摩擦磨损的研究进展

潘 鹏 姜开翔 朱存洲 高 杰

（塔里木大学 机械电气化工程学院 现代农业工程重点实验室，阿拉尔 843300）

据不完全统计，每年因摩擦磨损造成的经济损失约占一个工业化国家国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）的1%～2%。研究摩擦磨损的机理，从根本上解决摩擦磨损的问题，将会增加一大笔经济收益，因此对摩擦磨损方向的研究一直是众多学科的研究热点[1-2]。

本文从滑动磨损、磨粒磨损、润滑磨损、生物摩擦学和高分子及高分子基复合材料磨损的研究进展及现状入手，综述了近年来摩擦学方向的重点研究成果，分析了摩擦磨损的内在机理，为今后摩擦学的研究提供了理论依据。

1 滑动磨损的研究

材料的滑动磨损是摩擦磨损中最为常见的磨损现象，也是学者们最为关注的研究重点，国内外的众多学者在这方面做了许多的试验，也得到了很多有意义的结论，为滑动磨损的相关研究提供了理论依据[3-6]。

RUBY M C 等[7]研究了钴基合金在核反应堆环境条件下的滑动磨损分析，在核反应堆堆芯中，辐照钴会产生高穿透性发射γ 射线的同位素，即稳定的钴59 产生钴60。钴合金的磨损会产生磨损碎片，从而加剧这一问题。他们通过复制反应堆条件环境中合金的滑动磨损行为，提出了磨损预测模型，且产生了良好的定性结果。RAHAMAN 等[8]研究了尺寸对块状金属玻璃摩擦磨损机理的影响，通过滑动试验，采用结构方程模型（Structural equation modeling，SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）进行显微结构分析。试验研究发现随着样品尺寸的减小，块状金属玻璃的延展性和断裂强度会逐渐增加，从而具有了更高的耐磨性和摩擦力。并且块状金属玻璃的机械和摩擦学特性会随样品大小产生变化，而不是由于冷却速率效应和几何形状不稳定性或样品的倾斜所致。FILIP 等[9]通过研究湿度对汽车制动器摩擦材料磨损的影响，发现其存在临界湿度水平，当湿度低于该水平时，磨损会减少，而高于该水平时，磨损会随湿度的增加而增加。

2 磨粒磨损的研究

磨粒磨损是最常见的一种磨损机理，一般情况下引起工件磨损失效的主要原因就是磨粒磨损[10]。磨粒磨损与实际应用联系最为紧密，一直以来都是摩擦磨损研究中的重点关注对象。

TOZETTI 等[11]研究了磨料尺寸和施加载荷对马氏体白口铸铁的磨损影响，结果表明：铸铁磨损会随着施加载荷和磨粒尺寸的增加而增加。基于此，提出了一种构建马氏体高铬铸铁磨料磨损图的方法。ELZBIETA 等[12]研究了粉煤灰的添加量对混凝土耐磨性的影响，结果表明：混凝土中含有30%流动粉煤灰时耐磨性能最好，这主要是液态粉煤灰自身所具备的凝硬性导致的。

3 润滑磨损的研究

润滑磨损一直是众多研究学者重点关注的话题，尤其是在企业中从事科研工作的人员。适度的润滑条件可以在很大程度上改善材料的磨损情况，从而降低材料损耗，提高机械的稳定性和工作效率，提升总体经济效益。除此之外，润滑磨损的研究成果还可以为企业带来极高的经济效益[13-15]。

GUO 等[16]使用不同质量分数的愈创木酚获得了用于船舶推进系统水润滑管轴承的仿生材料，然后分别对得到的仿生材料进行摩擦性能分析，结果表明：含有0.5%浓度愈创木酚的仿生材料磨损性能最好。李佳佳等[17]研究了球磨时间对Cu-WS2自润滑复合材料界面状态的影响，结果表明：球磨时间的延长会增强WS2在基体中的弥散程度和力学性能，并且还能使摩擦磨损性能也能维持在较高的水平。但当球磨时间超过30 h 时，会使界面反应加剧，从而使WS2分解为Cu2S，这种情况大大减弱了WS2的润滑减摩性能，同时还会使复合材料的摩擦磨损性能降低。

