構(gòu)建摩擦學學科體系的研究

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院 北京 102249)

1 緒言

1.1 《Jost報告》對創(chuàng)立摩擦學的貢獻

1966年2月英國公開發(fā)表的《Jost報告》(全名是“英國教育科研部關(guān)于摩擦學教育和研究的報告”[1])對創(chuàng)立摩擦學的貢獻是：

(1)建議采用Tribology(摩擦學)一詞取代Lubrication(潤滑)一詞來表述這門新學科完整的內(nèi)涵。這一新詞/學科的提出適應(yīng)了當時經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的需要。報告充分說明了這門學科在經(jīng)濟和技術(shù)上的重要性。

(2)明確了摩擦學的定義：研究作相對運動的相互作用表面及其有關(guān)實踐的科學與技術(shù)。

(3)提出了該學科的主要內(nèi)容和課題。

由于時代的局限性和當時認識水平的限制，該報告存在以下不足之處：

(1)提出的摩擦學的定義太籠統(tǒng)，不夠確切。

(2)把該學科的內(nèi)容分為摩擦物理、摩擦冶金、摩擦工程和摩擦組織等，既不準確，也不全面。

(3)沒有闡明該學科必然產(chǎn)生的歷史背景與社會根源。似乎它只是由于“重視了潤滑技術(shù)，可以使英國工業(yè)每年節(jié)約5億多英磅”這個調(diào)查結(jié)果而建議創(chuàng)立的一門新學科。

(4)沒有闡明該學科的一些基本概念(如學科的研究范圍、社會功能、基本屬性和學科內(nèi)涵等)。

迄今為止，幾乎國內(nèi)外所有的有關(guān)文獻和教科書都認為，只是由于《Jos報告》提出了Tribology(摩擦學)這個詞，便產(chǎn)生了這門新學科。可能正是這種單純的認識為以后摩擦學的發(fā)展埋下了隱患。

1.2 摩擦學創(chuàng)立后的曲折發(fā)展過程

1966年《Jost報告》提出Tribology(摩擦學)這個術(shù)語后，國際摩擦學界對此沒有立刻認同。包括美國和日本在內(nèi)的一些發(fā)達國家仍然沿用廣義的Lubrication(潤滑)一詞。后來西德、前蘇聯(lián)和日本先后作了類似調(diào)查，同樣發(fā)現(xiàn)摩擦、磨損在工業(yè)上造成的巨大經(jīng)濟損失。特別是1975年美國國會材料政策委員會的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：摩擦、磨損使美國每年消耗1 000億美元，占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的5%。 1979年10月，卡特總統(tǒng)認為：摩擦學是構(gòu)成許多工業(yè)部門的基礎(chǔ)的一項通用技術(shù)[2-3]。但直到1985年，美國國家科學基金會(NSF)才專項設(shè)立摩擦學資助計劃，航空航天局(NASA)等三個軍事部門開始建立摩擦學研究機構(gòu)，并投入大量研究經(jīng)費[2]。

在此期間，一些國家原來以“潤滑”和“潤滑工程師”命名的期刊和協(xié)會/學會也相應(yīng)地改為以“摩擦學”和“摩擦學家”命名，摩擦學的研究機構(gòu)大量涌現(xiàn)。由上可見，《Jost報告》發(fā)表將近20年以后，Tribology(摩擦學)一詞(學科)才被國際摩擦學界接受，摩擦學的發(fā)展開始進入高潮。然而，這個高潮的出現(xiàn)在很大程度上只是出于對摩擦學的經(jīng)濟效益的考慮。

