件，開展了原子氧和紫外光輻照對(duì)固體潤(rùn)滑材料結(jié)構(gòu)和性能的影響以及失效破壞機(jī)制的研究(圖4)，為發(fā)展空間實(shí)驗(yàn)室(站)用潤(rùn)滑材料奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

風(fēng)力發(fā)電、核能技術(shù)、精密機(jī)床、冶金設(shè)備、航空航天等相關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要使用合成潤(rùn)滑材料以保障其運(yùn)行可靠性及使用壽命。合成潤(rùn)滑材料既包含由化學(xué)小分子經(jīng)過分子組分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并通過化學(xué)反應(yīng)或聚合而形成的具備特殊物理化學(xué)及潤(rùn)滑抗磨損性能的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，也包括通過氣相沉積技術(shù)形成的固體潤(rùn)滑薄膜等。該方面研究也于2013年得到了科技部“973項(xiàng)目”的支持(高性能合成潤(rùn)滑材料設(shè)計(jì)制備與使役的基礎(chǔ)研究)，旨在設(shè)計(jì)制備可應(yīng)用于航空、艦船、汽車的合成酯類潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑薄膜以及固體薄膜-潤(rùn)滑油脂的復(fù)合潤(rùn)滑體系。

圖4 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用神舟七號(hào)飛船開展的固體潤(rùn)滑材料空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

摩擦無處不在，并消耗了人類大量的能源，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)設(shè)備的磨損和報(bào)廢。我們難以想象沒有摩擦的世界是什么樣子，至少可以肯定的是，如果沒有摩擦，人類將難以行走，汽車火車也不能行進(jìn)。時(shí)至今日，全球面臨資源、能源和環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，不可再生資源日益短缺，節(jié)能、節(jié)材和降耗壓力不斷增加，同時(shí)快速發(fā)展的高技術(shù)裝備和必須面臨的苛刻環(huán)境和工況條件也對(duì)潤(rùn)滑材料技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。期望在今后一段時(shí)期，中國(guó)能夠在工業(yè)摩擦學(xué)、環(huán)境友好摩擦學(xué)、納米摩擦學(xué)、生物摩擦學(xué)以及高性能潤(rùn)滑材料等領(lǐng)域取得長(zhǎng)足發(fā)展與進(jìn)步，用優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑材料技術(shù)產(chǎn)品“潤(rùn)滑”中國(guó)的現(xiàn)代工業(yè)，為節(jié)省資源能源、治理霧霾與環(huán)境污染，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展不斷做出新的更大的貢獻(xiàn)。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可知,以FPS的大小評(píng)估算法的檢測(cè)速度,可知Faster-RCNN不能滿足無人車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)性;以mAP值評(píng)估算法的檢測(cè)精度,可知表4目標(biāo)檢測(cè)算法中DSSD算法檢測(cè)精度最高,且在任一類別的目標(biāo)檢測(cè)上,DSSD算法均優(yōu)于其它算法。當(dāng)FPS滿足20時(shí)即可保持畫面的流暢[13],故DSSD算法可以保證無人車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性需要。

致謝 在論文撰寫過程中與朱幻進(jìn)行了有益的討論，在此表示衷心的感謝！

(2014年6月6日收稿)

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(編輯：段艷芳)

Colorful friction, wear and lubricants

LIU Wei-min①, GUO Zhi-guang②

①CAS Member, ②Professor, State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chem ical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

Friction and wear occur in everywhere, which are closely related to our life. In this paper, the foundation and development of tribology are briefly introduced, and the commonly used lubricating materials with some corresponding applications are also summarized. Many efforts have been made to improve the lubrication and antiwear properties of lubricating materials. Additionally, synthetic oils can be designed to be more effectively used in different environmental conditions, expected to replace mineral oil at many areas for more benef i ts such as economic applicability. Solid lubricating materials play an irreplaceable role in aerospace engineering and military area due to their good resistance to high temperature, high radiation, high vacuum, and so forth. With the progress of modern industry, physical chemistry, tribological properties and biodegradation performance of lubricating materials must meet the challenges put forward by the complicated environment and severe condition.

friction, wear, lubrication, synthetic lubricating oil, solid lubrication

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.002

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2007CB607600、2013CB632300)資助