材化学院
高温摩擦学研究现状及发展趋势
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2013年10月
高温摩擦学研究现状及发展趋势
第1章研究目的背景意义
两个在接触状态下作相对运动的物体，因接触而阻碍相对运动，并使运动速度减慢，这种现象称之为摩擦。物体表面互相摩擦时，材料自该表面逐渐损失的过程称之为磨损。摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果[1]。
摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的一门边缘学科。
高温摩擦，顾名思义是在高温工作下的摩擦磨损现象。高温工作条件下，高温和氧化加速了磨损。
1.1研究高温摩擦的背景
一些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少，而且这些类高温摩擦情况较为普遍，消耗更为严重，因而我们迫切地需要提高材料的高温耐磨性，以减少高温工作条件下的摩擦磨损。
一方面伴随着现代航空、航天等高新技术的发展，陶瓷材料的广泛应用，材料高温性能和高温润滑要求更高，另一方面随着石油燃料价格的上涨，发动机的经济性越来越受到重视[2]。低能耗、少排放、高推进比的先进绝热发动机逐渐出现在人们的视野中。
自1974年研究绝热发动机以来，英国、美国、日本等国家先后投入巨资对其进行研究，以期实现绝热发动机在军用和民用上的巨大价值。
常规的水冷柴油机，气缸磨擦表面的温度在250到300℃，允许油膜存在。绝热发动机的磨擦表面温度高，第一活塞环返回点的环—壁接触表面温度在530到650℃，绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度更是高达600~1000℃[3]。现在的润滑油，包括耐高温的合成机油，超过425℃都将立即蒸发并燃烧，在530到650℃,不可能存在油膜[4]。但适当选用摩擦副材料和润滑剂，活塞环—缸套仍能工作良好。这很可能是靠某种固体润滑剂，或某种润滑油的分解产物，或者陶瓷材料本身就有自润性，形成高温下的润滑膜，达到润滑减磨的效果。
绝热发动机由于工作温度高，在摩擦学方面会出现许多特殊问题，需要调查研究,逐一解决[4]。因而要实现绝热发动机，其高温摩擦性问题必须得到解决。
一些新技术、新材料的发展和出现，比如表面工程技术、耐磨材料和耐高温润滑剂的发展，促使着高温摩擦学不断地进步发展，材料的耐磨性不断提高。
随着涂层技术的进步，近几十年来涂层摩擦学在各个领域获得了迅速发展，表面工程摩擦学已成为摩擦学研究领域中十分活跃的分支[5]。第一代表面工程技术包括PVD涂层、CVD、热喷涂、电刷镀层、电镀、化学镀、渗氮、渗碳技术、热化学处理以及载能束改性等。20多年来，该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展，许多研究成果已获得了应用。第二代表面工程即复合表面工程，第三代指新近出现的多层及多组元涂层[6,9]。表面工程摩擦学的发展为高温摩擦学的发展提供了巨大的帮助。
传统高温耐磨材料的强化和代用产品、新型高温耐磨陶瓷及高温润滑剂、润滑材料的发展，不断地提高着材料的耐磨性能，减少材料的磨损和消耗，在实现巨大经济效益和社会效益的同时，促使着高温摩擦学和高温磨损原理及机制的不断完善和发展。
1.2研究高温摩擦目的意义
据估计全世界大约有1/2~1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的[10]。在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占50%。仅冶金、电力、建材、煤炭和农机五个部门的不完全统计，我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上[1]。
因此研究高温摩擦，可以提高材料的耐磨性和使用寿命；增加机械可靠性和缩短维修时间；节省材料成本、减少能源浪费；具有很高的社会效益和经济效益。
第2章国内外研究现状
目前国内外对于高温摩擦的研究主要集中在表面工程摩擦学（PVD涂层、激光熔敷层、渗氮技术等）、润滑材料及耐磨材料这三方面。
2.1 相关技术研究
2.1.1 表面工程摩擦技术
刘爱华[5]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究，将五种不同的氮化物涂层在不同的温度、加载速度和载荷下进行实验，发现AlTiN最适应高温高速高载的摩擦环境。并发现涂层高温下都会发生氧化磨损，硬度较低的CrN发生塑变而失效，硬度较高CrAlN发生磨粒磨损，化学活性高的AlTiN会发生粘着磨损。
李志明，钱士强等[11]对电刷镀Ni-P合金镀层的高温摩擦磨损性能进行了研究，实验结果表明，在20CrMo的基体上，电刷镀合金Ni-P层能有效降低试样在高温（450 ℃）下的摩擦因数，减少磨损量。其磨损原理为氧化磨损、犁沟切削和磨粒磨损。
张平等[12]采用网格化激光淬火和低温离子渗硫技术对42MnCr52钢进行复合表面处理，与未处理样品相比较,硬度提高20%左右,摩擦因数降低约10%,磨损失重量减少50%以上，具有显著的抗高温摩擦磨损性能。其渗硫层疏松多孔，具有储油功能，改善了润滑条件。
王耀华等[13]采用高温摩擦磨损试验机研究从室温(25℃)至700℃下Fe-Al/TiC 激光熔覆层与Si3N4球配副时的摩擦磨损特性,探讨了涂层的高温摩擦磨损机理。其熔覆层的高温磨损机理为剥层磨损。
袁建辉等[14]通过大气等离子喷涂方法,使用自制的含有WC-Co、Cu和BaF2/CaF2共晶体的复合喷涂粉末,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层和WC-Co涂层的高温摩擦试验。其摩擦产物层光滑致密，摩擦因数和磨损率都较小。
2.1.2 润滑技术和材料
李建亮等[3]进行了宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究，采用脉冲激光在镍基材料表面刻蚀微孔来存储润滑氧化物；采用双层辉光等离子渗金属技术对微孔化表面渗Mo或Mo／N复合渗处理以改善表面耐磨性能。
孙晓峰等[15]研究了纳米SiO2在润滑油中的高温摩擦学性能，发现纳米SiO2
能明显改善菜籽油的高温减摩抗磨性能,在500℃时,摩擦因数仅为0.16,磨损量降低了80%以上。
姜美焕等[16]做了双咪唑离子液体的合成及其高温摩擦学性能研究，发现烷基链连接的双咪唑离子液体的减摩抗磨性能明显优于醚链连接的双咪唑离子液体,且缩短双咪唑离子液体的连接链长度有利于提高其摩擦学性能。
2.1.3 耐磨材料
周松青等[17]研究以SiC为基体,用TiC和B4C为原料,采用新的反应原理生成TiB2,原位合成了TiB2-SiC基复相陶瓷,提高了SiC陶瓷的物理性能和高温摩擦学性能。高温摩擦氧化是TiB2-SiC基复相陶瓷自对偶高温磨损主要机理。
张辉[18]研究了三种典型硬脆刀具材料(PCD刀具、Al2O3/TiC陶瓷刀具和硬质合金刀具)的高温摩擦磨损特性,揭示了硬脆刀具材料高温摩擦磨损机理,从而为刀具材料的设计和选择提供理论依据。
刘佐民[19]对M50 高速钢高温摩擦磨损特性进行了研究，结果表明：在温度高于400℃的条件下，由于摩擦热与环境温度的共同作用，使材料的接触界面保持半熔融状态，在滑动过程中于摩擦表面形成了一层“金属膜”，使摩擦因数明显降低，尤其在600℃高温下的摩擦因数和磨损率都几乎最低，而且都相当平稳。
此外，还有学者对各种复合材料和酚醛树脂等无机化学合成材料的高温摩擦特性及磨损机理进行了研究。
2.2高温摩擦磨损实验及试验机
磨损实验类型分为实物实验和实验室试验。