時隔不久，從20世紀90年代中期開始，在美國，由于摩擦學的研究忽視了實際應(yīng)用和開展跨學科的研究，摩擦學在經(jīng)濟上的貢獻不顯著，使得某些人對摩擦學的作用和發(fā)展前景產(chǎn)生懷疑，認為摩擦學正處在生死攸關(guān)的十字路口，并將發(fā)展到“表面工程時代”[4]。在這種背景下，美國NSF將原來單列的“摩擦學”項目改為“表面工程與摩擦學”。而到2000年以后，摩擦學一詞在項目名稱上也完全消失了，僅成為“表面工程與材料設(shè)計”項目中的一部分[5]。美國航空航天局和能源部等官方機構(gòu)大量削減摩擦學的研究經(jīng)費，大多數(shù)大宗消費品部門的工業(yè)縮減摩擦學機構(gòu)[2]，摩擦學的發(fā)展進入低潮。

2000年，在德國召開的第12屆摩擦學國際學術(shù)研討會上，第一位作大會報告的美國摩擦學家WINER，在作“展望未來摩擦學研究和發(fā)展前景”的主旨報告中斷言：摩擦學是為了改善形象而人為組成的一個學科群(Disciplinary group)；認為摩擦學“只是一種依附于機械系統(tǒng)的、必須的重要技術(shù)”；并預測：在下一個千年(即21世紀——作者注)，在沒有需要解決摩擦學問題的新的機械系統(tǒng)出現(xiàn)的情況下，摩擦學的研究就會衰落[6]。顯然，他不僅否認摩擦學是一門隨著經(jīng)濟和科技發(fā)展而必然產(chǎn)生的獨立的新學科，而且錯誤地把摩擦學的研究范圍局限于機械系統(tǒng)， 對當時早已出現(xiàn)、并且正在蓬勃發(fā)展的生物摩擦學視而不見。幸運的是這股思潮并沒有在國際摩擦學界產(chǎn)生共鳴，且不久在美國國內(nèi)也銷聲匿跡了。5年后，美國有關(guān)學會在華盛頓成功地舉辦了盛大的第3屆世界摩擦學大會。

1.3 研究摩擦學學科體系的意義

摩擦學創(chuàng)立后之所以會出現(xiàn)上述曲折發(fā)展過程，主要原因是對摩擦學形成的歷史與社會背景及其產(chǎn)生的必然性缺乏認識。而另一個重要的原因則是在摩擦學創(chuàng)立后，忽視了摩擦學學科建設(shè)的一個基本問題，即學科體系(主要包括基本概念體系和結(jié)構(gòu)體系等)的建立。

從20世紀80年代中期以來，一些學者對摩擦學學科的某些理論問題進行了研究和探索。戴雄杰[7]提出了摩擦學研究和應(yīng)用的方框圖，謝友柏[4，8]提出了摩擦學系統(tǒng)的框圖和摩擦學的三個公理，HOLMBERG[9]提出了摩擦學廣泛的研究范圍,包括從納米摩擦學到太拉摩擦學(Teratribology)等9個不同尺度的研究領(lǐng)域。本文作者也曾對摩擦學準確的定義、學科性質(zhì)與學科內(nèi)涵作過探索性的研究，并初步構(gòu)建了摩擦學的基本框架[10-11]。但上述研究都沒有涉及到建立摩擦學總體的學科體系。然而，一門學科是否成熟的主要標志，就是它是否建立了完善的學科體系，即基本概念清晰、層次分明、結(jié)構(gòu)合理的學科體系。黑格爾曾經(jīng)說過：哲學若沒有體系就不能成為科學[12]。因此，從總體上建立摩擦學的學科體系，從而為摩擦學學科的發(fā)展提供科學的理論基礎(chǔ)和戰(zhàn)略視野，這是確保摩擦學學科持續(xù)、全面、高水平發(fā)展的基石，這對摩擦學學科的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。

2 摩擦學形成的歷史背景和社會根源

一門學科的產(chǎn)生和發(fā)展有它自身的、不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律，它是社會發(fā)展到一定階段，為適應(yīng)當時社會和經(jīng)濟發(fā)展需求的必然產(chǎn)物。

