二十一世纪的摩擦学研究

外文资料译文外文资料译文二十一世纪的摩擦学研究 Hugh Spikes摩擦学部,帝国理工学院机械工程系、伦敦SW7 2BX, UK摘要本文预测和讨论摩擦学在新世纪时期研究所面临的很多挑战。这种讨论是在两个阶段，看着在现有的趋势上在第一个十二年可能的发展。然后，更大胆的是考虑在随后的几十年可能的驱动力。(C)2001 Elservier Co Ltd。关键词：摩擦学，未来研究，建模，薄膜，智能系统，涂料1. 介绍 本论文的目的是预测和讨论21世纪摩擦学基础研究可能面临的一些机遇和挑战。这样的实例运用是有争议的：这主要取决于该主题未来发展是按照预先稳定的演化结果所表现出来存在的趋势或者是突然发现开发出来了不可预测的新的概念。 在1900年预测二十世纪的摩擦学是否能够有巨大的进步是引人关注的。英文版最重要的第一本摩擦学课本是由Archbutt 和Deeleys 在1900年出版的“润滑和润滑油”。在这个课本中，强调润滑在四个方面的持续发展。其中最重要的一个影响来自于发现流体动力润滑的Beauchamp Tower和Reynolds 所集中研究的完美润滑。对于机械部件在充足的流体力学为条件下的操作。另外两个重要的关注点也是被发现的。一个是被作者称为水库润滑它是在改进润滑剂氧化稳定性需要提供完整的膜水动力轴承时发现的。另一个是在不完全润滑条件下的“油性”的起源，天然油脂比矿物油脂要好。最后的主要进步是Archbutt 和Deeley在1900的制造业和轴承滚动体的应用的快速发展。 这些相同的摩擦学四个领域在未来二十年里继续占主要的位置。流体力学的分析和设计就好像圆锥轴承的发展中Rayleigh 和Hershey的工作所表现的那样。Rayleigh和Hershey改进了精炼润滑脂的技术其中包括第一个合成机油。Southcombe、Hardy和Langmuir在滚子轴承设计研究、制造和分析中在油质上进行了大量的试验，因此在实验中发现了边界润滑。大部分的世界领先的滚动轴承公司的建立都在1900到1920之间。 因此，第一个二十年的研究预测是在1900年。然而随后的八十年的发展大家都没有猜到。就像谁能预计到在现代由于润滑和传动条件顺向的发展从而引起的汽车的上升。高增长的高分子科学和工业，干轴承和合成润滑剂的领导，电脑的发展，与我们顺向的能力去解决成对的弹性流体力学拖动性方程和模拟液体的分子运动。 基于这样的想法，本文将考虑在将来的两个阶段，第一个未来十二年，至少在某种程度上，通过推测在随后的几十年我们进入这个领域的可能性和运用广泛的驱动力技术。它主要是讨论全面的或仅有一些特殊的摩擦学区域。这样的挑战思想和刺激想象力的目的就会变得非常简单。2.未来十二年 基于当前在研究活动的趋势、技术机会和需求在未来十二年摩擦学中具有活力的5个区域它们是：（a） 建模和仿真（b） 薄膜润滑剂（c） 节能技术（d） 科学设计表面（e） 智能系统2.1 建模和仿真在未来四十年的摩擦学中有一个很重要的驱动器，通过计算机处理技术在很多的领域里逐步增加了功率降低了成本。在这个时期每十八个月计算机的处理能力/成本比率会有效地双倍，因此是每十年增加100%。这在摩擦学的影响很大，比如：其影响到油膜润滑的解决问题。直到1940年代末，依靠有限的水动力轴承系列来解决这类问题。电气模拟设备或者费力的纸和笔进行迭代数值方法。在1960年开始纸和笔以及主机计算机已经被丢弃，被纸带和穿孔卡片所取代，它们解决了热流体力学的数字解法和等温线接触弹流接触。