试样实验常用的磨损试验机有销盘式试验机，上试样为销，下试样为旋转的圆盘，主要用于与矿石、砂石等固体材料发生磨损情况下金属材料的耐磨性能实验，如MPX-200型和ML-10型；环快式试验机上试样为平面块状，下试样为环状，主要用来做各种润滑油和脂在滑动摩擦状态下的承荷能力和摩擦特性的实验，如MHK-500型；双环式试验机上下试样均为圆环状，主要用来测定金属和非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滑动和滚动复合摩擦或间歇摩擦情况下的磨损量，如MM-100型和MM-200型；往复式试验机上试样在下试样上作往复运动，主要用于评定往复运动机件如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性，如MS-3型；四球式试验机试样为四个大小相同的钢球，主要用于评定润滑剂承载能力，如MQ-12型。
MG-200型高速高温摩擦磨损试验机，可在高温、常温和有液体介质的情况
下作金属或非金属材料的耐磨性试验和测定摩擦系数。试样接触形式可为盘销式、双环式、环快式等[1]。
目前大多数做高温摩擦磨损试验的多用点接触式的试验机。
2.3 影响高温摩擦系数的因素
乔玉林等[20]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,在试验范围内热轧钢/热轧钢摩擦副的高温摩擦系数随时间的延长呈增长趋势,增长趋势的快慢与试验参数有关,高速时的高温摩擦系数明显低于低速时的高温摩擦系数;大量氧化铁磨屑的产生是造成热轧钢/热轧钢摩擦副高温摩擦系数上下波动的主要原因。
刘爱华[5]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究,结果表明，由于摩擦温升,涂层氧化更易发生,尽管涂层的轻微氧化可以提高耐磨性,但氧化加剧却可以造成涂层的最终失效。实验还表明，温度、试验速度、载荷等都会对材料的高温摩擦系数产生影响。
总结得出材料的高温摩擦系数主要是由温度、试验速度、实验载荷这三种因素影响的，其次还受摩擦里程和摩擦系统介质等因素的影响。
2.4高温摩擦磨损机制
乔玉林等[20]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,试验速度对热轧钢/热轧钢摩擦副的高温磨损机理有很大的影响,在高速(0132m/s)条件下,高温磨损机理主要是磨粒磨损;而在低速(0110m/s)条件下,高温磨损机理主要是粘着磨损。
不同的材料其高温摩擦磨损机制是不同的，影响其磨损的因素有很多，其磨损机理也可能是多种机制构成的。
①磨粒磨损
对于硬度较大的材料，会发生微观切削、微观犁沟和微观断裂。一般来说硬度越高，抗磨损性能越好。耐磨材料由于其产生硬质点易造成磨粒磨损。
②粘着磨损
对于硬度较小的材料和较低的试验速度下易发生粘着磨损。粘着磨损分为涂抹、擦伤、撕脱和咬死。
③氧化磨损
氧扩散到摩擦副的变形层内，形成氧化膜。氧化膜的生成和不断剥落会形成
氧化磨损。由于在高温条件下，摩擦副更易形成氧化膜，所以高温下最主要的磨损机理是氧化磨损。
第3章研究中存在的问题
3.1 涂层等表面处理层
①难以获得准确的接触应力和摩擦温度等参数
②涂层不易制备，与基体的结合力不好，高温下可能导致涂层脱落
③对磨球硬度小于涂层硬度，磨损量不能检测
④磨球可能会与涂层在高温下反应
3.2高温耐磨材料
①传统的金属耐磨材料中高锰钢必须在高的冲击载荷下使用[20]；而低合金钢韧性较差。
②非金属高温耐磨材料中的陶瓷材料韧性也存在着很大的问题；酚醛树脂和聚乙烯超高分子等的抗高温氧化性差。
③复合材料成分分布、相分布复杂多变，研究起来十分复杂困难。
3.3高温润滑材料
液体一般是以酯、醚类的有机物组成，成分复杂。
固体高温润滑剂一般是石墨、氟化石墨、二硫化钼为主，其缺点是润滑膜一旦失效就难以再生；一般地说，其摩擦因数比润滑油脂的大；摩擦界面上的热量不易被带走或逸散；容易产生碎屑、振动和噪声。
高温润滑材料在研究中不易观察和测量其在高温时的性能指标，操作困难。
第4章趋势与发展方向
4.1 向普通金属耐磨材料强化和代用方向
高锰钢的强化——增加合金含量和添加稀有元素变质剂脱氧、细化晶粒，高锰钢的代用——采用淬火的耐磨低合金钢和高强度球墨铸铁[21]。
4.2 向复合材料和非金属耐磨材料方向
与传统的金属耐磨材料相比，陶瓷和非金属耐磨材料有着比金属材料更优异的耐磨特性[21]。传统的高温耐磨材料的设计思路均是在高强韧金属基体中加入弥散分布的硬质增强相颗粒，增强相主要承担磨损应力，基体主要起联接支撑增强相，协调变形和承受冲击应力的作用。如Stelite6合金和T800等。
目前利用高硬度的耐磨材料和韧性较好的基体相结合的复合耐磨材料在工业中广泛应用。陶瓷材料具有很高的高温耐磨性，但由于其脆性不适合高强度冲击载荷，因此其研究增韧陶瓷是一个很好的研究方向。
4.3 向表面工程抗磨技术方向
由于磨损问题常常仅仅发生在零件的表面和局部。因此，只要工艺上可行，采用表面局部强化或者复合材料的方法是最为经济和有效的。近些年来表面工程在抗磨技术方面的应用也在逐步加大中，很多学者都倾向于使用表面工程技术实现高温抗磨，比如现在热兴的表面激光处理、真空熔覆、PVD、刷镀和自修复技术的应用[21]。此外对于表面工程技术正向第二代表面工程即复合表面工程，第三代即新近出现的多层及多组元涂层方向发展。
4.4向更高效的高温润滑剂和润滑材料方向
目前液态高温润滑剂的发展如下：
第一代PE-4L——TMP酯
第二代MRI-1——DIPE酯
第三代MRI-7
第四代MRI-2——芳香酯
第五代MRI-5——五环聚苯醚[22]
……
传统的高温固体润滑剂一般是以石墨、氟化石墨、二硫化钼为主，新型的高温固体润滑剂多以新型陶瓷材料和复合材料为主。
参考文献
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第２８卷第１期２００８年１月 摩擦学学报 ＴＲＩＢＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ２８，Ｎｏ１ Ｊａｎ，２００８我国摩擦学发展回顾 ——在第八届全国摩擦学大会上的致辞 宋天虎 （中国机械工程学会，｜北京１００８２３） 各位领导、各位专家学者及同仁：大家好！ 今天，能够相聚在繁荣兴旺的南国花城，领略兼容并蓄的岭南文化，共赴学科交叉的工程领域，回顾国内摩擦学发展历程，展望摩擦学发展前景，心里十分高兴． 值此，在以“面向世界，面向未来的中国摩擦学”为主题的第八届全国摩擦学大会召开之际，请允许我代表中国机械工程学会向会议的主办单位摩擦学分会，承办单位广州机械科学研究院和华南理工大学表示衷心的祝贺，向给予本届大会提供支持与协助的国家自然科学基金委员会等诸多单位表示诚挚的感谢，向与会各位代表表示热烈的欢迎！ 摩擦学分会成立于１９７９年３月，我国摩擦学的研究自建国以来已有几十年历史．客观地回顾过去，科学地展望未来，动员广大科技工作者投身到建设创新型国家、构建和谐社会的洪流中来是我们科技社团义不容辞的职责．大家知道，摩擦学是一门涉及多学科交叉的边缘学科，在诸多研究领域中占据重要地位．可以说是无处不在，大有作为．经过半个世纪，摩擦学的发展过程大致可以分为以下５个阶段．（１）起步阶段 从２０世纪５０年代后期到６０年代初为起步阶段．在经历了我国第一个五年计划，从５０年代后期开始，摩擦学的研究与发展不断受到各界重视．，其主要标志是１９６２年１０月１５～２０日，在兰州由中国科学院技术科学部和我会联合举办的“第一次全国摩擦、磨损和润滑研究工作报告会议”，有１６０多名专家莅临．会议提议中国机械工程学会筹备设立摩擦、磨损与润滑分会． （２）停滞阶段 从２０世纪６０至７０年代为停滞阶段．在这一较长的时期内，我国摩擦学研究和发展受到很大影响和冲击． 而在这一时期，随着现代工业和大型成套机械装备的迅猛发展，国际上节约资源已成为人们十分关注的问题．