早在15 世紀后期到16世紀初，為了適應(yīng)造船業(yè)和建筑業(yè)發(fā)展的需要，第一個將固體的摩擦與磨損現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究的是意大利杰出的藝術(shù)家和科學家達·芬奇(Leonardo da Vinci,1452—1519年)。他研究了石材、木材的摩擦，得出了物體在光滑平面之間摩擦時，“摩擦力的大小是其自身重量的1/4”這一重要結(jié)論，并闡明了滑動摩擦與滾動摩擦的概念。為了減小滑動軸承的磨損，他建議采用銅錫合金的軸瓦。他在研究摩擦、磨損方面，取得了不少有價值的成果，可惜這些成果都記錄在他的手稿中，直到19世紀才發(fā)掘出來。在以后的200年間，由于缺乏強烈的社會需求以及制造業(yè)不發(fā)達的原因，摩擦、磨損的研究幾乎沒有進展。

18世紀初，特別是在60年代，英國發(fā)生了第一次工業(yè)革命，并逐漸向法國等西歐國家傳播，從而開創(chuàng)了以機器代替手工勞動的時代。這時，以眾多工作母機為基礎(chǔ)的制造業(yè)的興起，使摩擦成為提高各種機械的效率和壽命的一大障礙，這大大地推動了對摩擦的研究[13-14]。法國物理學家AMONTONS(1699年)和COULOMB(1785年)先后提出了經(jīng)典的摩擦三定律：(1)摩擦力與法向載荷成正比；(2)摩擦力與表觀面積的大小無關(guān)；(3)摩擦力與滑動速度無關(guān)。在此期間, COULOMB和英國物理學家DESAGALIERS(1734年)還先后提出了闡明摩擦機制的“凹凸假說”和“分子假說”。

從19世紀中期到20世紀50年代，歐洲的工業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其是英國的紡織工業(yè)和機車工業(yè)(蒸汽機)十分發(fā)達，促使摩擦、磨損的研究開始與現(xiàn)代機器和現(xiàn)代工藝技術(shù)相聯(lián)系。在摩擦方面，1939年，I V KRAGHELSKY根據(jù)摩擦力的二重性，建立了摩擦分子機械理論，即摩擦二項式。20世紀50年代，F(xiàn) P BOWDEN和D TABOR通過系統(tǒng)的實驗研究，建立了更完善的黏著摩擦理論。在磨損方面，最早的研究工作見J BOTTONE發(fā)表在1873年9月的《Chemistry News》上的一篇論文。1899年，W G KIRKALDY發(fā)現(xiàn)并研究了疲勞磨損現(xiàn)象。后來，G A TOMLINSON(1927年)和R HOLM(1946年)提出和發(fā)展了磨損的“黏附”理論。幾年后，OBERLE T L(1951年)提出了磨損的“犁溝”理論。1957年，J T BURWELL首次對磨損進行科學分類。為了對磨損進行估算和預測，ARCHARD在1953年提出了簡化模型[15]。

在此期間， 還發(fā)現(xiàn)并研究了潤滑現(xiàn)象：PETROV和BEAUCHAMP TOWER發(fā)現(xiàn)在工作良好的徑向軸承表面存在液體膜(1883年)，HERTZ建立了彈性應(yīng)力和接觸應(yīng)力的理論(1882年)，REYNOLDS建立了流體潤滑理論(1886年)。30多年以后，HARDY發(fā)現(xiàn)并研究了邊界潤滑現(xiàn)象(1922年)。隨后相繼出現(xiàn)的 Bowden模型(1954年)，Kingsbury模型(1958年)和Cammeron模型(1959年)豐富了邊界潤滑理論。1949年，A N GRUBIN和I E VINOGRADOVA提出了彈性流體動力潤滑理論，在以后的10年間，D DOWSON等人利用計算機技術(shù)創(chuàng)立了有關(guān)的數(shù)值計算方法。

