综合报告 滑添加剂的润滑机理。雒建斌团队发现单层Mos2添加在润滑油中,可以大幅提高摩擦 副的抗挤压能力,并成数量级地降低磨损率。 是新型半固体润滑剂:①导电润滑脂:随着现代工业的发展,过去很长一段时期沿 用的蓖麻油加二硫化钼作为导电用脂已经无法满足工业发展的要求,亟待发展一种新的导 电润滑脂。王立平等人以咪唑类离子液体为基础油,聚四氟乙烯为稠化剂制备了新型的导 电润滑脂。与添加贵金属的导电润滑脂相比,离子液体润滑脂的电导率均匀稳定。并且离 子液体润滑脂具有较低的摩擦系数和较高的承载能力[s3。②凝胶润滑剂:刘维民等人 制备了离子液体凝胶润滑剂和润滑油凝胶润滑剂,其除了具有较好的抗腐蚀和抗氧化性能 外,还具有优异的摩擦学性能。重要的是,这种类型的润滑材料,具备很好的热可逆 性及触变性能,在达到一定的温度或者剪切作用的影响下,能够迅速地从凝胶态转变为液 态,当外力作用消失或者温度降低后,又能够快速地变为凝胶态。通过这种方式,就能够 有效地解决润滑油的爬移、蒸发损失或者泄露等缺陷,同时在一些特定的条件下,也能够 作为润滑脂的替代品。 第二,固体润滑。 是固体自润滑复合材料:聚合物基复合材料已经成为重要的固体润滑材料,相关 研究主要集中在对聚合物材料进行物理化学改性和纳米、微米填料改性以提高复合材料的 摩擦、磨损性能和力学性能s。金属基高温自润滑材料是以高强度、耐高温的金属(或 合金)为基体,以高温固体润滑剂为添加相;或者以不同的金属组成合金并进行调整和优 化,使合金在摩擦过程中发生反应形成具有减摩抗磨作用的氧化物或无机含氧酸盐润滑 膜。虽然金属材料和金属间化合物通过添加髙温润滑相可以获得较好的髙温摩擦学性能 但高温下长时间使用其自身的强度会明显降低且耐热性变差,严重限制了应用。陶瓷材料 因高温强度高、高硬度、耐磨及抗化学腐蚀等优异性能而受到普遍关注,并已在很多工业 领域获得日益广泛的应用。 我国科研人员努力探索硏制出的一些新型聚合物密封材料和部件,其性能已达到或接 近国外同等材料的技术水平,在我国新型发动机的研制任务中起到了保障作用。例如中国 科学院兰州化学物理研究所王齐华课题组成功地将基于热固性聚酰亚胺和聚四氟乙烯纤维 织物自润滑复合材料分别应用于发动机耐高温组合式蓄能密封圈和高速塑料动密封组件, 并在聚合物自润滑材料的摩擦学基础研究领域积累了初步的研究经验和数据(s。航空航 天、国防及其他高端装备领域的发展对髙温耐磨材料和自润滑技术提岀越来越髙的要求, 近年许多国家致力于发展高能效和高推重比的先进战机。材料对于温度通常最敏感,高温 时材料的很多性能都将变化,解决高温下材料的磨损问题具有极大的挑战,目前中国科学 院兰州化学物理研究所杨军等人发展了一种在宽温域(室温到1000℃)范围内均具有优 异摩擦学性能的高温自润滑材料,并对材料的设计、制备、组织结构、力学与摩擦学性能 进行研究以及相关的应用开发;探索了相关摩擦学和材料学的基础科学冋题,解决高温使 役条件下的润滑及抗磨损问题,发展先进的耐高温润滑抗磨损材料与技术;所研制的材料