在此背景下，１９６６年Ｊｏｓｔ博士提出了著名的《英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的报告》（（（Ｊｏｓｔ报告》），给摩擦、磨损及润滑的研究工作定义为“Ｔｒｉｂｏｔｏｇｙ”，提出摩擦学作为一门边缘学科发展的重要性，并为世界各国摩擦学同行广泛接受． ２００４年１１月２９日，在伦敦的雅典娜俱乐部我再次拜访了Ｊｏｓｔ博士，同时送去了何光远部长赠给他的“科技大使”的题词，并在雅典娜俱乐部的图书馆看到了（Ｊｏｓｔ报告》的文稿． （３）发展阶段 ２０世纪８０年代为发展阶段．１９７８年全国科学大会以后，国内摩擦学研究得到了迅速恢复和发展．１９７９年３月１８～２５日，中国机械工程学会在广州主持召开“第二次全国摩擦、磨损及润滑学术会议”．会议期间成立了中国机械工程学会摩擦磨损润滑分会，选举出第一届理事会．在１９８０年的苏州会议上正式定名为“摩擦学分会”． 中国机械工程学会对我国的摩擦学发展起到了积极的促进作用，其中对国际学术交流活动的推动作用最为明显．１９７９年５月８１３，以国际摩擦学理事会主席Ｊｏｓｔ博士为团长的英国摩擦学代表团一行６人访华，在我国做了３０场学术报告，提供了一批书刊和技术资料．随后，我会又派代表团对英国进行回访，收集了大量技术资料，并撰写了２万多字的总结性技术资料，详细介绍了英国及国际摩擦学的发展、研究及教育情况．１９８０年５月和７月，联邦德国 收稿日期：２００７—１２—１２；修回日期：２００８－０１－０９／联系人宋天虎． 作者简介：宋天虎，男，１９４０年生，教授，目前主要从事焊接、材料和装备研究及科研管理工作
高分子聚合物摩擦材料 作者：林荻淳 目录 1.摩擦磨损形式及机理 2.摩擦副材料设计要求 3.高分子聚合物摩擦特征 4.影响高分子聚合物摩擦性能因素 5.改善高分子聚合物摩擦磨损性能的方法 6.高分子聚合物摩擦材料选料标准及工程考虑因素 7.小结 1.摩擦磨损形式及机理： （1）粘着磨损 （2）磨料磨损 （3）疲劳磨损 （4）腐蚀磨损 2.摩擦副材料设计要求： 不仅要求具有耐磨性，还要求减摩性。 （1）足够的承载能力。在一定的工作条件下抗压强度、抗塑性形变能力、抗疲劳性能，以及相应的高温性能高温抗拉强度、高温抗蠕变性、高温抗疲劳强度 （2）良好的表面性能。即要有一定的塑性形变能力和良好的适应性，包括顺应性、嵌入性和磨合性。顺应性是指轴承材料靠表面的弹塑性变形补偿对中误差和顺应其他几何误差的能力。嵌入性是指轴承材料能嵌藏污物、颗粒以减轻挂上或磨料磨损的能力。磨合性是指轴承材料经短期轻载运转后能减少表面粗糙度使摩擦副表面相吻合的性质。 （3）良好的物理、化学性能。搞得导热性和热容量，热膨胀系数小、对边界润滑膜的吸附性强，抗腐蚀性好，以利于摩擦热导出防止咬合，以利于边界润滑膜的形成和保护 理想的滑动摩擦副简单图示： 2.2高分子材料与金属材料对比： 2.2.1高分子材料特点： 1、密度小 2、强度低，比强度搞 3、低弹性模量，高弹性 4、优良的减摩、耐磨、自润滑属性 5、可加工性好 6、导热性差 2.2.2金属材料特点： 1、弹性模量大、抗拉强度高
2、导热性高 3、表面硬度高 4、高温综合性能好，高温下抗拉轻度、抗蠕变性好 2.2.3摩擦中形变机理差异： 金属材料与高聚物材料在形变行为方面最大的差异是前者表现出弹塑性形变，而后者粘性行为对形变影响极大。与金属材料相比，聚合物导热性差，摩擦过程中产生的热量容易在接触区域积累，导致摩擦界面温度上升、摩擦过程中接触区域的温度对聚合物材料的摩擦学性能影响巨大。 3.高分子聚合物摩擦特征 3.1高分子聚合物摩擦特征：: 3.2高分子聚合物摩擦机理： 4.影响高分子聚合物摩擦系数、磨损的主要因素 4.1高分子聚合物影响摩擦性能内部因素： 4.1.1分子的化学结构（对称性，对称性增加摩擦系数降低。静摩擦系数与摩擦面的预取向有很大关系。特别地，带有环状结构的耐热性聚合物的摩擦系数与摩擦方向没有对应关系。） 4.1.2凝聚态的结构，结晶度（结晶度对不同聚合物的摩擦系数、磨损影响不同，较高结晶度获得较高弹性模量，增强抗拉抗蠕变能力）、分子链取向（影响较小，同拉伸方向降低摩擦系数、垂直拉伸方向增加摩擦系数） 4.1.3共聚共混成分。 4.2影响高分子聚合物摩擦性能外部因素： 4.2.1温度 4.2.2载荷 5.改善高分子聚合物摩擦磨损性能的方法： 5.2高分子聚合物改性 5.2.1 共聚共混 5.2.2 侧链改性
摩擦学发展概况综述 姓名：XXX 学号：XXX 日期：2016年5月
目录 1.引言 (1) 2.近年来我国摩擦学发展的重要成就 (1) 2.1摩擦学教育 (2) 2.2摩擦学研究 (2) 3.现代摩擦学的发展 (3) 4.70~90年代摩擦学的主要研究内容 (4) 4.1磨损研究 (4) 4.2流体动压轴承 (4) 4.3流体静压支承和动静压支承 (4) 4.4弹性流体动压润滑 (5) 4.5固体润滑材料 (5) 4.6润滑油脂材料 (5) 4.7摩擦学测试技术及共况检测 (5) 5.90年代后至今摩擦学的发展方向 (5) 6.工业界的摩擦学研究 (6) 7. 摩擦学工业应用举例 (7) 8对摩擦学在我国国民经济中的重要作用的几点认识 (8) 9.摩擦学面临的挑战 (8) 10.结束语. (9)
摘要：本文简要介绍了摩擦学的发展历史、研究内容及其在机械工业领域中的应用,并提出了当今摩擦学的主要发展方向。回顾了我国摩擦学发展的历程,综述了近年来我国摩擦学发展的重要成就,分析了摩擦学在我国国民经济发展中的重要作用,强调了节能、节资应该是摩擦学应用研究的主要发展方向。摩擦学在解决我国国民经济和社会发展中所面临的资源、能源、环境问题中具有重要的战略地位,对我国建设可持续发展的资源节约型和环境友好型社会,对国家安全、公众健康和高新技术的发展都具有重要作用。显然,国内面临的严峻形势需要我国摩擦学的发展,并赋予它新的历史使命,即摩擦学除了继续发挥它对高新技术和许多科技与工程领域的技术支撑作用之外,还应成为节约资源、能源,保护生态环境,实现经济社会与自然生态、环境资源协调发展的一支重要力量。 1.引言 按照当今的概念,摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关实践的科学与技术,以摩擦、磨损和润滑为主要研究内容。根据这个概念,远古时代的钻木取火技术应该是比较早的摩擦学技术,在公元前几千年的制陶工具———陶轮中人们就已经开始使用轴承;战车的使用也可以追溯到夏代。诗经里的“载脂载辖,还车言迈”是我国早期使用润滑脂的文字记载,说明最晚在2 500年前人们就已经开始普遍使用润滑剂了。我国摩擦学技术的早期研究有着悠久的历史。摩擦学(Tribolgy)一词是在1966年以后才开始使用并收入在牛津大学出版社出版的牛津英语词典中,这个新词是英国HPeterJost先生于1966年3月9日首先提出的。摩擦学包括摩擦、磨损与润滑。摩擦学被定义为“研究相对运动的相互作用的表面的有关理论与实践的一门科学与技术”。摩擦学是当今国际上研究十分活跃和受到各国普遍重视的交叉学科领域。摩擦学涉及材料科学、表面工程、流体力学、化学、物理及机械工程等学科。目前,摩擦学的研究不仅存在于机械系统中,而且存在许多领域中,如计算机工业中的磁性信息储存器、核反应堆中的摩擦学问题、医疗工程中的生物摩擦学等。 由于过去没有摩擦学的概念,各项研究工作都是在自然形成的各自的技术领域(如摩擦、磨损、润滑)中进行的,摩擦学科学研究进展缓慢。直到1966年,以H PJost博士为首的专家小组,提出了著名的《英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的报告》(Jost报告)。该报告提出了“摩擦学”这样一个学科术语,它把摩擦、磨损、润滑及其相互作用的表面科学联系起来。摩擦学的提出对于促进该学科领域的发展具有十分重要的意义。 2.近年来我国摩擦学发展的重要成就 2006年中国工程院专门立项进行了《摩擦学科学与工程应用现状与发展战略研究》。项目由徐匡迪院长担任顾问,机械与运载工程学部副主任张彦仲院士任组长,谢友柏、薛群基、徐滨士院士任副组长,来自全国各高等院校、研究院所、大型企业和军事部门的33个单位的15位院士、63名专家直接参加了调研工作,另有200余位各个行业的摩擦学专家教授、工程技术和管理人员协助参加了调研工作。项目组按照调研对象(行业)成立了冶金、能源化工、机车、汽车、航空航天、船舶、军事装备和农业装备等8个课题组,结合我国实际,采用面上调查和典型事例相结合的方法,选择了若干有代表性、专业人员基础较好、统计资料较完整的企业,通过问卷调查、组织座谈和专题讨论,以及深入现场收集资料等多种方式开展了调研工作。根据调查结果可以认为, 20年来我国在摩擦学教育、科研和工业应用领域取得了许多重要成果。