由上可見，幾百年來,人們對于摩擦、磨損和潤滑的研究活動都處于分散的狀態(tài)，其研究成果分散在各個傳統(tǒng)學科中，有關(guān)知識則分布在大學的物理、力學、機械原理和機械零件或機械設(shè)計等課程中,沒有形成一門統(tǒng)一的學科和課程。這不僅大大地妨礙了它自身的發(fā)展,而且也難以適應(yīng)20世紀經(jīng)濟和科技高度發(fā)展的需要。正是在這種社會背景下,1966年，摩擦學在經(jīng)過上述數(shù)百年孕育和積累的科學研究活動的基礎(chǔ)上誕生了，用摩擦學這個新的術(shù)語和它的定義統(tǒng)一了原來分散在各個傳統(tǒng)學科中的摩擦、磨損與潤滑領(lǐng)域，形成了一門獨立的新學科。由此可見，和其他學科一樣，摩擦學也是人類社會的政治、經(jīng)濟與科技，特別是工業(yè)和交通運輸業(yè)發(fā)展到一定的歷史階段的必然產(chǎn)物，它的產(chǎn)生不是偶然的。它絕不是主觀的、人為的產(chǎn)物。

3 摩擦學學科的基本概念體系

3.1 摩擦學的定義與研究范圍

摩擦學(Tribology)是研究物體在各種環(huán)境下，發(fā)生在其作相對運動的相互作用表面(界面)上的各種現(xiàn)象/效應(yīng)產(chǎn)生和變化的規(guī)律及其應(yīng)用的一門科學與技術(shù)。應(yīng)當指出，物體相接觸的表面(界面)上、由于相對運動而產(chǎn)生的物體之間及其與環(huán)境/介質(zhì)之間可能出現(xiàn)的相互作用，包括物理、化學、力學、熱力學、力化學和摩擦化學等的宏觀、微觀和宇觀的各種相互作用。

摩擦學的研究范圍包括機械系統(tǒng)和非機械系統(tǒng)。

3.2 摩擦學的社會功能和主要任務(wù)

摩擦學的社會功能是節(jié)約資源、能源,保護生態(tài)環(huán)境和改善人的生命與生活質(zhì)量。而它的主要任務(wù)就是研究為實現(xiàn)上述社會功能,以維持自然界和人類社會可持續(xù)發(fā)展的摩擦學科學與技術(shù)及其實際應(yīng)用。

3.3 摩擦學的基本屬性和科學與技術(shù)內(nèi)涵

按照科學發(fā)展的動力學理論，一門學科的發(fā)展有兩個推動力，即社會需求和人類探索未知問題的求知欲。由上述摩擦學的定義可知,摩擦學具有技術(shù)科學和工程技術(shù)這兩重基本屬性。所以，它的科學與技術(shù)內(nèi)涵應(yīng)包括科學與技術(shù)這兩個不可分割的有機組成部分，即摩擦學科學(Tribo-science)和摩擦學技術(shù)(Tribo-technology)。前者可稱之為基礎(chǔ)摩擦學(Fundamental tribology)，它是摩擦學的科學部分，而后者可稱之為應(yīng)用摩擦學(Applied tribology)或工業(yè)/工程摩擦學(Industrial/Engineering Tribology)，即摩擦學的技術(shù)部分。

因此，必須避免兩種極端的看法，其一是把摩擦學只看成是一門科學(如The American Heritage Dictionary給摩擦學下的定義),否認摩擦學的技術(shù)屬性,無視摩擦學的實用性和實際應(yīng)用，從而使摩擦學失去來自經(jīng)濟發(fā)展和社會需求的推動力；其二是認為摩擦學只是一門技術(shù)(如W O WINER和E C GWALTNEY的觀點[6])，否認摩擦學的科學屬性,從而會削弱摩擦學持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和探索未知問題的推動力, 并且在一定程度上還會妨礙摩擦學在非機械系統(tǒng)中的發(fā)展。所以,只有全面、正確地認識摩擦學的基本屬性和內(nèi)涵才能確保摩擦學持續(xù)的全面發(fā)展[2,11]。