4 生物摩擦学的研究

在我们的常规认知中，一般认为摩擦磨损是研究材料中或者机构中的磨损，往往会忽略生物摩擦这个方面的因素。其实生物与环境之间也存在着大量的摩擦现象，如人体器官、组织、皮肤等方面的摩擦，这方面的研究对于人身健康有着非常重要的意义[18-23]。

CHEN S[24]等通过进行指尖皮肤摩擦对触觉感知的试验研究，测试了指尖表面特性的触觉刺激，同时记录分析了指尖摩擦刺激后大脑的反应信号，结果表明：表面纹理的触感受摩擦系数控制，表面纹理的尺寸会影响触觉感知。此研究有助于深入了解指尖的触觉感知机制，并为智能机器人手指建立仿生模型。徐敬忠等[25]为了减缓植入体与人体骨骼组织间出现体液缺失时引发的肿胀、发炎等症状，研究了生物医用孔隙结构在干摩擦下的磨损行为，结果表明：孔隙结构与人体原生骨组织越接近其耐磨性能越优。此研究对实际医学应用有着重要意义。

5 高分子及高分子基复合材料的研究

随着科技的高速发展，新型材料层出不穷，高分子及高分子基复合材料以其独特的结构本质以及优越的力学特性在材料领域得到了广泛的应用，但其磨损机理有异于传统的金属材料。

SUKUMARAN 等[26]研究了在高载条件下9 种不同非晶态和半晶态聚合物的摩擦学行为，结果表明：半晶态高分子材料相比非晶态高分子材料的摩擦学特性更优。此试验说明了重载条件下对聚合物大规模测试的磨损机理和相应摩擦学特性的差异。刘明等[27]采用100Cr6 球形压头系统对聚碳酸酯划痕性能进行了研究，结果表明：多程单向滑动磨损测试中，残余划痕宽度、摩擦系数、压入深度和残余深度会随划痕次数的增加而增加，但残余划痕硬度会降低；另外，压入深度和残余深度达到稳定的划痕次数后会随法向载荷的增加而减小。

6 发展与展望

摩擦学是一门典型的重点交叉学科，涉及内容广泛，如数学、物理学、材料科学、化学、力学等多门学科。近年来，摩擦学的研究方向一直在稳定迅速发展，摩擦磨损的研究也越来越深入，但是还存在一些缺点，如在生物摩擦学领域的研究相对较少、理论研究较多、实际运用较少等。摩擦学研究在要求试验过程严谨、试验结果精确的同时，也应该深入分析、总结试验过程中的摩擦学机理，尽可能做到理论联系实际。针对目前摩擦学的研究和总结，提出以下几点有关摩擦学研究的建议及意见：

（1）在生物摩擦学方向有关人体皮肤和触觉感知等方面的研究可能是今后生物摩擦学的研究重点，此方向的研究对于机械手、仿真手臂有着重要意义。

（2）应在传统摩擦学研究方面积极开辟新的研究方向和内容，如目前在研究摘锭磨损失效方面做的最多的研究是建立摘锭的试验模型，而且还可以加强多尺度模拟[7]的研究，并运用有限元法来分析摘锭在与棉花脱离过程中的应力、应变分布规律[3]，或将分子动力学与有限元方法结合起来，更精确地分析摩擦磨损的内在机理。

（3）大量建立有关摩擦学方向的模型，从而更深入地探讨和揭示摩擦机理，以便于在实际应用中起到理论支持。

7 结语

本文综述了各领域中重点材料的摩擦磨损研究，分析了相关研究所取得的成果，并展望了摩擦学未来的发展方向，相关人员在今后的研究过程中，应更全面地研究有关摩擦磨损方面的内容，从而为今后摩擦磨损研究提供有效的理论依据。