综 合 报 告 13 滑添加剂的润滑机理［50］。雒建斌团队发现单层 MoS2 添加在润滑油中，可以大幅提高摩擦 副的抗挤压能力，并成数量级地降低磨损率［51］。 三是新型半固体润滑剂：①导电润滑脂：随着现代工业的发展，过去很长一段时期沿 用的蓖麻油加二硫化钼作为导电用脂已经无法满足工业发展的要求，亟待发展一种新的导 电润滑脂。王立平等人以咪唑类离子液体为基础油，聚四氟乙烯为稠化剂制备了新型的导 电润滑脂。与添加贵金属的导电润滑脂相比，离子液体润滑脂的电导率均匀稳定。并且离 子液体润滑脂具有较低的摩擦系数和较高的承载能力［52，53］。②凝胶润滑剂：刘维民等人 制备了离子液体凝胶润滑剂和润滑油凝胶润滑剂，其除了具有较好的抗腐蚀和抗氧化性能 外，还具有优异的摩擦学性能［54］。重要的是，这种类型的润滑材料，具备很好的热可逆 性及触变性能，在达到一定的温度或者剪切作用的影响下，能够迅速地从凝胶态转变为液 态，当外力作用消失或者温度降低后，又能够快速地变为凝胶态。通过这种方式，就能够 有效地解决润滑油的爬移、蒸发损失或者泄露等缺陷，同时在一些特定的条件下，也能够 作为润滑脂的替代品。 第二，固体润滑。 一是固体自润滑复合材料：聚合物基复合材料已经成为重要的固体润滑材料，相关 研究主要集中在对聚合物材料进行物理化学改性和纳米、微米填料改性以提高复合材料的 摩擦、磨损性能和力学性能［55］。金属基高温自润滑材料是以高强度、耐高温的金属（或 合金）为基体，以高温固体润滑剂为添加相；或者以不同的金属组成合金并进行调整和优 化，使合金在摩擦过程中发生反应形成具有减摩抗磨作用的氧化物或无机含氧酸盐润滑 膜。虽然金属材料和金属间化合物通过添加高温润滑相可以获得较好的高温摩擦学性能， 但高温下长时间使用其自身的强度会明显降低且耐热性变差，严重限制了应用。陶瓷材料 因高温强度高、高硬度、耐磨及抗化学腐蚀等优异性能而受到普遍关注，并已在很多工业 领域获得日益广泛的应用。 我国科研人员努力探索研制出的一些新型聚合物密封材料和部件，其性能已达到或接 近国外同等材料的技术水平，在我国新型发动机的研制任务中起到了保障作用。例如中国 科学院兰州化学物理研究所王齐华课题组成功地将基于热固性聚酰亚胺和聚四氟乙烯纤维 织物自润滑复合材料分别应用于发动机耐高温组合式蓄能密封圈和高速塑料动密封组件， 并在聚合物自润滑材料的摩擦学基础研究领域积累了初步的研究经验和数据［56］。航空航 天、国防及其他高端装备领域的发展对高温耐磨材料和自润滑技术提出越来越高的要求， 近年许多国家致力于发展高能效和高推重比的先进战机。材料对于温度通常最敏感，高温 时材料的很多性能都将变化，解决高温下材料的磨损问题具有极大的挑战，目前中国科学 院兰州化学物理研究所杨军等人发展了一种在宽温域（室温到 1000℃）范围内均具有优 异摩擦学性能的高温自润滑材料，并对材料的设计、制备、组织结构、力学与摩擦学性能 进行研究以及相关的应用开发；探索了相关摩擦学和材料学的基础科学问题，解决高温使 役条件下的润滑及抗磨损问题，发展先进的耐高温润滑抗磨损材料与技术；所研制的材料
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 在先进军用发动机和轨道交通领域已经开始应用s 是固体润滑涂层:通过在涂层中掺杂其他元素形成纳米复合结构,从而优化涂层综 合性能,显著提髙耐磨寿命。例如锆、铪、钒、铌、铬、钼、钨、钛、铝和硅等元素已掺 杂到CN膜中,从而增强综合性能。一些多组分涂层,例如T-B-N、Ti-Si-C-N、Ti-Al- B-N和(Ti-A1-Cr-Si-V)、N,不但具有较高的硬度和强度,还具有耐磨、耐蚀、耐氧化 和高的热稳定「s}。邵天敏团队为了进一步提高涂层的硬度、韧性、耐腐蚀、耐磨损和减 摩抗磨性能等,发展了多层涂层并结合软、硬材料的优点,例如 TIN/CrN和 TiAICrN/TiA- IYN超光滑涂层具有很好的抗磨性能s)。 DLC薄膜在汽车工业、机械、电子、生物等领域有着十分诱人的应用前景。