摩擦学研究及发展趋势 摘要 本文主要介绍了摩擦学的发展历程以及发展趋势，说明了发展摩擦学的重要性，并结合我国实际情况，简要论述了我国摩擦学的发展之路。 关键词：摩擦学发展历程及趋势发展之路 一概述 摩擦学是科学和工程学中最重要的领域之一,因为它既具有提高产品的可靠性、延长其使用寿命及节约材料和能源的意义,又是当今最活跃的交叉科学领域之一。它涉及流体力学、固体力学、化学、物理、材料科学、数学和机械工程学等学科,它的发展经历了以下几个阶段：古典摩擦定律,“凸凹(或机械)说”与“分子(或分子粘附)说”两个学派的争论。分子一机械说”。 二摩擦学研究的方法 2.1 主要方法 20世纪80年代以来摩擦学设计受到广泛的重视,但所有讨论都集中在摩擦副的设计上,而摩擦学设计所拥有的系统依赖性、时问依赖性和多学科、跨学科特性决定了摩擦学问题的 研究难度。 主要采用的摩擦学设计方法有: （1）磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、胶合计算方程 （2）IBM的零磨损、可测磨损的计算方法; （3）组合磨损计算方法; （4）以数值解为基础,考虑热效应的热弹流、考虑动态效应的非稳态流、考虑润滑剂非牛顿性的流变弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论与方法; （5）将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润滑方程; ( 6 )现代通信技术、计算机技术和信息技术的发展为摩擦学设计建立知识资源库提供新的思路,现代制造、敏捷制造、CIMS和计算机支持协同工作等新技术为摩擦学设计的知识资源库提供了可资利用的基础。 2.2中国摩擦学数据库
主要有摩阻材料、固定磨粒磨料磨损、松散磨粒磨料磨损、静摩擦系数、边界往复润滑条件下的摩擦磨损、咬死极限、滑动轴承疲劳磨损、国产润滑油高温高压下的粘压一一粘温试验、减摩耐磨表面强化摩擦磨损、润滑脂、流体动力轴承刚度和阻尼系数等。 当前在建设知识资源库中所要解决的主要问题是: （1）建立原有知识与数据资源的查询利用模块,有效收集、存取、设计有关信息; （2）新知识和新数据的存储与旧知识和旧数据的更新模块。新产品必须被理解为新知识的物化,能用一定方式帮助专家提取、存储与设计相关的各种知识,并提供各种知识操作方法; （3）问题分析和设计模块。能对设计行为进行分析、评价,以便设计者作出正常决策; （4）数据转化模块。材料的摩擦学特性,通常不是其固有属性,从各种渠道收集到的特性数据,都是在某一特定条件或标准系统下所获得的性能,因而要把这种特性数据用于当前设计对象,必须通过系统分析实现不同系统条件的转化。 三摩擦学研究取得的重大科技成果 20多年来,在摩擦学研究方面已经取得了许多重要的科技成果： 3.1 原理与基础方面 对低压润滑,加深了流体动静压轴承的空穴现象及其对轴承中润滑剂的流量和高速重载下转子稳定性影响的了解;对高压润滑及在光滑面上线和点接触时的牛顿流体和非牛顿流体的弹流润滑也加深了认识;应用多重网格法将实际表面粗糙形貌作为计算时的输入数据,提高了对粗糙表面润滑的理解;d.考虑表面形貌特征,能更好地预测用不同加工方法制得的润滑表面粗糙峰的行为;对弹流润滑接触条件下的摩擦和附着与润滑剂分子结构的关系的理解取得了明显的进展等。3.2 润滑剂和润滑方面 弄清了润滑剂中混入粒子对弹流接触表面磨损速度和耐磨寿命的影响,计算含粒子润滑剂所产生的剪切力可预测润滑表面的耐磨寿命;弹流润滑和材料技术(净化钢)的研究,使滚动轴承的疲劳寿命大幅度延长(达25年),凸轮和齿轮也有了同样的进步;弄清了聚合物基复合材料的性能与结构对润滑性的影响,以及环境因
制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素Ξ 马东辉张永振陈跃官宝 (河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳 471039 摘要 :综述了高速条件下速度、温度、压力对制动材料摩擦学性能的影响。重点讨论了摩擦表面的相对滑动速度对摩擦学性能的影响。 关键词 :相对滑动速度压力温度 The Main Influencing F actor of H igh 2speed Friction Ma Donghui Zhang Y ongzhen Chen Y ue Shangguan Bao (Department of Materials Science , Henan University of Science &T echn ology , Lu oyang 471039, China Abstract :The in fluence of friction under different pressure , temperature and slide velocity condition introduced , and the in fluence of relative slide velocity on the frictional interfaces was discussed. K eyw ords :R elative Slide V elocity Pressure T emperature 高速摩擦学 , 是研究摩擦副处在相对高的滑动速度时 , 两个表面之间相互作用、践的学科。 , 对制动装置及制动材料的性能也提出了更高的要求。例如制动材料要有足够而稳定的摩擦系数 , 动、静摩擦系数之差小 ; 良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度 ; 良好的耐磨性和抗粘着性 , 不易擦伤对偶件 , 无噪声 ; 低成本 , 对环境无污染等。传统的制动材料已不能满足高速条件下的需要 , 这就必须开发新的摩擦制动材料 , 研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学性能的影响。但这方面前人的研究工作不多 , 本文综述了这方面的研究进展 , 着重讨论了高速条件下速度、温度、正压力对材料摩擦学性能的影响。