在1960年中期EHD的线接触热解决方案和1970年对EHD等温解的点接触问题得到扩展。在1980年改进了数字技术也意味着EHD表面光滑问题在台式计算机上飞速的被解决。热、点接触问题已经解决，注意力转向了粗糙表面、高压润滑接触。在1980年代进行了简单的碳氢化合物液体第一次分子动力学模拟。在近十年二维的完整解决方案已经发展，实际EHD接触的粗糙度通过二维已经被改动成薄膜润滑液和分子动力学（MDS）。图1：显示了预测一个典型的膜厚度移动的粗糙表面接触。图2显示了十六烷分子在两个封闭的表面里进行相对运动不同的三种的薄膜厚度的模拟行为。这种在计算机建模中的改善，并非完全是由很多的电脑，有一个用于解决数值模拟渐进复杂改善的算法，如多网格方法。能呈现计算机仿真结果重要的进展，如虚拟现实技术，它正在成为必不可少的一些模拟的输出。但它前进的步伐已经被计算机处理能力的增长决定。根据上面的讨论，我们有信心预测在未来的十二年及以后在摩擦学的发展和应用会存在越来越复杂的数值模型和模拟方法。到2012年，运用电脑连接器进行表面粗糙，热量，非牛顿模型、混合EHD /边界润滑接触的处理都可用来预测接触压力，薄膜厚度和摩擦。甚至有可能是更多的造型的多体问题，如在多质点动力学接触系统中多粗糙面摩擦接触的粗糙的弹性固体。分子动力学模拟应该变得越来越强大，可以访问电脑用户，也可以从分子结构中测定润滑油的粘度来进行预测和记录压缩性数据。当前造型上损伤积累在摩擦两固体表面原子和一个更大的单位细胞中可能延长。 另一个重要的建模活动领域在未来的十二年可能会模拟复杂的摩擦学系统，如发动机或变速箱他们的工作寿命。这种模拟的最终目标是在系统中包括溶液的接触应力、温度、动力学和水动力行为进行分析，加上图表的润滑剂流量和累积损伤的润滑剂和表面都随时间的改变。当然，运用虚拟测试设计能力去验证耗时和昂贵的发动机或变速箱测试是不推荐用的。尽管这个目标不太可能在分配的十二年中实现也许会到2012年。图1 典型的膜厚度移动时的粗糙表面接触的预测图2 MDS的十六烷分子与碰撞表面微凸体之间移动表面表1总结了一些摩擦学在接未来十二年在建模和仿真研究可能的主要领域。表1 建模和仿真研究的主要领域建模与仿真领域的摩擦学二维EHD和混合膜解决方案包括热、非牛顿分子动力学模拟的润滑剂基于连续体和分子建模相结合的混合润滑原子/单元层的造型反应固体接触和滑动摩擦模拟多粗糙和多体接触损伤累积模型模拟润滑机器摩擦学随着时间的推移，如内燃机润滑油、磨损，性能2.2 薄膜润滑剂简介 摩擦学实验在今后十年左右必定会以这种计算模型的疗效为主要的角色。按照上述方法理解有足够多的基本物理问题的模型和关键的物理和化学过程。 因为在很多领域里缺乏基本的了解所以已经抑制了模型的发展，比如在EHD流动学和在摩擦固体的损伤积累，而这些将在本文的后面简要讨论。 薄膜润滑变得越来越重要的原因有很多。首先，近年来在传统的机械组件中润滑剂的膜变得越来越薄。追求节能系统是导致低粘度润滑剂的使用原因，而具有更高的功率密度机器组件却变得越来越小。这两个趋势的产生减少了润滑油膜厚度。近年，发展信息存储的媒体如硬盘和符号，还有只有几纳米厚的润滑剂层的表面性能的摩擦系统。在过去的十年润滑剂的薄膜研究取得了相当大的进展。有两个主要的贡献者。它们是开发和实验技术应用的等力平衡装置和超薄薄膜干涉法。可以研究纳米润滑剂接触薄膜和流动学性能。图3显示了膜厚度与流体动力学，交叉轴柱面镜，云母以及云母接触润滑与环己烷。