但是在其 研究过程中也存在一些问题,内应力高、膜基结合弱;韧性低、脆性强以及热稳定性差 摩擦学行为受环境影响很大,这些冋题仍然是制约着其可靠性和寿命的关键瓶颈。为了解 决这些问题,类金刚石碳基薄膜的硏究向着纳米化、多元组分、梯度多层、超晶格、微/ 纳织构化、多相复合以及自适应智能化等方向发展。这些方面的研究工作丰富和拓展 了非晶碳薄膜研究和应用领域。 第三,固-液复合润滑。 固-液复合润滑体系利用表面涂覆、聚合和组装等方法将液体润滑油及对应脂复合在 固体润滑薄膜表面,形成固体-油/脂复合润滑薄膜材料,既能保持固体润滑挥发低、承 载能力髙、耐腐蚀等优点,也能突显液体润滑剂自我修补性强、机械噪声小、对环境因素不 敏感等特色,能够克服单一固体润滑或液体润滑各自的局限性,并使两者实现优势互补,从 而大幅度提高摩擦副的减摩和耐磨性能,延长其使用寿命{。·。基于空间环境的特殊性要 求所采用的润滑材料与技术具有高可靠性和超长寿命,目前所采用的各种润滑技术方案仍 难以满足高效率、长寿命、高可靠性的空间技术的发展要求,国内也初步开展模拟空间环 境固-液复合润滑薄膜材料研究 63.64 (4)新型润滑表面设计 研究表明,在材料表面制备一定的微织构可显著改善其摩擦磨损性能,在低速、高 载条件下有助于从边界润滑向流体润滑的转变。与未织构化的表面相比,在边界润滑条件 下微织构化的表面也具有更低的摩擦系数。并且微坑或微槽的形貌(例如大小、深度、方 向、密度等)对材料的摩擦学性能有很大的影响6。研究发现其中宽、深坑状织构在滑 动和旋转摩擦的条件下,有利于减摩抗磨的。表面织构技术在提高轴承承载能力、降低 摩擦、减小磨粒磨损、延长工件的使用寿命等方面表现出了很大的潜力,并已经成功应用 于密封环和推力轴承等实际零部件中,以提高其承载能力和抗卡咬能力。 4.摩擦学测试技术 现代科学的发展历程表明,科学仪器的创新既是科技创新的组成部分,也是推动科技 创新的重要支撑。近年来,我国摩擦学研究领域中测试技术与裝备主要在润滑薄膜厚度检 测以及摩擦和磨损实验设备等方面取得了一些重要进展
14 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 在先进军用发动机和轨道交通领域已经开始应用［57］。 二是固体润滑涂层：通过在涂层中掺杂其他元素形成纳米复合结构，从而优化涂层综 合性能，显著提高耐磨寿命。例如锆、铪、钒、铌、铬、钼、钨、钛、铝和硅等元素已掺 杂到 CNx 膜中，从而增强综合性能。一些多组分涂层，例如 Ti-B-N、Ti-Si-C-N、Ti-AlB-N 和（Ti-Al-Cr-Si-V）xNy，不但具有较高的硬度和强度，还具有耐磨、耐蚀、耐氧化 和高的热稳定［58］。邵天敏团队为了进一步提高涂层的硬度、韧性、耐腐蚀、耐磨损和减 摩抗磨性能等，发展了多层涂层并结合软、硬材料的优点，例如 TiN/CrN 和 TiAlCrN/TiAlYN 超光滑涂层具有很好的抗磨性能［59］。 DLC 薄膜在汽车工业、机械、电子、生物等领域有着十分诱人的应用前景。但是在其 研究过程中也存在一些问题，内应力高、膜基结合弱；韧性低、脆性强以及热稳定性差， 摩擦学行为受环境影响很大，这些问题仍然是制约着其可靠性和寿命的关键瓶颈。为了解 决这些问题，类金刚石碳基薄膜的研究向着纳米化、多元组分、梯度多层、超晶格、微 / 纳织构化、多相复合以及自适应智能化等方向发展［60］。这些方面的研究工作丰富和拓展 了非晶碳薄膜研究和应用领域。 第三，固 - 液复合润滑。 