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走出课本 这种力很“魔”性

2018-04-12 09:49 来源:科技日报 本报记者 俞慧友

  摩 擦 力

  视觉中国

  “中学所学的固体间摩擦力,研究已相对成熟,但并不是没‘空间’。比如,决定摩擦力的关键因素中,存在‘接触面积’和‘接触线’之争。我们研究的是生活和生产中极为常见的液滴,在固体表面上的运动,及发生的摩擦阻力变化。当然,固液间摩擦力研究,未知可探‘空间’很大。”近日,复旦大学材料科学系博士后郜楠,就科技日报记者问及其发表在《自然·物理》上的一篇固—液间摩擦力研究论文时,作出如此表述。

  借此话题,记者与部分高校、科研院所物理研究人员谈及他们“饭碗里”的摩擦力,得到的回答大体分为两类:“印象仍停留在中学课本里”;摩擦力研究“水太深”,自己不算“专业”人士,不便作答。

  很显然,生活中的“摩擦力”,不再是中学课本里那个“骨感”的概念了。它变幻莫测,充满“魔”性。因为“摩擦”,还诞生了可细分到五花八门领域的交叉学科——摩擦学。

  有生活的地方,就有“摩擦”

  1966年,英国教授皮特·约斯特(H.PeterJost)首次提出“摩擦学”,并将其定义为“研究相对运动表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系的理论与应用的边缘学科”。这门被学科“边缘”化了的摩擦学,与机械表面界面科学密切相关,涉及领域广至传统机械加工、交通运输、航空航天、海洋、化工、生物工程……可谓,有生活的地方,就有“摩擦”。

  人类与“摩擦”做“斗争”,源于它所带来的惊人能源损耗。

  据2015年统计显示,摩擦能消耗掉全世界约1/3的一次能源(即天然能源),磨损可致使约60%的机器零部件失效,50%以上的机械装备恶性事故源于润滑失效或过度磨损。欧美发达国家每年因摩擦、磨损造成的经济损失约占其国民生产总值的2%—7%。作为制造大国,我国在生产与制造过程中,单位国内生产总值能耗约为日本的8倍,欧盟的4倍,世界平均水平的2.2倍。

  这让摩擦学的研究备受重视。毕竟,“摩擦”关乎能源,也可能严重制约一个国家高端装备的升级换代与性能提升。摩擦学里的“三大件”中,摩擦研究,主要揭示摩擦力起源及其能量耗散规律等基本物理过程及机理;材料磨损研究,旨在揭示材料去除机制及影响因素,寻求润滑、表面处理等技术,减少摩擦和控制磨损;润滑研究,重在研制和正确使用润滑剂和润滑技术,是大幅提高机械效率、保证机械长期可靠的工作并节能的最主要技术途径。

  随着摩擦学的发展,前沿研究已从宏观领域深入微观世界。从摩擦学分支研究中的部分基础与应用研究新进展,或从某个角度,窥现摩擦力的“魔”性。

  轮胎花纹里,藏着摩擦力“艺术”

  “橡胶摩擦力是个非常有趣和实用的课题,在轮胎制造等许多领域有广泛应用。”醉心摩擦力研究20多年的德国于利希研究中心科学家博培森,认为常被大家忽略的摩擦力现象“奇妙无比”。譬如,对轮胎公司而言,通常要对制造出的轮胎质量进行逐个测试。但如果有一种模型,能靠谱地“预测”材料的摩擦性质,就能大幅省时省力。

  关于橡胶摩擦力产生的主因,过去研究认为,取决于路面质地粗糙程度,及橡胶的自身黏弹性。不过近年,博培森团队的一项研究显示,橡胶轮胎在沥青路面上滑行产生的摩擦力,还依赖于速度和温度。这一新发现意味着,橡胶摩擦力的产生,还必须考虑橡胶分子链与路面反复的黏合、拉伸和释放因素。

  团队还给出了计算橡胶块和粗糙表面接触面积的方法。“橡胶和地面真正接触的面积其实非常小,对整只轮胎来说,大约只有一平方厘米的数量级。”博培森说。其实,这包含着不被大众理解的“实际意义”:如帮助轮胎公司选择适宜材料,制作出更高质量的轮胎花纹。

  摆脱摩擦损耗,“超滑”是个新技能

  2017年,第21届材料磨损国际会议上,“润滑磨损”的探讨,特别吸引企业科研人员。毕竟,运用合适的润滑条件改善磨损,能极大提高材料及结构的服役性能和寿命。与润滑磨损相关的新技术新方法,能短时间为企业创造巨大效益。

  在此领域,有一种能大大提高运动系统能源利用效率的“超滑”新技术。“超滑”,通常指两个物体表面间滑动摩擦系数在0.001量级或更小的润滑状态。自20世纪90年代初提出,它就吸引了摩擦学、机械学、物理学和化学等各界研究者的广泛关注。

  在利用石墨烯实现固体超滑领域中,清华大学的机械工程系和摩擦学国家重点实验室,联合中国科学院化学研究所等单位,设计并制备出了一款用于原子力显微镜的、镀有石墨烯的微球探针,可实现石墨烯间微观摩擦力测量。同时,他们获得了拥有“鲁棒”特性的超低摩擦:既能适于较宽范围的载荷、湿度、扫描范围及速度等实验条件,也可维持较长时间的超滑状态。该石墨烯探针还能在六方氮化硼晶体等其他二维材料上获得超滑,实现异质二维材料间的摩擦测量。

  能“上天”的材料,要经得起摩擦力考验

  空间运载机构(运载火箭等)和飞行器(人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等)中的部分材料,在相对运动过程中会产生摩擦磨损。“空间摩擦学”由此诞生,其中仅“材料”的研究,便很让人“头疼”。

  在空间应用中,涉及摩擦磨损的材料,统称为空间摩擦学材料。这些能“上天”的材料,生存环境极为严苛,要经受住如高真空、原子氧、微重力、宇宙射线和高低温等空间服役工况,摩擦磨损行为复杂性呈指数上升。一旦这类材料经不起摩擦磨损的考验,后果很严重。如“哥伦比亚号”航天飞机与大气间的高速摩擦,产生过度高温,使机外隔热瓦受损而遭遇解体坠毁。

  “传统摩擦学材料,在空间极端复杂环境下易产生冷焊、热疲劳和表面侵蚀等破坏,地面优良的摩擦学性能得不到发挥。随着空间研究的不断深入,大量新型空间摩擦学材料需要不断被研制与开发。”中南大学粉末冶金研究院教授姚萍屏说。美国、欧洲、日本及俄罗斯等国家和地区的航天部门,均成立了专门机构,开展空间摩擦学及其材料的基础性研究。

  我国在此领域也颇有进展。空间对接装置是航天器与航天器、或空间站交会对接的关键部件,制造对接装置的摩擦材料,一直是各国“高保密级”技术。中南大学研制出的铜基粉末冶金摩擦材料,使我国进入了少数能提供对接机构摩擦副材料的国家行列。以此制造的摩擦副,也成功应用于神舟八号、九号、十号、十一号载人飞船与“天宫一号”“天舟一号”太空实验舱的在轨自动和手动交会对接机构与转位机构中。

  “我们亟须改进空间环境地面模拟试验设备,研究相关理论,建设数据库,为实现对空间耐磨和空间减摩材料的设计改进提供保障。”谈及这一领域的“未来”,姚萍屏说。

(责任编辑:王蔚)

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