它可以看到有效的量子化，最后几个环己烷分子在一个接触有一个分层结构，并提供比大多数流体更大的负荷。图4显示了膜厚度与速度相同的液体挟带，在装置中使用超薄薄膜干涉法获取一个滚动的球。这表明，即使在高压接触，一个剩余分离膜约1纳米，对应两个分子层的环己烷。这样的结果的意义是薄膜甚至简单的、低极性基液体可以显示异常流动和包含在仿真工作中的这种成膜行为和类型。最近的一个重要步骤是如图5所示可发展为一个能够映射润滑膜厚度在粗糙表面，润滑接触间隔层的成像系统。这使得它可以探索微弹流润滑和基础液体运用添加剂来控制粗糙粗糙面接触。第二个主要贡献是一直开发新的非常敏感的薄膜润滑剂的表面分析技术，如高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和x射线精细结构分析。这种技术在固体表面能够提供详细的化学和非常薄的结构信息的膜。图6显示了在磨损微粒HRTEM形成的摩擦测试中使用的可溶性有机钼、摩擦改性剂的添加剂。这表明存在微小的片状的粒子的二硫化钼、只有一个或两个分子厚。在未来的12年里，在研究薄膜的两个边界和混合润滑的进步可能非常迅速，事实上它必须使需要的建模和仿真器得到满足。例如目前有很多在造型薄膜，表面粗糙，润滑接触。但当流体膜厚度取低于5纳米这种模拟在粗糙面会发生什么？应该使用什么流变模型为润滑剂？在这种情况下，应该如何仿真可以编程时的回应膜厚度低于分子直径？一些实验中需要处理的关键问题是：1. 实际润滑剂的薄膜流动学特性2. 在何种程度上在高压接触附件滑动发生固界面；3. 形成的动力学过程和物理特性所形成的反应的膜的抗磨极压添加剂4. 基础油的运行状况和粗糙的反应膜5. 解开量化的驱动力在控制化学过程薄膜摩擦接触；如闪蒸温度、剪切、表面电子发射、催化活性等。 许多这些问题应该解决了。未来的12年里，使用分析和干涉技术发展和在过去的几年里开发新的实验方法如饲光谱学和纳米光谱或纳米电化学探针。图3 膜厚度与流体动力学，交叉轴柱面镜，云母以及云母接触润滑与环己烷。图4 膜厚度与速度相同的液体挟带图5 人工生成微EHD撞伤和真实粗糙表面图6 磨损微粒HRTEM形成的摩擦测试中使用的可溶性有机钼、摩擦改性剂的添加剂 2.3 节能技术追求能源效率，从而减少二氧化碳的生产，以及导致薄润滑剂的膜的机器组件，培育一些新的技术，这些都是对摩擦学的挑战。特别关注的是发展高效发动机和变速器的个人交通工具。在传输时摩擦学领域充满了另外一种技术是应用环形牵引驱动器。连续可变变速箱(CVTs)在一个完整的行驶循环中通过使曲轴箱引擎操作提供显著的节能来接近他们的最佳性能水平。目前，大多数汽车无级变速的变速器在使用皮带传动和这些有限的转矩能力用的都是相对较低的能力引擎。连续可变的变速箱基于相对正面接触，特别是与一个环形几何(图7)，提供更高的扭矩能力。因而有可能被用于更大的发动机汽车，甚至卡车。从摩擦学研究的角度来看，目前牵引驱动器带来的有两个主要挑战。一个是在宽的温度和压力范围内EHD接触生产润滑剂能否提供高的摩擦或“牵引”。最传统的润滑油在100C时达到限制，EHD牵引系数在高压力和应变率约为0.03到0.06，降至到0.02和0.04之间。通过一个EHD传输能量需要更高的牵引系数和接触，多年来，已经有相当大的努力来发展合成润滑油，即牵引系数值。牵引液体。但是在高温下有限的牵引仍然还是昂贵。第二个挑战是在EHD条件上建立精确的流动模型的流体行为。