摩擦磨損的研究進展

潘 鵬 姜開翔 朱存洲 高 杰

（塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，阿拉爾 843300）

據(jù)不完全統(tǒng)計，每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失約占一個工業(yè)化國家國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）的1%～2%。研究摩擦磨損的機理，從根本上解決摩擦磨損的問題，將會增加一大筆經(jīng)濟收益，因此對摩擦磨損方向的研究一直是眾多學(xué)科的研究熱點[1-2]。

本文從滑動磨損、磨粒磨損、潤滑磨損、生物摩擦學(xué)和高分子及高分子基復(fù)合材料磨損的研究進展及現(xiàn)狀入手，綜述了近年來摩擦學(xué)方向的重點研究成果，分析了摩擦磨損的內(nèi)在機理，為今后摩擦學(xué)的研究提供了理論依據(jù)。

1 滑動磨損的研究

材料的滑動磨損是摩擦磨損中最為常見的磨損現(xiàn)象，也是學(xué)者們最為關(guān)注的研究重點，國內(nèi)外的眾多學(xué)者在這方面做了許多的試驗，也得到了很多有意義的結(jié)論，為滑動磨損的相關(guān)研究提供了理論依據(jù)[3-6]。

RUBY M C 等[7]研究了鈷基合金在核反應(yīng)堆環(huán)境條件下的滑動磨損分析，在核反應(yīng)堆堆芯中，輻照鈷會產(chǎn)生高穿透性發(fā)射γ 射線的同位素，即穩(wěn)定的鈷59 產(chǎn)生鈷60。鈷合金的磨損會產(chǎn)生磨損碎片，從而加劇這一問題。他們通過復(fù)制反應(yīng)堆條件環(huán)境中合金的滑動磨損行為，提出了磨損預(yù)測模型，且產(chǎn)生了良好的定性結(jié)果。RAHAMAN 等[8]研究了尺寸對塊狀金屬玻璃摩擦磨損機理的影響，通過滑動試驗，采用結(jié)構(gòu)方程模型（Structural equation modeling，SEM）和透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）進行顯微結(jié)構(gòu)分析。試驗研究發(fā)現(xiàn)隨著樣品尺寸的減小，塊狀金屬玻璃的延展性和斷裂強度會逐漸增加，從而具有了更高的耐磨性和摩擦力。并且塊狀金屬玻璃的機械和摩擦學(xué)特性會隨樣品大小產(chǎn)生變化，而不是由于冷卻速率效應(yīng)和幾何形狀不穩(wěn)定性或樣品的傾斜所致。FILIP 等[9]通過研究濕度對汽車制動器摩擦材料磨損的影響，發(fā)現(xiàn)其存在臨界濕度水平，當(dāng)濕度低于該水平時，磨損會減少，而高于該水平時，磨損會隨濕度的增加而增加。

2 磨粒磨損的研究

磨粒磨損是最常見的一種磨損機理，一般情況下引起工件磨損失效的主要原因就是磨粒磨損[10]。磨粒磨損與實際應(yīng)用聯(lián)系最為緊密，一直以來都是摩擦磨損研究中的重點關(guān)注對象。

TOZETTI 等[11]研究了磨料尺寸和施加載荷對馬氏體白口鑄鐵的磨損影響，結(jié)果表明：鑄鐵磨損會隨著施加載荷和磨粒尺寸的增加而增加?；诖?，提出了一種構(gòu)建馬氏體高鉻鑄鐵磨料磨損圖的方法。ELZBIETA 等[12]研究了粉煤灰的添加量對混凝土耐磨性的影響，結(jié)果表明：混凝土中含有30%流動粉煤灰時耐磨性能最好，這主要是液態(tài)粉煤灰自身所具備的凝硬性導(dǎo)致的。

3 潤滑磨損的研究

潤滑磨損一直是眾多研究學(xué)者重點關(guān)注的話題，尤其是在企業(yè)中從事科研工作的人員。適度的潤滑條件可以在很大程度上改善材料的磨損情況，從而降低材料損耗，提高機械的穩(wěn)定性和工作效率，提升總體經(jīng)濟效益。除此之外，潤滑磨損的研究成果還可以為企業(yè)帶來極高的經(jīng)濟效益[13-15]。

GUO 等[16]使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的愈創(chuàng)木酚獲得了用于船舶推進系統(tǒng)水潤滑管軸承的仿生材料，然后分別對得到的仿生材料進行摩擦性能分析，結(jié)果表明：含有0.5%濃度愈創(chuàng)木酚的仿生材料磨損性能最好。李佳佳等[17]研究了球磨時間對Cu-WS2自潤滑復(fù)合材料界面狀態(tài)的影響，結(jié)果表明：球磨時間的延長會增強WS2在基體中的彌散程度和力學(xué)性能，并且還能使摩擦磨損性能也能維持在較高的水平。但當(dāng)球磨時間超過30 h 時，會使界面反應(yīng)加劇，從而使WS2分解為Cu2S，這種情況大大減弱了WS2的潤滑減摩性能，同時還會使復(fù)合材料的摩擦磨損性能降低。

