ISO 237372021 精细陶瓷（高级陶瓷 高级工业陶瓷）干燥和潮湿条件下精细陶瓷薄膜磨损和摩擦特性的评定方法标准立项发展报告

ISO23737:2021《精细陶瓷（高级陶瓷，高级工业陶瓷）干燥和潮湿条件下精细陶瓷薄膜磨损和摩擦特性的评定方法》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FineCeramics(AdvancedCeramics,AdvancedTechnicalCeramics)—MethodsforEvaluatingWearandFrictionCharacteristicsofFineCeramicThinFilmsunderDryandHumidConditions摘要随着微电子机械系统、精密光学器件及生物医学植入体等高端制造领域的快速发展，精细陶瓷薄膜因其优异的力学性能、化学稳定性和耐磨特性而得到日益广泛的应用。然而，陶瓷薄膜在干燥和潮湿条件下的摩擦磨损行为评价方法长期缺乏统一的国际标准，导致不同实验室间测试结果可比性差、产品设计与选材缺乏可靠依据等问题日益突出。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年8月24日正式发布ISO23737:2021《精细陶瓷（高级陶瓷，高级工业陶瓷）干燥和潮湿条件下精细陶瓷薄膜磨损和摩擦特性的评定方法》。该标准系统规定了测试原理、试验装置要求、试样制备、试验条件、测量方法及结果表征等内容，填补了精细陶瓷薄膜摩擦学性能评价领域的国际标准空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术要点、主要参与单位及应用价值，旨在为国内相关行业的标准实施、产品研发和后续标准制修订工作提供参考与借鉴。关键词：精细陶瓷薄膜；摩擦特性；磨损评定；干燥条件；潮湿条件；ISO标准Keywords:Fineceramicthinfilms;Frictioncharacteristics;Wearevaluation;Dryconditions;Humidconditions;ISOstandard1引言1.1标准立项背景精细陶瓷（高级陶瓷，高级工业陶瓷）凭借其高强度、高硬度、优异的耐磨损性能和良好的化学稳定性，在航空航天、电子信息、生物医疗、能源环保等战略性新兴产业中占据着不可替代的地位。特别是随着薄膜制备技术的日臻成熟，精细陶瓷薄膜已被广泛应用于微机电系统（MEMS）的微型齿轮与轴承、硬盘驱动器的磁头防护层、人工关节的关节面涂层、切削刀具的耐磨涂层以及燃料电池的电解质薄膜等关键部件。然而，陶瓷薄膜在实际服役环境中往往面临复杂的摩擦学工况——既有干燥条件下的接触磨损，也存在潮湿环境甚至液体润滑条件下的摩擦行为差异。水分子的吸附会显著改变陶瓷薄膜表面的化学状态和力学响应，进而影响其摩擦系数和磨损机制。例如，氧化铝、氮化硅等陶瓷薄膜在潮湿环境下常表现出不同于干燥环境的摩擦行为，部分材料体系中水分子起到润滑作用，而在另一体系中则可能加速裂纹扩展与材料剥落。然而，在ISO23737:2021发布之前，全球范围内尚缺乏专门针对精细陶瓷薄膜在干燥和潮湿条件下摩擦磨损性能评价的统一国际标准。各研究机构和企业多参考块体陶瓷的摩擦磨损试验方法（如ASTMG99、ISO20808等），或自行制定内部测试规程，导致试验条件差异显著、数据可比性差、技术指标难以统一。这一现状严重制约了陶瓷薄膜技术的工程应用推广和国际贸易往来。1.2标准编制过程与意义ISO23737:2021由国际标准化组织ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）归口管理。该标准历经多年国际研讨和多方协调，最终于2021年8月24日正式发布。其发布不仅填补了国际标准体系中针对陶瓷薄膜摩擦学评价的空白，更标志着精细陶瓷薄膜摩擦学性能评价从"各自为政"走向"全球统一"的新阶段。该标准的发布具有以下重要意义：第一，为精细陶瓷薄膜材料研发提供统一的性能表征依据，有利于不同材料体系和不同制备工艺的横向对比；第二，为工程设计人员在薄膜选型和服役性能预测方面提供可靠的数据支撑；第三，为薄膜产品质量控制和贸易仲裁提供标准依据，减少贸易摩擦；第四，推动陶瓷薄膜摩擦学试验技术的规范化和实验室间比对能力的提升。2标准适用范围与定位2.1标准适用范围ISO23737:2021适用于在平坦表面上制备的精细陶瓷薄膜，包括但不限于采用物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法、溅射法等工艺制备的氧化物陶瓷薄膜（如Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂）、氮化物陶瓷薄膜（如TiN、Si₃N₄、AlN）、碳化物陶瓷薄膜（如SiC、TiC）及其他先进陶瓷薄膜体系。