在过去的几年中，在理论上至少用于预测EHD牵引的许多这样的模型被提出。然而，仍有一些关键的领域存在分歧。依据EHD摩擦的研究表明，剪切应力增加，流体的剪切力稀释，然后最终收益率完全在一个极限值的剪切应力。其他人，基于高压流动学，表明有微不足道的剪切稀化和流体在EHD接触表面是能体现牛顿行为的极限剪切值。接下来的几年里主要研究分子起源的流体牵引(从而或者更好的或更便宜的牵引液体)，同时EHD流动学可能提供重要的挑战。另一个技术提供的挑战是摩擦学研究高温引擎。热力学第二定律的律例，至少在理论上一个引擎的运作温度范围更广泛更高效。在实践中这意味着在最大可能的温度热输入阶段的两个燃气轮机和曲轴箱引擎能够设计好并进行工作。在往复式发动机技术、低排热或绝热柴油机的计划中。燃气涡轮发动机技术、陶瓷燃气轮机进气温度下发展到1350C时使用的汽车(图8)和1700C的超音速飞机，最终都可能导致轴承温度超过300C。摩擦学的挑战是在这样的高温下建立燃气轮机轴承或柴油机活塞环能够长时间的操作和低摩擦。这里有三个原则，研究和发展路线正在为了满足这样的挑战。 一个是合成液体润滑剂发展成能够承受非常高的温度没有过度热或氧化降解或挥发。许多候选液体存在，其中最青睐的是聚苯醚和全氟聚醚。然而，仍然存在相当大的实际问题，在高温下限制使用这些液体，包括缺乏有效的添加剂来提高性能如抗磨损行为和腐蚀抑制。专业的合成润滑油在运作相当长的时期内高达约300C，但是热降解的会让他们的使用超过这个温度。一个非常广泛的研究手段是把润滑温度高达300C时供给润滑剂作为蒸汽。基本原理是利用一个运载气体如氮气或空气运输液体润滑剂或添加剂或蒸发到附近的接触，它形成了一个在固体表面的膜摩擦。但是这些技术仍然在开发阶段还是需要进一步研究。第三个主要的方法来提供高温润滑是运用开发固体润滑系统，无论是散装材料或涂料，都能承受高温。从节能的角度来看，问题是获得不只是低摩擦。另一个问题是在一个宽广的温度范围内实现令人满意的摩擦学特性，开发材料在室温下或在600C大致相同的发展材料的低摩擦磨损，提供两个温度下的这些属性。 这种方法的条件为使用陶瓷组件，系统运行在真空。如氮化硅，涂以二硫化钼。在使用二硫化钼这种材料制成的复合速率在650C的真空超过1000小时。在空气中，大多数低摩擦涂料如那些硫化钼。研究也进入了发展氧化物具有良好的摩擦学性能色氧化物，但很少显示非常低的摩擦。最近的一项研究表明氮化硅涂有氟化钙保持低穿到800C，可能在表面上形成一种层状结构。 在上述任何方法被广泛用于高温引擎后仍然有大量的摩擦学问题需要解决，但毫无疑问，更多的人会这样做，因为节能技术需要它。在这个阶段来说它是困难的但是这三个方法中会有获胜。这些在某种程度上取决于摩擦学在未来的十年里的努力和技巧。以及这两个领域的发动机和变速箱，当然，在不久的将来其他类型的应用程序要求节能的话可能会促进摩擦学的研究。比如轮胎材料和设计。 图7 商业环形牵引驱动图8 汽车燃气轮机图9 顶圈反转温度绝热柴油机2.4 科学设计表面在过去的四十年，从根本的领域研究已关注到表面摩擦学治疗和涂料。许多有价值的流程已经被开发和应用。在过去的十年里这个试验和错误的方法已经开始被取代。这部分是通过使用数值模拟的身体接触与分层的物理性质，如出现在涂布或治疗表面。图10显示了由接触的一个粗略的配合端面与一个氮化钛表面与一个指定的、分层的成分的材料性能来计算应力分布。这种方法已经开始产生量化，以科学为基础的规则选择新表面涂料。