摩擦磨損的研究進展

潘 鵬 姜開翔 朱存洲 高 杰

（塔里木大學 機械電氣化工程學院 現代農業工程重點實驗室，阿拉爾 843300）

據不完全統計，每年因摩擦磨損造成的經濟損失約占一個工業化國家國內生產總值（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，將會增加一大筆經濟收益，因此對摩擦磨損方向的研究一直是眾多學科的研究熱點[1-2]。

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

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象，也是學者們最為關注的研究重點，國內外的眾多學者在這方面做了許多的試驗，也得到了很多有意義的結論，為滑動磨損的相關研究提供了理論依據[3-6]。

RUBY M C 等[7]研究了鈷基合金在核反應堆環境條件下的滑動磨損分析，在核反應堆堆芯中，輻照鈷會產生高穿透性發射γ 射線的同位素，即穩定的鈷59 產生鈷60。鈷合金的磨損會產生磨損碎片，從而加劇這一問題。他們通過復制反應堆條件環境中合金的滑動磨損行為，提出了磨損預測模型，且產生了良好的定性結果。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，采用結構方程模型（Structural equation modeling，SEM）和透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）進行顯微結構分析。試驗研究發現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特性會隨樣品大小產生變化，而不是由于冷卻速率效應和幾何形狀不穩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，發現其存在臨界濕度水平，當濕度低于該水平時，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]。磨粒磨損與實際應用聯系最為緊密，一直以來都是摩擦磨損研究中的重點關注對象。

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。基于此，提出了一種構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，這主要是液態粉煤灰自身所具備的凝硬性導致的。

3 潤滑磨損的研究

潤滑磨損一直是眾多研究學者重點關注的話題，尤其是在企業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，提高機械的穩定性和工作效率，提升總體經濟效益。除此之外，潤滑磨損的研究成果還可以為企業帶來極高的經濟效益[13-15]。

GUO 等[16]使用不同質量分數的愈創木酚獲得了用于船舶推進系統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，結果表明：含有0.5%濃度愈創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自潤滑復合材料界面狀態的影響，結果表明：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。但當球磨時間超過30 h 時，會使界面反應加劇，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，同時還會使復合材料的摩擦磨損性能降低。

4 生物摩擦學的研究

在我們的常規認知中，一般認為摩擦磨損是研究材料中或者機構中的磨損，往往會忽略生物摩擦這個方面的因素。其實生物與環境之間也存在著大量的摩擦現象，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信號，結果表明：表面紋理的觸感受摩擦系數控制，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體液缺失時引發的腫脹、發炎等癥狀，研究了生物醫用孔隙結構在干摩擦下的磨損行為，結果表明：孔隙結構與人體原生骨組織越接近其耐磨性能越優。此研究對實際醫學應用有著重要意義。

5 高分子及高分子基復合材料的研究

隨著科技的高速發展，新型材料層出不窮，高分子及高分子基復合材料以其獨特的結構本質以及優越的力學特性在材料領域得到了廣泛的應用，但其磨損機理有異于傳統的金屬材料。

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

6 發展與展望

摩擦學是一門典型的重點交叉學科，涉及內容廣泛，如數學、物理學、材料科學、化學、力學等多門學科。近年來，摩擦學的研究方向一直在穩定迅速發展，摩擦磨損的研究也越來越深入，但是還存在一些缺點，如在生物摩擦學領域的研究相對較少、理論研究較多、實際運用較少等。摩擦學研究在要求試驗過程嚴謹、試驗結果精確的同時，也應該深入分析、總結試驗過程中的摩擦學機理，盡可能做到理論聯系實際。針對目前摩擦學的研究和總結，提出以下幾點有關摩擦學研究的建議及意見：

（1）在生物摩擦學方向有關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）應在傳統摩擦學研究方面積極開辟新的研究方向和內容，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模型，而且還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力、應變分布規律[3]，或將分子動力學與有限元方法結合起來，更精確地分析摩擦磨損的內在機理。

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

7 結語

本文綜述了各領域中重點材料的摩擦磨損研究，分析了相關研究所取得的成果，并展望了摩擦學未來的發展方向，相關人員在今后的研究過程中，應更全面地研究有關摩擦磨損方面的內容，從而為今后摩擦磨損研究提供有效的理論依據。