第硒卷第６期２０Ｏ０年６居 机械工程学报 ＣＨＩＮ｝ｃＳＥＪ０Ｌ１ｆ｛ＮＡＬ０ＦＭＥＣ｝｛ＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ⅵ，ｌ，３６Ｍ?６ Ｊｕ【ｌ，２０００ 世纪回顾与展望——摩擦学研究的发展趋势 漫诗铸 （清华大学黪擦学国家重点实验室北京１０００｛；４） 摘要在强籁牵攘擘发展嚣变瓣基础土，憨络驽｛罄纪国年代鞋寒，在鬻攘学主要磷究鹱蠛龟臻涟箨澜瓣、越辩密损与表面处理技术、纳米摩擦学等的发展现状和展盟。分析了相关学科的发展和学科交叉对摩擦学研究的推动作用，并彳卜绍了摩擦学与其他学科交叉领域如摩擦化学、生物摩擦学，生态摩擦学和微机械学等的发展概况和趋势。簸谲：藏搭漏精嚣鹋瘗援缝拳牵攘学瘴攘纯掌生态牵攘掌 中国分类鼍：ＴＨｌｌ７．】 ０前言 章擦学作为一门实践性稂强的技术基础科举，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密键挺关：戮燕耍摩攘学豹发爱爨变，宅经历了霓个不同的历史阶段和研究模式一 早期的摩擦学研究以１８世纪ｍ”ｏｎｔ。ｎｓｊ｝ｎｃ蕊。曲靖篱俸摩擦的疆究为代表，佳们通过太量的试验归纳出滑动摩擦的变化规律和经典公式。这…时期的特点鼹以试验为基础的经验譬｝究攒式。 １９世纪束．Ｒｅｖｎｏｌｄｓ¨３根据牯性流体力学揭示出滑动轴承中润滑膜的承载机壤．建立了表征流体海游貘力学褥性题Ｒｅ￥ｍ韬ｓ方程，羹定ｒ滚漆懑、簿的理论基础．从而开创ｒ基于连续介质力学的研究模式：到了２０世纪２０年代以后，由于生产发展的需婺牵擦学豹研究领域得繇遘一步§。夭。其中，｝ｂ州、－２提出依靠润滑油的极性分子与金属表面的物理化学馋照露形戏吸瞻骥的边界澜涛理论；Ｔ０“ｉｒ峙ｏｎｏ从分子运动鲰度解释固体滑动过程的能量转换和摩擦起因，特别是Ｂｏｗｄ。ｎ和Ｔａｂｏｒ【４ｏ建立了疆链羞效疲为基穗翁牵擦瘗撰理论等。这鳖骚究不仅扩展了摩擦学的范畴，而且促使它发展成为涉及力学、热处理、材料科学和物理化学等的边缘学科．瓿此开创了多学科综合研究的模式。 １９６５年奠国教育科学研究部发表《关于摩擦学教凳鞠殴究缀蠹》《通豢嚣麦赫｝摄告），善敬提窭ｂｈｍｏ∞（摩擦学）一词简要地定必为“关于摩擦过程的科学”。此后，它作为一门独立的学科爱到世界备国普德重甏，鼙攘学瑾论与痘鬻繇究迸Ａ了一个耨 习篙瞄。６驻曩秘臻弱８｝赣。隧著研究翁深走开麓，久们试识到为了确效地发挥摩擦学在生产中的潜在效益．＿在研究模菰｝的发展趋势蟪是出宏观进入激理，出怒性进入建量，由静态遥＾动态．由单一学科的分析进人多掌利的综合研究“。 ｌ研究现状与发展趋势 现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为： （１）在以往分学科研究的麓础上，形成了一点簿握搬槭、奉砉糕秘毙学等甥关知识夔专建戮究麸螽，确利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了霹擦学机理研究的深入发展。 （２）鸯予攀攘学专韭教育酌发震程箱谖善及，彩及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工ｍ界商大量的］二程科技人员结合工程实跨开展研究，促使摩擦学斑甬研究取得巨大的经济教撬。 （３）随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究槎式开始麸戮努辑摩擦学褒象为主逐步自整分羲与羲制相结合．甚趸以控制性能为目标的研究模式发展此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维憾稻敬造逐步邂Ａ褫禳产品静氆麟设计镁域。 ２０世纪６０年代以后，相关科学技术特别是ｔ｛算搬科学、撼嚣｝科学秘续岽秘技的发羼避摩擦学醪究藏着重要的推动作用，主要表现在以下几个方耐１．１流体润滑理论 敷鼗篷瓣为基穑翁弹往藏体动力溺漆ｔ篱称鹑流润滑）理论的建立魁润滑理论的重大发展。现”计算机科学瓤数值分柝技术的迅猛发展，对于诲霪复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定艇计算ｉ静如，谯流体润滑研究中采用数值分析方法，已经建益ｆ努蹙考惑肇攘表蘑撵性髟变、热教瘦、裘覆彩襞润滑膜流变陆能以及非稳态工况等实际因素影响， 万方数据
无石棉摩擦材料分为以下几类： a 半金属摩擦材料，应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片。其材质配方组成中通常含有30%～50%左右的铁质金属物（如钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉）。半金属摩擦材料因此而得名。是最早取代石棉而发展起来的一种无石棉材料。其特点：耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数大，能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求。但其存在制动噪音大、边角脆裂等缺点。 b NAO摩擦材料。从广义上是指非石棉－非钢纤维型摩擦材料，但现盘式片也含有少量的钢纤维。NAO摩擦材料中的基材料在大多数情况下为两种或两种以上纤维（以无机纤维，并有少量有机纤维）混合物。因此NAO摩擦材料是非石棉混合纤维摩擦材料。通常刹车片为短切纤维型摩擦块，离合器片为连续纤维型摩擦片。 c 粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材料，系将铁基、铜基粉状物料经混合、压型，并在在高温下烧结而成。适用于较高温度下的制动与传动工况条件。如：飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动。优点：使用寿命长；缺点：制品价格高，制动噪音大，重而脆性大，对偶磨损大。 d 碳纤维摩擦材料。系用碳纤维为增强材料制成的一类摩擦材料。碳纤维具有高模量、导热好、耐热等特点。碳纤维摩擦材料是各种类型摩擦材料中性能最好的一种。碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高及比重轻，特别适合生产飞机刹车片，国外有些高档轿车的刹车片也使用。因其价格昂贵，故其应用范围受到限制，产量较少。在碳纤维摩擦材料组分中，除了碳纤维外，还使用石墨，碳的化合物。组分中的有机粘结剂也要经过碳化处理，故碳纤维摩擦材料也称为碳——碳摩擦材料或碳基摩擦材料。 编辑本段5 摩擦材料的技术要求 5.1 适宜而稳定的摩擦系数 摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个最重要的性能指标，关系着摩擦片执行传动和制动功能的好坏。它不是一个常数，而是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化的一个数。理想的摩擦系数应具有理想的冷摩擦系数和可以控制的温度衰退。由于摩擦产生热量，增高了工作温度，导致了摩擦材料的摩擦系数发生变化。 温度是影响摩擦系数的重要因素。摩擦材料在摩擦过程中，由于温度的迅速升高，一般温度达200℃以上，摩擦系数开始下降。当温度达到树脂
摩擦学的现状与前沿 ——机自09-8班姚安 03091131 摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。 1 研究现状与发展趋势 现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为： (1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。 (2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。 (3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。 （4）交叉学科的发展。摩擦学作为一门技术基础学科往往与其他学科相互交叉渗透从而形成新的研究领域，这是摩擦学发展的显著特点。主要的交叉学科如下:摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学及微机械学等。 当今，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。 1.1 流体润滑理论 以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。