该标准规定的试验方法可覆盖室温环境下干燥大气条件和潮湿条件下的摩擦磨损评价需求。标准对于薄膜厚度的适用范围未作严格限制，但通常在数百纳米至数十微米的典型工程陶瓷薄膜厚度区间内具有良好的适用性。2.2标准定位与体系关系在ISO精细陶瓷标准体系中，ISO23737属于材料性能评价方法类标准。它与ISO20507（精细陶瓷术语）、ISO14705（维氏硬度试验方法）等基础标准和测试标准共同构成完整技术标准体系。在摩擦学评价领域，该标准与块体陶瓷的磨损试验标准（如ISO20808）形成互补：前者专注于薄膜体系，后者适用于块体陶瓷材料。3标准主要内容与技术要点3.1术语与定义ISO23737:2021对以下核心术语进行了规范定义：-精细陶瓷薄膜：通过特定工艺在基体上制备的具有陶瓷材料特性的薄层结构，其厚度通常在几纳米到几十微米之间。-摩擦系数：两接触表面在相对运动过程中，摩擦力与法向载荷之比，分为静摩擦系数和动摩擦系数。-磨损率：单位载荷、单位滑动距离下的材料体积损失量，通常以mm³/(N·m)表示。-比磨损率：磨损体积与法向载荷和总滑动距离乘积的比值，用于表征材料的耐磨性能。-临界载荷：薄膜在摩擦过程中开始出现可见失效（如剥落、贯穿性裂纹）时所对应的法向载荷。3.2试验原理与装置要求该标准基于球-盘（ball-on-disc）往复式或旋转式摩擦磨损试验原理，规定了测试系统的基本构成和要求：（2）加载系统：应能提供稳定的法向载荷，载荷范围通常为1N～20N，载荷精度应优于±1%。（3）运动系统：标准允许采用旋转运动或往复直线运动两种模式。旋转运动适用于各向同性薄膜的表面评价，往复运动则适用于特定方向或微区评价。（4）摩擦力测量系统：应具备高精度摩擦力传感器，测量分辨率不低于0.01N。（5）环境控制单元：湿度控制范围应为10％RH～90％RH，控制精度±5％RH，以适应干燥条件（一般≤20％RH）和潮湿条件（通常≥60％RH）的试验要求。3.3试样制备要求标准对试样制备提出了明确规定：（1）基体材料及其表面粗糙度应满足薄膜沉积要求，并在报告中详细说明；（2）薄膜厚度应通过标准方法测定（如台阶仪、椭偏仪或SEM截面观察法）；（3）薄膜与基体的结合力建议采用划痕法或压痕法进行了辅助评价，以辅助分析磨损行为；（4）试样的清洗方法和存储条件应标准化，避免表面污染对试验结果的影响。3.4试验条件与参数标准推荐了一组基准试验参数，同时允许根据实际应用场景在合理范围内调整：|参数名称|推荐范围/取值||---------|-------------||法向载荷|1N～20N||滑动速度|1mm/s～100mm/s||滑动距离|建议10m～1000m||温度|室温（23±2）℃||相对湿度|干燥：≤20％RH；潮湿：≥60％RH||对磨球材料|轴承钢、Al₂O₃或Si₃N₄|3.5结果计算与表征标准给出了摩擦系数的计算方法（μ=F/N，其中F为摩擦力，N为法向载荷），磨损体积的测量方法（可采用表面轮廓仪测量磨痕截面面积并乘以磨痕长度计算磨损体积），以及磨损率的标准化计算方法。同时，标准还推荐采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）等手段观察磨损表面形貌和磨损机制，辅助判断磨损类型（如磨粒磨损、黏着磨损、疲劳剥落等）。4标准编制原则与国际协调4.1编制原则ISO23737:2021的编制遵循了以下基本原则：一是科学性，所规定的试验方法基于充分的国际间实验室间比对试验数据，确保方法的可重复性和可复现性；二是适用性，兼顾了不同类型陶瓷薄膜体系和不同应用场景的评价需求，在参数选择上保持适当的灵活性；三是先进性，充分考虑了近年来薄膜摩擦学领域的研究进展和测试技术的创新成果；四是兼容性，尽量与已有的相关国际标准（如ISO20808:2018）保持技术路线的一致性，便于标准使用者理解和操作。4.2国际协调与合作在标准制定过程中，来自日本、中国、德国、韩国、美国等国家的专家积极参与讨论并提供了大量试验数据和技术支撑。其中日本作为ISO/TC206的秘书处承担国，在标准草案的起草和组织协调方面发挥了核心领导作用。5主要参与单位介绍5.1日本产业技术综合研究所（AIST）日本产业技术综合研究所（NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST）是ISO23737:2021制定过程中的核心技术支持单位。该机构是日本最大的国立研究机构之一，隶属于经济产业省，在先进陶瓷材料、纳米技术和表面工程领域拥有世界一流的研究实力。AIST在精细陶瓷薄膜摩擦学领域拥有超过二十年的研究积累，其纳米结构材料研究部门长期从事陶瓷薄膜的摩擦磨损机理研究、薄膜性能评价方法开发和标准化工作。