固 - 液复合润滑体系利用表面涂覆、聚合和组装等方法将液体润滑油及对应脂复合在 固体润滑薄膜表面，形成固体 - 油 / 脂复合润滑薄膜材料，既能保持固体润滑挥发低、承 载能力高、耐腐蚀等优点，也能突显液体润滑剂自我修补性强、机械噪声小、对环境因素不 敏感等特色，能够克服单一固体润滑或液体润滑各自的局限性，并使两者实现优势互补，从 而大幅度提高摩擦副的减摩和耐磨性能，延长其使用寿命 ［61，62］。基于空间环境的特殊性要 求所采用的润滑材料与技术具有高可靠性和超长寿命，目前所采用的各种润滑技术方案仍 难以满足高效率、长寿命、高可靠性的空间技术的发展要求，国内也初步开展模拟空间环 境固 - 液复合润滑薄膜材料研究［63，64］。 （4）新型润滑表面设计 研究表明，在材料表面制备一定的微织构可显著改善其摩擦磨损性能，在低速、高 载条件下有助于从边界润滑向流体润滑的转变。与未织构化的表面相比，在边界润滑条件 下微织构化的表面也具有更低的摩擦系数。并且微坑或微槽的形貌（例如大小、深度、方 向、密度等）对材料的摩擦学性能有很大的影响［65］。研究发现其中宽、深坑状织构在滑 动和旋转摩擦的条件下，有利于减摩抗磨［66］。表面织构技术在提高轴承承载能力、降低 摩擦、减小磨粒磨损、延长工件的使用寿命等方面表现出了很大的潜力，并已经成功应用 于密封环和推力轴承等实际零部件中，以提高其承载能力和抗卡咬能力。 4. 摩擦学测试技术 现代科学的发展历程表明，科学仪器的创新既是科技创新的组成部分，也是推动科技 创新的重要支撑。近年来，我国摩擦学研究领域中测试技术与装备主要在润滑薄膜厚度检 测以及摩擦和磨损实验设备等方面取得了一些重要进展
综合报告 (1)纳米级润滑油膜测试设备 许多低速、重载、高温和低黏度润滑介质的杋械设备以及许多髙超精密机械的摩擦副 常处于几到几十纳米厚的润滑状态下工作。对这种状态下润滑膜特性的研究,需要高分辨 率的测试方法。过去人们常用光干涉法,由于分辨率比较低(100mm)而淘汰。近20年 基本上由三种典型的测量方法主导,即垫层白光干涉法(英国帝国理工 Spikes小组)、光 干涉相对光强法(雒建斌、黄平、温诗铸等)和三束光干涉法(捷克Harl)。其中,清华 大学雒建斌小组近期开发出高速摩擦润滑测试系统,可实现最高线速度100m/s下的摩擦 力测试(摩擦系数分辨率:0002)以及最高线速度42m下的润滑膜厚精确测量6;将 拉曼光谱技术和膜厚测试仪相结合,利用偏振拉曼光谱峰强随激光偏振态变化的规律可以 实现接触区润滑膜分子排列的在线观测6 (2)极端工况摩擦磨损实验设备 材料表面及薄膜性能检测设备的多功能化、智能化、小型化、集成化以及高稳定性和 高可靠性,也是现代分析测试技术发展的必然趋势。因此,市场及研究机构不断研发各种 表面性能检测设备,特别是极端条件下的摩擦磨损设备:超髙温(1000℃C以上)摩擦磨损 试验仪、超低温(-l60℃以下)摩擦试验仪、超髙真空(优于10-Pa)摩擦磨损试验仪」 超高压摩擦磨损试验仪、重载摩擦磨损试验仪、苛刻环境(盐雾、沙尘、酸腐蚀、泥浆 空蚀、冲蚀、噪声等恶劣环境)摩擦测试仪器 兰州华汇仪器科技有限公司结合中国科学院固体润滑国家重点实验室、清华大学摩 擦学国家重点实验室在摩擦学领域的先进测量技术,研发了多种试验设备和极端条件下的 检测设备。