现代计算机科学和数值分析技术的迅猛发展，对于许多复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定量计算目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。 1.2 材料磨损与表面处理技术 现代材料磨损研究的领域已从以金属材料为主体扩展到非金属材料包括陶瓷、聚合物及复合材料的研究。表面处理技术或称表面改性是近20年来摩擦学研究中发展最为迅速的领域之一。它利用各种物理、化学或机械的方法使材料表面层获得特殊的成分、组织结构和性能，以适应综合性能的要求。就学科发展趋势而言，复合性材料的研究是材料科学的重点方向，而表面改性技术实质上就是研制表里具有不同材质的复合性材料，因而受到摩擦学者广泛的重视。 1.3 纳米摩擦学 纳米摩擦学提供了一种新的思维方式和研究模式，即从原子分子尺度上揭示摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系，这将更加符合摩擦学的研究规律.目前，纳米摩擦学的主要研究内容包括材料微观摩擦磨损机理与控制，以及表面和界面分子工程即通过材料表面微观改性和纳米涂层，或者建立有序分子膜润滑，以获得优异的减摩耐磨性能。当前的应用研究主要集中在计算机磁记录装置以及超精密和微型机械。纳米摩擦学是摩擦学研究的热点领域，迄今已有大量的研究报告发表，并出版了专著。
中国摩擦材料发展方向 我国摩擦材料的未来发展方向,主要体现在三个大的领域方面，随着我国汽车产业的不断发展,做为汽车制动系统关键零部件之一的刹车片也得到了突飞猛进的发展。而今新能源时代到来之际,我国企业须认清国际摩擦材料行业的发展形势。以下是刹车片的三种重要材料：首先是纤维增强材料,纤维做为摩擦材料的骨架材料，不但对摩擦片的强度起着至关重要的作用，同时也对摩擦片的性能有着重要的影响。目前在欧美等发达国家和地区又开始对纤维的结构和理化性能提出了更为严格的要求,而木质纤维、无机晶须(硫酸钡晶须;碳酸钙晶须;钛酸钾晶须等)、矿物纤维、陶瓷纤维、碳纤维、各种有机合成纤维等给我们提供了大量的选择余地,但从成本等综合因素上来看晶体结构和水溶性纤维材料等将是我们未来摩擦材料中 的首选纤维。?刹车片的另一个重要材料是粘合剂。粘合剂是我们生产摩擦材料必不可少的材料，人们从最早利用纯酚醛树脂(固态和液态），到后来采用各种橡胶通过多种工艺对酚醛树脂进行改性,发展到今天使用多种无机物或有机物对树脂进行改性。目前已经不再是单纯的追求摩擦系数和磨损性能的稳定和提高,而是从摩擦片与刹车盘表面的相互作用去分析摩擦材料的工作原理。所以做为摩擦材料的粘合剂材料,不再仅限于树脂与橡胶,而是已经拓展到了利用金属粉末或金属硫化物在高温下所具有的特殊性能,来 减少树脂在摩擦材料中的使用比例,弥补树脂及橡胶在高温条件下的不足，改善高温时在刹车片与刹车盘之间形成的转移膜的结构与性能,进而提高摩擦片的摩擦性能以及其与刹车盘的磨损性能，从而达到提高制动的安全性能、舒适性能和环保性能。?因此,我们在采用高性能的树脂来提高摩擦材料性能的同时，应更多地关注和利用一些金属粉末或金属硫化物以改善摩擦过程中形成的转移膜的形状与结构，使静态摩擦系数与动态摩擦系数达到相对的平衡,确保刹车片与刹车盘具有良好的磨损性能的同时，达到提高摩擦材料的速度与压力敏感性、消除高温衰退、减少噪音、减少落灰的目的。最后就是摩擦性能调节剂:摩擦性能调节剂在改善摩擦材料综合性能过程中起着非常关键的作用,过去我们的摩擦材料技术工作者在材料品种 的选择上做了大量的研究，并且对其形状和结构也做了相应的探讨,但与世界先进的水平相比还有很大的差距，今后的研究工作不但要在选材上不断扩大应用范围，而且要对每种材料的粒度分布做出明确的规定, 并且对其理化性能提出详细的技术参数，同时在配方的研究过程中,对于同一种材料的应用，要根据其形状与粒度的进行多种型号的搭配使用，以确保其优点在摩擦材料中得到充分的发挥。 汽车刹车材料的发展趋势
汽车制动摩擦材料的性能要求及影响因素分析 发表时间：2018-09-12T14:20:56.057Z 来源：《科技新时代》2018年7期作者：张国华 [导读] 本文围绕汽车制动摩擦材料的相关议题进行了探讨，分别论述了汽车制动摩擦材料摩擦磨损性能的影响因素。 杭州优纳摩擦材料有限公司浙江省杭州市 311404 摘要：本文围绕汽车制动摩擦材料的相关议题进行了探讨，分别论述了汽车制动摩擦材料摩擦磨损性能的影响因素，汽车制动摩擦材料热衰退性能的影响因素，以及启辰制动摩擦材料噪音及振动的影响因素，供相关人士参考。 关键词：摩擦材料、汽车、摩擦性能、热性能、影响因素 1引言 对于汽车生产来说，制动摩擦材料在汽车制动器、汽车离合器以及摩擦传动装置中起着关键的作用，在制动摩擦材料性能要求方面，不仅需要摩擦材料具备良好的摩擦磨损性能，同时在热衰退性能、振动性能以及减噪性能上也应有较良好的表现。在某种程度上制动摩擦材料性能的优劣将直接影响到汽车系统运行的安全性和可靠性。为此对汽车制动摩擦材料的性能进行分析和研究是十分重要且十分必要的。 2汽车制动摩擦材料摩擦磨损性能的影响因素 汽车制动摩擦材料的摩擦磨损性能主要与摩擦系数，摩擦稳定性以及磨损率有关，通常来说，摩擦材料需要在稳定适中的摩擦系数下尽可能拥有较低的材料磨损率。 （一）摩擦材料自身组分的影响 汽车制动摩擦材料是由多种材料所制成的复合型材料，因此在制作过程中各物料组分的不同会对摩擦材料的摩擦性能造成不同的影响。 磨料的影响。比如在摩擦材料中添加氧化铝、硫酸钡、锆英石、铬铁矿粉、硫化锑等金属填料，添加石墨等减磨材料，均可以使摩擦材料本身的摩擦性能得到改善和提升。根据添加物质性能的不同，也会对摩擦材料的性能产生不同的影响。比如添加氧化铝、锆英石、铬铁矿粉、硫化锑可以提高摩擦材料的高温摩擦系数；添加硫酸钡可以提高摩擦材料的热稳定性；添加石墨可以有效改善摩擦材料的热衰退性能，增加抗摩擦性能。 添加纤维的影响。在摩擦材料的制作过程中通过添加增强纤维可以提高材料的摩擦性能。在实际生产中，添加纤维有多种类型，如铜纤维、钢纤维等金属型纤维；玻璃纤维、陶瓷纤维等无机型纤维；芳纶纤维、纤维素纤维等有机型纤维等。金属型纤维在摩擦材料中起着骨架支撑的作用，但是由于金属的密度较大且对环境有一定的负面影响，因此在摩擦材料的制作中往往含量较低。有机型纤维在性能上具有较好的亲水性，同时在混合的过程中分散均匀度较好，因此可以提高摩擦材料的抗裂性能。此外由于该类型纤维对环境无污染，与其他物质的适应性好，因此应用较为普遍。无机型纤维在隔热性和减噪性方面表现良好，对环境无污染，但是在传热性上表现稍差，一般在应用时适当加入一些良好导热性的材料作为平衡。另外，无机纤维加入量过多容易导致摩擦材料的开裂，降低其摩损性能。 固体润滑剂的影响。固体润滑剂主要包括石墨、炭黑、氟化物等炭材料；硫、硒等硫族化合物；氮化硼；二硫化钼、硫化铅、硫化锌等金属硫化物。这些固体润滑剂有较低的莫氏硬度，可以在摩擦材料使用过程中发生有效的转移，以此来稳定摩擦材料的摩擦系数，减少摩擦噪音，提高摩擦材料的耐磨损性能。 （二）摩擦材料制作工艺的影响 不同的烧蚀或成型制作工艺也会对摩擦材料的摩擦性能造成影响。目前在摩擦材料的制作过程中多采用热压成型工艺。在热压成型过程中主要由加压、排气和固化三个基本环节。对于热压温度的控制需要参考模压树脂的差示扫描热量曲线中固化温度的变化情况。良好的热压成型工艺可以使树脂材料和其他物料结合程度得到改善，有效排出材料中的气体，控制摩擦材料成品中的含胶量，使摩擦材料成品拥有较好的密实度，提高摩擦材料的耐磨损性能。 3汽车制动摩擦材料热衰退性能的影响因素 摩擦材料的热衰退性能是影响摩擦材料使用寿命以及汽车运行安全与否的重要性能。通常情况下，高温会提高材料的热衰退性，若材料的热衰退十分严重，极容易导致汽车制动失效等故障，尤其是上下坡行驶过程中，摩擦材料的抗热衰退性对于行驶的安全十分必要。 （一）摩擦材料生产原料的影响 目前在摩擦材料的生产制造中，通常采用对树脂进行性能的优化，通过性能改良和优化来提高树脂的热分解温度，使摩擦材料能够在较高的温度条件下摩擦系数更加稳定，提高摩擦材料的抗热衰退性能。比如利用纳米金属材料对树脂进行导热性能的改良，纳米金属材料本身导热性能优异，与树脂原料结合后可以将摩擦表面产生的热量迅速地传递到材料内部，减少摩擦材料自身的温度差，减少树脂的热分解反应，提高摩擦材料的稳定性。另外，基于硫化锑在高温条件下容易生产硬度更高的氧化物，因此在原料中加入硫化锑不仅能够提高材料的耐磨损性，同时也起到了抗热衰退性的作用。 （二）摩擦材料制作工艺的影响 烧蚀技术涉及到摩擦材料的炭化，因此可以通过对烧蚀工艺优化来改善摩擦材料的抗热衰退性。为避免摩擦材料在高温过程中剧烈炭化，可以在烧蚀工艺前线对摩擦材料进行高温预处理，使材料在经过高温烧蚀过程中能够降低炭化的速率，提高摩擦材料的抗热衰退性。 4汽车制动摩擦材料噪音及振动的影响因素 随着汽车行业的不断发展，汽车制造技术也越来越贴合消费者的需求，从过去的功能性，美观性逐渐走向功能性、美观性、舒适性、环保性。对于汽车制动摩擦材料而言，越来越注重材料的降噪性能和抗振动性能。在降噪性能方面，可从摩擦材料的生产配方入手，通过降低原料中金属的含量来提高降噪性能。另外，由于摩擦材料中的孔隙率对降噪性能有着十分重要的影响，因此，可采用较高的显气孔率来
Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 103-110 Published Online May 2014 in Hans. https://www.doczj.com/doc/c67908310.html,/journal/ms https://www.doczj.com/doc/c67908310.html,/10.12677/ms.2014.43016 Tribology Properties of the Aqueous Solution of Polyvinylpyrrolidone Tingting Tu1, Weixu Wang1, Yong Wan1*, Jibin Pu2 1College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 2State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou Email: *wanyong@https://www.doczj.com/doc/c67908310.html, Received: Apr. 2nd, 2014; revised: May 2nd, 2014; accepted: May 9th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/c67908310.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Green, economical and safe water-based lubricant technology has always been the ultimate goal in tribological research. In the paper, the tribologial performance of aqueous solution containing polyvinylpyrrolidone (PVP) has been studied by using micro friction and wear tester and four-ball machine. The lubricating mechanisms of PVP in water solution were analyzed by SEM and EDS. When used as an additive in water, PVP showed lower friction. With the increase of concentration in water, friction-reducing performance was improved. This is mainly due to lubrication film formed by adsorption of the PVP molecule on the surface. Keywords Polyvinylpyrrolidone, Water-Based Lubricants, Anti-Friction Performance 聚乙烯吡咯烷酮作为水基润滑添加剂 摩擦学性能的研究 屠婷婷1，王伟旭1，万勇1*，蒲吉斌2 1青岛理工大学机械工程学院，青岛 2中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州 Email: *wanyong@https://www.doczj.com/doc/c67908310.html, *通讯作者。
第21卷第2期高分子材料科学与工程Vo l.21,N o.2 2005年3月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING M ar.2005 PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能X 张招柱,曹佩弦,王 坤,刘维民 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:利用M M-200型磨损试验机,对不同填料填充PT FE复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。研究发现,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,但其对P T FE复合材料性能的影响差别较大。聚苯脂填充P T F E复合材料虽然具有良好的摩擦磨损性能,但是其拉伸强度较小。P I增大了PT FE复合材料的摩擦系数,随着P I含量的增加,P T F E复合材料的拉伸强度增大,而其伸长率则减小。CdO填充P T F E复合材料虽具有良好的摩擦性能,但其伸长率较大。淬火处理使PT FE复合材料的结晶度下降,从而导致P T F E复合材料的硬度减小、耐磨性变差。 关键词:P T F E复合材料;摩擦磨损;力学性能 中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2005)02-0189-04 聚四氟乙烯(PTFE)是一种优异的固体润滑材料,它具有低的摩擦系数和良好的化学稳定性及热稳定性,但PT FE的耐磨性较差。目前,人们已用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了大量的研究[1～4],但是淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能影响的研究尚未见有详细报道。本文着重采用聚酰亚胺、聚苯脂、CdO、Cu粉、玻璃纤维及炭纤维等对PTFE进行填充改性,利用MM-200型磨损试验机对PT FE复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。 1 实验部分 将Cu粉、Pb粉、CdO粉、石墨(Gr)、玻璃纤维(GF)、炭纤维(CF)、聚酰亚胺(PI)、聚苯脂(Ekonol)等(粒度小于76L m)以一定的体积比添加到PT FE粉末(粒度39L m)中,混合均匀后冷压成型,然后在空气中自由烧结,其中部分样品作淬火处理。