在ISO23737的编制过程中，AIST的专家团队承担了试验方法可行性验证、实验室间比对试验组织以及标准草案核心内容起草等关键任务。AIST还将其在超薄硬质薄膜微动磨损评价、湿度敏感型摩擦行为研究等方面的最新成果融入标准技术内容中，为该标准的前沿性和科学严谨性提供了坚实保障。此外，AIST长期担任ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）秘书处工作，对精细陶瓷领域国际标准体系的规划与推进具有深远影响力，为推动包括ISO23737在内的多项国际标准的制修订发挥了不可替代的协调作用。5.2其他重要参与单位京都大学材料化学系的研究团队在湿度对陶瓷薄膜摩擦性能影响的机理研究方面提供了重要的基础理论支撑；德国弗朗霍夫材料力学研究所（IWM）在薄膜力学性能表征和失效分析方面为标准的附录编制提供了丰富的实践经验；国内方面，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室和上海硅酸盐研究所的专家深度参与了标准技术条款的讨论与意见反馈工作，为标准的完善和最终发布做出了积极贡献。6标准应用前景与实施建议6.1应用前景ISO23737:2021的发布为全球范围内的陶瓷薄膜制造企业、薄膜应用终端用户、科研机构和第三方检测实验室提供了统一的技术依据。具体应用价值体现在以下方面：（1）薄膜材料研发阶段：采用该标准对不同工艺参数下制备的薄膜进行系统摩擦学评价，可建立工艺-结构-性能之间的关联规律，加速高性能陶瓷薄膜的研发迭代。（2）产品质量控制：陶瓷薄膜涂层产品（如刀具涂层、模具涂层、装饰耐磨涂层）的生产企业，可将该标准规定的指标作为出厂检验项目，确保批次间质量的一致性。（3）失效分析与寿命预测：通过标准化的摩擦磨损试验数据，可建立薄膜在特定工况下的磨损寿命预测模型，为用户合理选材和更换维护周期提供科学依据。（4）国际贸易仲裁：当供需双方对陶瓷薄膜产品的耐磨性能产生争议时，可依据该标准进行第三方检测，其结果可作为贸易仲裁的技术依据。6.2实施建议针对国内相关行业，提出以下实施建议：6.2.1标准转化建议全国工业陶瓷标准化技术委员会尽快启动ISO23737:2021的中国国家标准采标转化工作，在充分消化吸收基础上结合国内薄膜产业实际进行必要的编辑性修改和补充。6.2.2实验室能力建设拟开展该项测试业务的检验检测机构应加快配备高精度摩擦磨损试验机、环境控制箱、表面轮廓仪等关键仪器设备，并建立符合ISO23737要求的质量体系文件。6.2.3人员培训与比对验证建议依托中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可的材料检测实验室组织开展标准宣贯培训和实验室间比对活动，提升国内实验室对精细陶瓷薄膜摩擦磨损测试的整体技术能力。6.2.4产学研协同推进鼓励薄膜制备企业、设备制造商、高校和科研院所联合开展基于ISO23737的先进陶瓷薄膜摩擦学数据库建设，为我国陶瓷薄膜材料的自主创新和工程应用提供坚实的数据基础设施。7结论ISO23737:2021《精细陶瓷（高级陶瓷，高级工业陶瓷）干燥和潮湿条件下精细陶瓷薄膜磨损和摩擦特性的评定方法》作为精细陶瓷薄膜摩擦学领域首项国际标准，其发布具有里程碑式的意义。该标准系统解决了长期以来陶瓷薄膜摩擦磨损性能评价方法不统一、结果可比性差的突出问题，为国际范围内精细陶瓷薄膜的设计、制造、应用和贸易提供了科学、规范、可操作的技术依据。标准在充分吸收当前摩擦学最新研究成果的基础上，合理兼顾了干燥和潮湿两类典型工况，涵盖了从试样制备、试验实施、数据处理到结果表达的全流程技术规范，技术上具有先进性、科学性和普适性。展望未来，随着纳米技术和表面工程的快速发展，陶瓷薄膜正向更薄、更硬、多功能化的方向演进，对摩擦学评价方法也提出了更高的要求。ISO23737:2021的实施推广将为下一代陶瓷薄膜材料的研发和质量控制奠定重要基础。建议国内相关标准化技术组织加快国际标准的采标转化工作，同步推进国内配套标准体系的完善与提升，鼓励更多本土企业和研究机构深度参与国际标准化活动，提升我国在该领域国际标准制定中的话语权和影响力。参考文献[1]ISO23737:2021,Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Methodsforevaluatingwearandfrictioncharacteristicsoffineceramicthinfilmsunderdryandhumidconditions[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO20808:2016,Fineceramics(advancedceram