其中,MFI-4000多功能材料表面性能试验仪实现了在一台仪器上对材料表面 硬度检测、结合力检测、摩擦性能和耐磨强度检测、粗糙度检测、弹性模量检测、厚度检 测等多项机械性能的检测;MFI-R4000高速往复摩擦磨损试验仪针对材料表面及薄膜在 不同载荷、不同频率、不同温度及不同气氛下高速往复运动形式的摩擦性能和耐磨强度进 行定量评价;Ms-T3000摩擦磨损试验仪对超滑材料(摩擦系数:0.001量级以下)的摩 擦学性能和耐磨强度进行评价;MFT-EC4000电化学腐蚀摩擦磨损试验仪主要针对腐蚀摩 擦机理研究,从纳米、微观和宏观尺度上的多重测试,并且对表面处理材料、润滑材料及 添加剂的选择进行定量评价。此外,还研制了TCU-VS6000高真空(超低温)沙尘摩擦磨 损试验仪、rCT-4000超低温摩擦磨损试验仪、SFT-4000超高真空摩擦磨损试验仪、MS- w6000重载髙温摩擦磨损试验机等。 (3)微动磨损与疲劳测试技术 微动的特点是由于外界的交变载荷在紧配合界面上导致微幅的相对运动。微动现象广 泛存在于现代工业的各个领域,但不同部件由于相对运动模式不同,其微动损伤行为也表 现出明显不同的形式。由于微幅相对运动难以精确控制,通常微动磨损与疲劳的研究局限 于切向微动磨损和拉压微动疲劳。 西南交通大学朱旻昊等人在微动运行模式的研究上取得了突破,先后实现了径向微动
综 合 报 告 15 （1）纳米级润滑油膜测试设备 许多低速、重载、高温和低黏度润滑介质的机械设备以及许多高超精密机械的摩擦副 常处于几到几十纳米厚的润滑状态下工作。对这种状态下润滑膜特性的研究，需要高分辨 率的测试方法。过去人们常用光干涉法，由于分辨率比较低（100 nm）而淘汰。近 20 年 基本上由三种典型的测量方法主导，即垫层白光干涉法（英国帝国理工 Spikes 小组）、光 干涉相对光强法（雒建斌、黄平、温诗铸等）和三束光干涉法（捷克 Hartl）。其中，清华 大学雒建斌小组近期开发出高速摩擦润滑测试系统，可实现最高线速度 100 m/s 下的摩擦 力测试（摩擦系数分辨率：0.002）以及最高线速度 42 m/s 下的润滑膜厚精确测量［67］；将 拉曼光谱技术和膜厚测试仪相结合，利用偏振拉曼光谱峰强随激光偏振态变化的规律可以 实现接触区润滑膜分子排列的在线观测［68］。 （2）极端工况摩擦磨损实验设备 材料表面及薄膜性能检测设备的多功能化、智能化、小型化、集成化以及高稳定性和 高可靠性，也是现代分析测试技术发展的必然趋势。因此，市场及研究机构不断研发各种 表面性能检测设备，特别是极端条件下的摩擦磨损设备：超高温（1000℃以上）摩擦磨损 试验仪、超低温（-160℃以下）摩擦试验仪、超高真空（优于 10-7Pa）摩擦磨损试验仪、 超高压摩擦磨损试验仪、重载摩擦磨损试验仪、苛刻环境（盐雾、沙尘、酸腐蚀、泥浆、 空蚀、冲蚀、噪声等恶劣环境）摩擦测试仪器。 兰州华汇仪器科技有限公司结合中国科学院固体润滑国家重点实验室、清华大学摩 擦学国家重点实验室在摩擦学领域的先进测量技术，研发了多种试验设备和极端条件下的 检测设备。其中，MFT-4000 多功能材料表面性能试验仪实现了在一台仪器上对材料表面 硬度检测、结合力检测、摩擦性能和耐磨强度检测、粗糙度检测、弹性模量检测、厚度检 测等多项机械性能的检测；MFT-R4000 高速往复摩擦磨损试验仪针对材料表面及薄膜在 不同载荷、不同频率、不同温度及不同气氛下高速往复运动形式的摩擦性能和耐磨强度进 行定量评价；MS-T3000 摩擦磨损试验仪对超滑材料（摩擦系数：0.001 量级以下）的摩 擦学性能和耐磨强度进行评价；MFT-EC4000 电化学腐蚀摩擦磨损试验仪主要针对腐蚀摩 擦机理研究，从纳米、微观和宏观尺度上的多重测试，并且对表面处理材料、润滑材料及 添加剂的选择进行定量评价。