样品尺寸为30m m×7mm ×6mm,对偶为直径40m m的45#钢环,样品及45#钢环表面均用900#水砂纸抛光打磨。在室温、干摩擦条件下,利用M M-200型磨损试验机对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了评价。在每次试验前,将样品及对偶表面用丙酮棉球擦洗干净,并在空气中晾干。本试验所选用的负荷为200N,速度为0.42m/s,摩擦磨损试验时间均为120min。磨损量以试验后样品表面的磨痕宽度计。通过测量摩擦力矩,进而计算出摩擦系数,摩擦系数取后60m in内的平均值。硬度测定在布洛维显微硬度计上进行。拉伸性能在LJ500型拉力试验机上进行,试样尺寸按GB/T1040-92规定,采用I型试样。 2 结果与讨论 T ab.1给出了PT FE复合材料的摩擦磨损及力学性能测试结果。可以看出,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,极大地提高PTFE复合材料的耐磨性。同时,填料的加入均在不同程度上提高了PT FE复合材料的硬度,但却降低了PT FE复合材料的拉伸强度(5#样品除外)和伸长率。在本试验所选用 X收稿日期:2003-06-03;修订日期:2003-08-08 作者简介:张招柱(1965-),男,博士,研究员. E-mail:zz zhang@https://www.doczj.com/doc/c67908310.html,
期末报告 学 院：材料工程学院 专 业：材料工程 学 号： 姓 名： 任课教师：赵元聪 日期：20160107
石墨烯的表面改性以其摩擦学中的应用 摘要 介绍石墨烯特点的基础上，综述了石墨烯表面改性的研究情况，包括有机小分子及聚合物改性无机改性以及元素掺杂等，同时总结了石墨烯在摩擦领域中的应用，如作为润滑油添加剂，制备纳米复合材料，制备润滑膜等，并展望了其在该领域中未来的研究方向。 1.介绍 石墨烯是碳原子以SP2杂化的单层堆积而成的蜂巢状二维原子晶体，其化学形态与碳纳米管外表面相似，表面结构较碳纳米管更为开放，且杨氏模量和本征强度也可与碳纳米管相媲美，从而表现出与碳纳米管相似的应用特性，如良好的韧性和润滑性，可用于耐磨减损材料及润滑剂的制备等。近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动，摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质相互作用较弱，且层间存在很大的范德华引力，难以在许多常见溶剂中分散形成稳定的溶液，给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。本文重点介绍石墨烯的表面改性研究进展及其在摩擦领域中的相关应用。 2.制备方法简介 2004年Geim等[1]首次用微机械剥离法成功获得单层的石墨烯以来其特有的电学、热学、力学等性质引起了科学家的广泛关注。随着研究的深入展开,石墨烯的制备方法也越来越多样化，目前主要的方法有微机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积法和外延生长法等[2]。由于石墨烯超薄的厚度及优异的摩擦性能，使其在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和纳米机电系统中具有很大的潜在应用价值。这就使得石墨烯与其它材料接触时表面的相互作用研究，如摩擦力、粘附力和磨损等,显得尤为重要。
纳米摩擦学 引言 纳米摩擦学（ nano tribology），也称为微观摩擦学（micro tribology）或分子摩擦学（molecular tribology），它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大差别。主要有以下几点：在研究仪器方面，主要是扫描探针显微镜，它包括原子力显微镜、摩擦力显微镜以及专门的微型实验装置；在理论分析方面，由分子、原子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力模型。而宏观摩擦学，通常是根据材料表明的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳理论作为分析的基础。 1 纳米摩擦学的历史回顾发展过程 摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。有关摩擦学的研究可以追溯到十七世纪末，Amontons 在1966年通过对现象的观察与实验，首次归纳出固体摩擦定律。18世纪摩擦学的特点是以试验为基础的经验研究模式。19 世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。到了20 世纪20年代以后，摩擦学发展成为涉及力学、热处理、材料科学和物理化学等的边缘学科，从此开创了多学科综合研究的模式。1965 年首次提出 Tribology(摩擦学)一词，简要地定义为“关于摩擦过程的科学”。随着现代测试技术和计算技术的发展，到20世纪80年代，我国摩擦学工作者在科研实践中意识到未来摩擦学的发展趋势是由宏观性能的考察深入到微观机理、性能，从而发展了纳米摩擦学。到此后，它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。在20世纪90年代初期，当国际上开始兴起纳米摩擦学研究时，我国摩擦学工作者迅速启动该领域的研究，并取得可喜的研究成果。 纳米摩擦学是在原子、分子尺度（0.1～100mm）上研究相对运动界面的摩擦、磨损与润滑行为和机理。它是一种新的研究模式与思维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构和宏观特性之间的构型关系，因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发展到一个新阶段。 2 纳米摩擦学的研究点与研究进展 纳米摩擦学研究集中在揭示摩擦表面和界面原子、分子尺度范围内的结构、行为及其变化，它涉及一系列材料(包括金属、离子固体、半导体、陶瓷、聚合物和有机材料等)组成的非均匀系统的结构变化、能量转化、动力学等过程，以及在非平衡条件下的非线性流动、形变等力学行为。显然在纳米摩擦学研究范围内，材料的物理化学特性及其对环境变化的响应发生了很大的变化。因此，纳米摩擦学在研究方法和理论基础、测试技术及应用对象等方面都与宏观摩擦学不同。作为宏观摩擦学主要基础的连续介质力学以及材料的体相性能均不再适用。 2.1表面接触与粘着 宏观摩擦学认为，滑动摩擦过程中存在的表面接触、粘着、磨损等现象是由载荷作用下材料的体相变形所致，而不考虑界面间的分子作用。纳米摩擦学的近期研究结果表明，表面力或表面粘着能是产生变形和粘着的主要原因，某些材料甚至在零载荷时由于表面力作用将出现接触和变形。Landman等人进行大尺度的分子动力学模拟，研究硬的镍探针向软的金基片之间的法向移动过程。在法向趋近过程中，当接近到4人时，基片表面逐渐向探针鼓起，尔后突然向探针形成金的单分子粘着层。当探针插入基片后，基片晶格出现滑移和大范围的塑性流动。在分离过程中，基片材料韧性拉伸，形成丝状的“颈缩”，最后断裂。以上分析已被AFM实验所证实。 2.2边界润滑中的粘一滑现象 近期关于边界润滑状态下的粘滑现象的微观研究取得重要进展。通过SFA研究静摩擦特性，得出粘滑过程中滑动发生时，相应于在该润滑膜厚度下分子层数具有的界面粘着能处于最小值。极限剪应力(单位面积的静摩擦力)与分子层数存在着定量关系，而且各个分子层之间的剪应力不同，彼此可相差一个量级。此外，当润滑膜的分子层数不变时，极限剪应力的数值与滑动速度、载荷无关。体相状态完全不同，它是一种分子有序排列的