摩擦學科學主要包括各種接觸理論和摩擦、磨損與潤滑理論以及自然生態(tài)系統(tǒng)和自然災(zāi)害中的各種摩擦作用機制等。而摩擦學技術(shù)主要包括：(1)控制與利用摩擦、磨損和改善潤滑、節(jié)能、節(jié)材以及摩擦學零部件與系統(tǒng)延壽的各種技術(shù)和方法；(2)保護生態(tài)環(huán)境以及避免和降低自然災(zāi)害危害性的各種摩擦學技術(shù)和方法；(3)為可再生能源和清潔能源的裝備提供技術(shù)支撐的各種摩擦學技術(shù)和方法。

摩擦學的學科基礎(chǔ)主要是界面力學、表面/界面化學、表面力化學、表面/界面物理以及表面/界面物理化學和表面/界面化學物理等。

3.4 摩擦學的學科性質(zhì)與層次

根據(jù)科學學的原理，從摩擦學的總體知識結(jié)構(gòu)看，它是一門以摩擦學現(xiàn)象/效應(yīng)為特定的研究對象，綜合應(yīng)用多種學科的理論、知識和方法進行研究和應(yīng)用的一門綜合學科。同時，它也是對各種層次和各種學科中的一些共同性的摩擦學問題進行研究的一門橫斷學科。它包含了一些針對摩擦學研究對象的某一方面或某一特性(特征)而進行研究和應(yīng)用的分支學科(如：納米摩擦學、綠色摩擦學等)。有的分支學科還包含二級和三級分支學科。

絕大多數(shù)的分支學科都是摩擦學與一門或一門以上的學科相互交叉而形成的邊緣學科，如摩擦學與生物學交叉而形成的生物摩擦學；或者用一門或幾門學科的理論和方法研究摩擦學問題而形成的邊緣學科，如應(yīng)用仿生學的理論和方法研究摩擦學問題形成的仿生摩擦學?？梢灶A期，今后還會出現(xiàn)某些新的遠緣交叉(比如摩擦學與音樂和體育學科交叉)而形成的邊緣學科。

3.5 摩擦學的主要特性

(1)多學科性(學科交叉性)

這是指綜合應(yīng)用多種學科的理論和方法進行研究和應(yīng)用的一種特性。這種特性使摩擦學在一些工程領(lǐng)域，尤其是在重大工程中應(yīng)用時，只起通用技術(shù)的支撐作用，處于應(yīng)用基礎(chǔ)學科的地位，它一般不起帶頭學科和主體技術(shù)的作用。因此，這不僅使它的作用和效能(效益)難以單獨顯示出來而往往被忽視，而且還會產(chǎn)生一種錯覺和誤解，認為它只是依附于其他學科領(lǐng)域而存在，不是一門獨立的學科。這可能就是20世紀末，美國摩擦學的發(fā)展一度處于低潮的重要原因之一。

也正是由于對這一特性缺乏認識，使一些摩擦學家沒有意識到摩擦學的研究在很多情況下已不再是單一學科的、孤立的研究活動，而是涉及到多種學科的跨學科的研究活動，因而難以取得重大突破[16]。

(2)實踐性(實用性)

它是指可實際應(yīng)用于改造自然、造福人類的一種特性?！皩嶋H應(yīng)用”是摩擦學永恒的“天職”。摩擦學只有在“實際應(yīng)用”中才能充分顯示自身的價值。

(3)可持續(xù)性

這是指有助于保持人類社會和自然界可持續(xù)發(fā)展的一種特性。正是這種特性使摩擦學成為一門社會功能突出、具有旺盛生命力的新興學科。

4 摩擦學的結(jié)構(gòu)體系

4.1 摩擦學的總體框架與層次結(jié)構(gòu)