4 生物摩擦學(xué)的研究

在我們的常規(guī)認(rèn)知中，一般認(rèn)為摩擦磨損是研究材料中或者機構(gòu)中的磨損，往往會忽略生物摩擦這個方面的因素。其實生物與環(huán)境之間也存在著大量的摩擦現(xiàn)象，如人體器官、組織、皮膚等方面的摩擦，這方面的研究對于人身健康有著非常重要的意義[18-23]。

CHEN S[24]等通過進行指尖皮膚摩擦對觸覺感知的試驗研究，測試了指尖表面特性的觸覺刺激，同時記錄分析了指尖摩擦刺激后大腦的反應(yīng)信號，結(jié)果表明：表面紋理的觸感受摩擦系數(shù)控制，表面紋理的尺寸會影響觸覺感知。此研究有助于深入了解指尖的觸覺感知機制，并為智能機器人手指建立仿生模型。徐敬忠等[25]為了減緩植入體與人體骨骼組織間出現(xiàn)體液缺失時引發(fā)的腫脹、發(fā)炎等癥狀，研究了生物醫(yī)用孔隙結(jié)構(gòu)在干摩擦下的磨損行為，結(jié)果表明：孔隙結(jié)構(gòu)與人體原生骨組織越接近其耐磨性能越優(yōu)。此研究對實際醫(yī)學(xué)應(yīng)用有著重要意義。

5 高分子及高分子基復(fù)合材料的研究

隨著科技的高速發(fā)展，新型材料層出不窮，高分子及高分子基復(fù)合材料以其獨特的結(jié)構(gòu)本質(zhì)以及優(yōu)越的力學(xué)特性在材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但其磨損機理有異于傳統(tǒng)的金屬材料。

SUKUMARAN 等[26]研究了在高載條件下9 種不同非晶態(tài)和半晶態(tài)聚合物的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明：半晶態(tài)高分子材料相比非晶態(tài)高分子材料的摩擦學(xué)特性更優(yōu)。此試驗說明了重載條件下對聚合物大規(guī)模測試的磨損機理和相應(yīng)摩擦學(xué)特性的差異。劉明等[27]采用100Cr6 球形壓頭系統(tǒng)對聚碳酸酯劃痕性能進行了研究，結(jié)果表明：多程單向滑動磨損測試中，殘余劃痕寬度、摩擦系數(shù)、壓入深度和殘余深度會隨劃痕次數(shù)的增加而增加，但殘余劃痕硬度會降低；另外，壓入深度和殘余深度達到穩(wěn)定的劃痕次數(shù)后會隨法向載荷的增加而減小。

6 發(fā)展與展望

摩擦學(xué)是一門典型的重點交叉學(xué)科，涉及內(nèi)容廣泛，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等多門學(xué)科。近年來，摩擦學(xué)的研究方向一直在穩(wěn)定迅速發(fā)展，摩擦磨損的研究也越來越深入，但是還存在一些缺點，如在生物摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究相對較少、理論研究較多、實際運用較少等。摩擦學(xué)研究在要求試驗過程嚴(yán)謹(jǐn)、試驗結(jié)果精確的同時，也應(yīng)該深入分析、總結(jié)試驗過程中的摩擦學(xué)機理，盡可能做到理論聯(lián)系實際。針對目前摩擦學(xué)的研究和總結(jié)，提出以下幾點有關(guān)摩擦學(xué)研究的建議及意見：

（1）在生物摩擦學(xué)方向有關(guān)人體皮膚和觸覺感知等方面的研究可能是今后生物摩擦學(xué)的研究重點，此方向的研究對于機械手、仿真手臂有著重要意義。

（2）應(yīng)在傳統(tǒng)摩擦學(xué)研究方面積極開辟新的研究方向和內(nèi)容，如目前在研究摘錠磨損失效方面做的最多的研究是建立摘錠的試驗?zāi)Ｐ停疫€可以加強多尺度模擬[7]的研究，并運用有限元法來分析摘錠在與棉花脫離過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律[3]，或?qū)⒎肿觿恿W(xué)與有限元方法結(jié)合起來，更精確地分析摩擦磨損的內(nèi)在機理。

（3）大量建立有關(guān)摩擦學(xué)方向的模型，從而更深入地探討和揭示摩擦機理，以便于在實際應(yīng)用中起到理論支持。

7 結(jié)語

本文綜述了各領(lǐng)域中重點材料的摩擦磨損研究，分析了相關(guān)研究所取得的成果，并展望了摩擦學(xué)未來的發(fā)展方向，相關(guān)人員在今后的研究過程中，應(yīng)更全面地研究有關(guān)摩擦磨損方面的內(nèi)容，從而為今后摩擦磨損研究提供有效的理論依據(jù)。