图11显示了多层类金刚石涂层交替与钛生产优化的粘附和裂纹生长的抑制。这整个领域的研究和开发将变得越来越重要，不仅仅是因为一个稳定长期的趋势，而是因为摩擦学系统的干润滑。在未来的十二年一个可能的研究领域是三维造型的各向异性或多相材料，以探索应力分布性质的材料如合金复合材料以及它们裂纹增长和其他形式的损伤积累的影响。这就引发了在科学设计的表面上另一个重要的发展，这是一个最近关注的由于摩擦接触过程引起的损伤积累。直到1990年代，大多数研究认为这种简单的互动方面的两接触表面材料去除的方法是由于粘连或磨损产生的力量在表面。数量有限的磨损疲劳裂纹治疗方面的工作发展是在一个粗糙的规模，最终导致分层或微腐蚀。在过去的几年中，已经意识到各种过程的磨损是必须被考虑的，就像经典的接触疲劳的角度损伤积累。这种方法显然必须有强大的链接工作表面的涂料和治疗，因为一旦损伤累积可以科学推论分级或分层材料的性质。在未来的12年里，整个研究积累的损伤领域由于摩擦可能成为一个主要领域的活动,并可能最终导致一个正确的理解和预测能力。图10 由于接触应力二计算出来的配合端面图11 表面涂层多层堆栈的属性图12 智能滚动轴承的减振图13 智能传感扭矩生产的防滑轮胎 2.5 智能系统本文最后讨论的趋势是在未来的十二年促进摩擦学研究的主角，日益广泛使用的智能系统。在未来几年这些已经成为可能，新的传感器技术，加上低成本和非常紧凑的计算能力和可能的灵感这些都是令人兴奋的摩擦学研究。两个典型的例子是显示在图12和图13。一个为齿轮轴轴承的减振。压电传感器安装之间的外环轴承及其套管检测力由于齿轮啮合施加到轴承。这个信号反馈给对立的传感器，它是用来扩大或收缩的阶段时收集作用力，因此为阻尼轴承的振动。第二是设计一个智能轮胎使打滑减少。运用轮胎与道路表面摩擦，在轮胎上的传感器测量施加的扭矩。这可以用来控制制动力。在这个活跃的时代有无数的其他可能的方法、系统的性能可以优化摩擦学。例如：电流变液阻尼器可以用来优化性能，而润滑油膜的形成和摩擦可能控制使用一个应用潜力，一个液晶润滑剂。它也表明，通过促进或抑制添加剂的反应是可能改变边界摩擦，从而进行可行的主动控制的摩擦润滑接触。随着对智能系统不断增长的兴趣。发现技术条件和健康监测的摩擦学系统密切的有关联，为防止意外，因此有危险或昂贵的失败。在研究摩擦学的过程中需要监测性能和开发智能系统，未来几年需要新的更好的探测和底层基础心理，这样应该能够有更多的研究。3.从2012到2050到了2012年底，这一时期之外会发生什么？在这里，我们将进入领域的猜测，因为主要的可能是在理解领域中的摩擦学中能有未预料到的进步。或增长的不可预见的技术和新的摩擦学的需求，随着年月流逝的后续增加，就像上世纪初。可能的方向和进度应该是判断识别驱动力。这两个技术需求，能够推动摩擦学科学前进。技术的改革，即在其他领域的进步，可以得到很好的效果这样都能够推进摩擦学的研究，如过去十年改进的表面分析技术已经在现在能够运用。21世纪的前半叶可能的技术需求，可能进行驱动力的摩擦学研究。例如：开发的微机电系统(MEMS)，来替代内燃机在个人交通和商业活动的空间。微机电系统摩擦学具体展示的挑战。诸如低粘度、非易失性润滑剂、新材料、表面处理和新类型的接触分析和表面效果。目前，在使用微机电系统的进度很小，但这在接下来的二十到三十年可能大大加快。可能逐步取代内燃发动机减少污染和提高效率，移动的电源会减少一些地区的重要性，但可能提高摩擦学等其它设计的真空飞轮储能系统。19