摩擦學的總體框架由研究范圍、學科內(nèi)涵和社會功能三個基本要素組成(如圖1所示)。而摩擦學的層次結(jié)構(gòu)則是由宏觀摩擦學(Macrotribology)、微觀摩擦學(Microtribology)和宇觀摩擦學(Universe Tribology)三個不同尺度的層次組成(如圖2所示)，每個層次都包含相應(yīng)的分支學科(圖中只列出部分有代表性的分支學科)。圖2中圓括號內(nèi)的學科是預計未來可能產(chǎn)生的新的分支學科。圖中的機械系統(tǒng)摩擦學大體上可劃分為兩大類：(1)以機械產(chǎn)品為研究對象的摩擦學，如汽車摩擦學、船舶摩擦學等；(2)以材料為研究對象的摩擦學，如金屬摩擦學、高分子材料摩擦學等。圖2中預計未來可能產(chǎn)生的音樂摩擦學主要是研究聲樂和器樂發(fā)聲的摩擦學機制及其應(yīng)用，包括歌唱時，氣息/氣流與聲帶、氣管和腔體等發(fā)生相對運動時的相互作用而發(fā)聲，以及器樂(主要是管弦樂)演奏時，氣流與樂器(管樂)或琴弦與弓(弦樂)產(chǎn)生相對運動時的相互作用而發(fā)聲的摩擦學機制及其實際應(yīng)用；而體育運動摩擦學主要是研究在田徑、登山、游泳、劃船、冰上運動、滑雪以及各種球類運動等廣泛的體育活動中，發(fā)生在其作相對運動的相互作用表面(界面)上的各種摩擦現(xiàn)象的作用機制及其實際應(yīng)用(提高競技水平)。

圖1 摩擦學的總體框架Fig 1 Overall framework of tribology

圖2 摩擦學的層次結(jié)構(gòu)Fig 2 Hierarchical structure of tribology

4.2 摩擦學的邏輯結(jié)構(gòu)

綜合以上有關(guān)各節(jié)的內(nèi)容，可以初步構(gòu)建摩擦學的局部和總體的邏輯結(jié)構(gòu)。

自然界廣泛存在的各種摩擦現(xiàn)象是摩擦學最主要和最基本的研究對象，它是摩擦學得以存在和持續(xù)發(fā)展的“源泉”。因此，把它作為摩擦學邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯起點，通過有關(guān)概念和范疇的內(nèi)在聯(lián)系，按一定的邏輯順序(層次)展開，可以得到摩擦學的一個最基本的局部邏輯結(jié)構(gòu)，即摩擦的邏輯結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。圖4所示是根據(jù)摩擦學的基本要素，即研究范圍、科學與技術(shù)內(nèi)涵以及社會功能三部分的內(nèi)在聯(lián)系，按一定的邏輯順序組成的摩擦學的總體邏輯結(jié)構(gòu)。

以上初步建立的摩擦學結(jié)構(gòu)體系還需通過進一步地研究，使它更加充實和完善。

圖3 摩擦的邏輯結(jié)構(gòu)Fig 3 Logical structure of friction

圖4 摩擦學的總體邏輯結(jié)構(gòu)

Fig 4 General logical structure of tribology

5 結(jié)束語

構(gòu)建摩擦學的學科體系是一項開創(chuàng)性的工作，沒有任何模式和方法可供參考，本文作者僅是初步的探索性研究。

摩擦學的學科體系是通過理論思維，用科學的原理與方法(系統(tǒng)理論、邏輯學和科學學等)對經(jīng)驗和知識加工而得到的，需要不斷地充實和深化以逐步完善(包括建立摩擦學學科的方法體系等)。完善的學科體系可以使我們更準確地把握摩擦學學科的發(fā)展方向，以引領(lǐng)未來，高屋建瓴地開拓前瞻性、戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域，從而推動摩擦學持續(xù)、高水平地全面發(fā)展。只有科學地預見未來，才能更好地把握未來和創(chuàng)造未來。

20世紀，歷史已將創(chuàng)立摩擦學學科的任務(wù)交給了英國科技工作者。那么，在21世紀，建設(shè)和發(fā)展摩擦學學科的重任應(yīng)當由我們中國摩擦學工作者來承擔，以不辜負摩擦學的創(chuàng)始人Jost博士生前對我們的殷切期望：中國摩擦學學會應(yīng)當為國際摩擦學界多作貢獻。

6 后記

謹以此文紀念中國機械工程學會摩擦學分會成立40周年。