9-摩擦学发展前沿.ppt

1主要内容主要内容 历史回顾历史回顾 摩擦磨损与国民经济摩擦磨损与国民经济 摩擦学学科概述摩擦学学科概述 摩擦学研究前沿及国内现状摩擦学研究前沿及国内现状2摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿节能摩擦学节能摩擦学l节能摩擦学节能摩擦学：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摩擦学的节约作用摩擦学的节约作用:摩擦学设计摩擦学设计和润滑技术润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。3摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿l汽汽车车：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。4摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿环境友好摩擦学环境友好摩擦学l环境友好摩擦学环境友好摩擦学：研究生态系统中和对生：研究生态系统中和对生态系统与环境产生影响的摩擦学问题及其态系统与环境产生影响的摩擦学问题及其防治的科学和技术。防治的科学和技术。环境友好润滑剂、无公害摩擦材料、降环境友好润滑剂、无公害摩擦材料、降噪、减振、噪、减振、5摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿环境友好摩擦学环境友好摩擦学-主要包括环境兼容润主要包括环境兼容润滑剂、环境友好润滑技术以及噪声防治滑剂、环境友好润滑技术以及噪声防治技术等技术等l欧盟每年销售的欧盟每年销售的450万吨润滑油的万吨润滑油的13%在无控制的状态下进入环境，而泄露在无控制的状态下进入环境，而泄露核事故导致的液压油损失达核事故导致的液压油损失达8%。l环境友好润滑剂及添加剂必须具有生环境友好润滑剂及添加剂必须具有生物可降解性、较小的生态毒性和毒性物可降解性、较小的生态毒性和毒性累计性。累计性。6摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿摩擦噪声防治主要研究对环境产生噪声污染摩擦噪声防治主要研究对环境产生噪声污染严重的高频尖啸摩擦噪声和摩擦副表面形貌严重的高频尖啸摩擦噪声和摩擦副表面形貌对摩擦噪声的影响。对摩擦噪声的影响。l环境友好润滑剂主要研究包括发动机润滑环境友好润滑剂主要研究包括发动机润滑油，农业、林业、食品加工、采矿等用润油，农业、林业、食品加工、采矿等用润滑油及其添加剂，液压油等。滑油及其添加剂，液压油等。l研究新一代经济性更好的高效、多功能绿研究新一代经济性更好的高效、多功能绿色润滑油，如高水基润滑油色润滑油，如高水基润滑油HWBF（high water basic fluid）取代）取代传统矿物基础油，以减少环境污染。传统矿物基础油，以减少环境污染。7摩擦学的发展前沿摩擦学的发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）8摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿微微/纳摩擦学纳摩擦学l微微/纳摩擦学纳摩擦学：研究在微/纳米尺度上的摩擦学基础理论和技术，发展为MEMS（微电子器件）、微机械、计（微电子器件）、微机械、计算机存储系统算机存储系统等提供技术支撑的摩擦学设计、摩擦材料和表面工程。9摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿飞行高度飞行高度8 nm控制精度控制精度2 nm表面粗糙度：表面粗糙度：磁头磁头Ra 0.1 nm磁盘磁盘Ra 0.08 nm波纹度波纹度 0.12 nm 磁头表面保护膜厚度磁头表面保护膜厚度 2 nm寻道精度寻道精度:0.125 m磁存储密度：磁存储密度：100 Gb/in2三维纳米设计三维纳米设计和加工和加工纳米级运动控纳米级运动控制问题制问题磁头磁头/磁盘制造中磁盘制造中的科学技术问题的科学技术问题亚微米级定位亚微米级定位问题问题亚纳米表面抛亚纳米表面抛光与测量问题光与测量问题超薄膜的均匀生长问题超薄膜的均匀生长问题10MEMS器件失效分类器件失效分类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)11摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿极端工况摩擦学极端工况摩擦学 研究发生在高温、高压、超高速、研究发生在高温、高压、超高速、超高真空、低温、强辐射等极端工况条超高真空、低温、强辐射等极端工况条件下的各种摩擦学问题。件下的各种摩擦学问题。12摩擦学的发展前沿摩擦学的发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。13摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿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。14 应用背景应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润滑和密封材料与技术航空用特种润滑和密封材料与技术 15摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿l极端气氛环境条件下的摩擦学：极端气氛环境条件下的摩擦学：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。16摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿l极端速度极端速度/载荷条件下的摩擦学：载荷条件下的摩擦学：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。17摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿l真空、微重力（失重）与强射线条件下的真空、微重力（失重）与强射线条件下的摩擦学：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；18摩擦学的发展前沿摩擦学的发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。19核电站核电站20核电站核电站21摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿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。22摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿l电磁耦合作用条件下的摩擦学：电磁耦合作用条件下的摩擦学：导电摩擦副，例如铁路接触网导线导电摩擦副，例如铁路接触网导线/滑滑板、发电设备励磁电机碳刷、各种高低板、发电设备励磁电机碳刷、各种高低压开关与接触器触头、航天用整流设备压开关与接触器触头、航天用整流设备等，其共同特点为表面不但承受摩擦接等，其共同特点为表面不但承受摩擦接触，而且要通过电流，二者之间存在非触，而且要通过电流，二者之间存在非常强的耦合作用。常强的耦合作用。23摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿24摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿对于磁场存在的摩擦副，特别是强磁场对于磁场存在的摩擦副，特别是强磁场对磨损产物在摩擦面上的运动、润滑系对磨损产物在摩擦面上的运动、润滑系统的状态都有非常明显的作用。相关科统的状态都有非常明显的作用。相关科学问题的解决将有利于提高我国磁悬浮学问题的解决将有利于提高我国磁悬浮列车应用可行性研究的可靠性。列车应用可行性研究的可靠性。25摩擦学的发展前沿摩擦学的发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 研究人体组织器官、人工组织器官及修研究人体组织器官、人工组织器官及修复体摩擦学行为的科学，是摩擦学在生命与复体摩擦学行为的科学，是摩擦学在生命与健康领域的学科分支健康领域的学科分支 人类必须认清人体组织器官中的摩擦学人类必须认清人体组织器官中的摩擦学现象及人体的特殊环境，用以指导人工组织现象及人体的特殊环境，用以指导人工组织器官的摩擦学设计。器官的摩擦学设计。26摩擦学的发展前沿摩擦学的发展前沿人体摩擦学包含如下人体摩擦学包含如下7个组成部分个组成部分一、骨、关节系统摩擦学一、骨、关节系统摩擦学二、牙与口腔系统摩擦学二、牙与口腔系统摩擦学三、心血管系统摩擦学三、心血管系统摩擦学四、眼系统摩擦学四、眼系统摩擦学五、皮肤与毛发摩擦学五、皮肤与毛发摩擦学六、体内软组织摩擦学六、体内软组织摩擦学七、人体生物润滑材料七、人体生物润滑材料27人体摩擦学涉及范围人体摩擦学涉及范围28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动皮肤与外界物体接触界面的擦动界面摩擦运动引起的皮肤组织反应：界面摩擦运动引起的皮肤组织反应：破裂破裂 起泡起泡 角质化与起茧角质化与起茧 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29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，导致骨溶解人工关节的磨损后果人工关节的磨损后果30实实 例例针对摩损的研究之一针对摩损的研究之一材料配副材料配副UHMWPE金属金属陶瓷表面处理31实实 例例陶瓷陶瓷-陶瓷人工关节陶瓷人工关节32人工骨人工骨人工骨人工骨人工关节人工关节人工关节人工关节指关节假体指关节假体肩关节假体肩关节假体肩关节假体肩关节假体腕关节腕关节假体假体肘关节肘关节假体假体踝关节假体踝关节假体大脚趾关节假体大脚趾关节假体34义齿义齿35实实 例例人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜36实实 例例人工心脏人工心脏37实实 例例人造血管及支架人造血管及支架38实实 例例人工肺人工肺 39隐形眼镜隐形眼镜40海洋生物表面结构及仿生减阻海洋生物表面结构及仿生减阻鲨鱼皮表面形态鲨鱼皮表面形态Textured surfaces of shark skin41仿鲨鱼皮泳装仿鲨鱼皮泳装42我国摩擦学研究进展及成果我国摩擦学研究进展及成果 获得国家自然科学奖获得国家自然科学奖 纳米薄膜润滑理论与实验纳米薄膜润滑理论与实验：清华大学（温清华大学（温诗铸）诗铸）l20012001年国家自然科学年国家自然科学2 2等奖等奖 颗粒对电接触可靠性影响及防护颗粒对电接触可靠性影响及防护：北京北京 邮电大学（章继高）邮电大学（章继高）l19931993年国家自然科学年国家自然科学3 3等奖等奖 微动磨损理论微动磨损理论：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等奖等奖43我国摩擦学研究进展及成果我国摩擦学研究进展及成果 获得国家技术发明奖、国家科技进步奖获得国家技术发明奖、国家科技进步奖陈建敏陈建敏 航空用特种润滑和密封材料与技术航空用特种润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 水润滑动密封复合材料轴承水润滑动密封复合材料轴承 -2004年获国家科技进步2等奖葛世荣葛世荣 矿井提升机的补偿制动技术及相关矿井提升机的补偿制动技术及相关 安全装置安全装置 -2001年获国家技术发明2等奖谢友柏谢友柏 旋转机械转子轴承系统摩擦学动力旋转机械转子轴承系统摩擦学动力 学设计理论与应用研究学设计理论与应用研究 -1997年获国家科技进步2等奖44我国摩擦学研究进展及成果我国摩擦学研究进展及成果 在国际上有较大影响的研究领域在国际上有较大影响的研究领域清华大学摩擦学国家重点实验室清华大学摩擦学国家重点实验室：薄膜润滑；纳米摩擦学研究；中国科学院兰州化物所固体润滑国家重点实中国科学院兰州化物所固体润滑国家重点实验室验室：空间和特种材料固体润滑理论与应用；西南交通大学牵引动力国家重点实验室西南交通大学牵引动力国家重点实验室：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实验室：吉林大学教育部仿生机械实验室：生物脱附及减磨原理；地面机械脱附仿生理论与技术。45