此外，还研制了 TCU-VS6000 高真空（超低温）沙尘摩擦磨 损试验仪、FCT-4000 超低温摩擦磨损试验仪、SFT-4000 超高真空摩擦磨损试验仪、MSW6000 重载高温摩擦磨损试验机等。 （3）微动磨损与疲劳测试技术 微动的特点是由于外界的交变载荷在紧配合界面上导致微幅的相对运动。微动现象广 泛存在于现代工业的各个领域，但不同部件由于相对运动模式不同，其微动损伤行为也表 现出明显不同的形式。由于微幅相对运动难以精确控制，通常微动磨损与疲劳的研究局限 于切向微动磨损和拉压微动疲劳。 西南交通大学朱旻昊等人在微动运行模式的研究上取得了突破，先后实现了径向微动
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 磨损和切向与径向耦合的复合微动磨损、扭动和转动微动磨损、扭转复合微动磨损,与光 学显微观察系统结合可进行透明材料的微动磨损界面的实时原位观察,与振动和噪声 检测技术结合可进行微动磨损接触界面摩擦振动噪声的监控[。在微动疲劳试验手段方 面,实现了扭转复合微动疲劳和弯曲微动疲劳的研究,针对高速列车轮轴的复杂微动疲劳 损伤研制了轮轴旋转弯曲微动疲劳比例试验台,研究揭示了轮轴微动疲劳失效机理m。 (二)工业摩擦学 1.制造领城摩擦学 制造过程伴随着大量的机械运动和材料形变,也带来了大量的摩擦学问题。制造技术 向“精密、高效、智能、复合、绿色”等方向快速发展,与之相关的摩擦学基础理论和应 用技术也取得了重要进展[n (1)新型加工制造冷却润滑方案 在现代制造业中,材料冷热加工工艺向更高速度、更高效率和更高精度等方向不断发 展,超高速切削的速度已超过1500m/min,超精切削的厚度小于可见光波长,复合塑性成 形工艺将数道工序同步执行。一方面传统润滑剂的性能不能满足使用要求,另一方面很多 有机化合物润滑剂还会对环境造成污染。面向材料加工工艺的新型绿色高效润滑方法和润 滑材料获得了快速发展 第一,机械加工刀具表面处理技术。为实现刀具的延寿和高可靠性、高效率加工,一 般通过表面涂层、表面改性或表面织构化技术对刀具表面进行处理。 针对刀具涂层的研究主要集中于涂层材料、镀覆工艺和涂层结构设计。刀具涂层不仅 要具备优良的摩擦学性能,还必须与刀具基体材料的弹性模量、热膨胀系数和化学性能匹 配,并适应刀具运行工况。根据刀具涂层的性质可分为两类:一类是以增强耐磨性为主的 硬质涂层,如TC、TiN以及AlO3等硬涂层;另一类是以减轻摩擦为主的“软质”涂层, 如MoS2、WS2、TaS2、 Mos MMo、MoS/i以及WS2W等自润滑涂层。相关研究主要集中于 涂层结构的多层化、梯度化和纳米化设计,研究发现通过添加适当的黏结底层可增加涂层 与基体的结合强度,通过不同调质波长的多层涂层可提高涂层硬度和韧性,通过不同成分 过渡和梯度设计可获得承载能力、耐磨性、自润滑性和热稳定性俱佳的复合功能涂层I3。 表面织构的摩擦学应用是近年的一个研究热点,通过在刀具表面设计和加工特定的微结 构图案,可改善刀具的摩擦状态,提高其导热、排屑性能。相关研究主要集中于刀具表面织 构类型、分布和密度对刀具切削性能的影响,表面织构与传统润滑剂的协同复合效应等。 第二,准干式切削技术。准干式切削是在保持切削工作最佳状态的同时,使切削液的 用量最少,主要包括雾化润滑切削技术和微量润滑切削技术。 雾化冷却润滑技术采用雾滴汽化方法对切削区进行冷却润滑。雾化的切削液滴快速渗 透到加工面上,液滴吸收切削区的摩擦热并挥发脱水,而润滑剂的有效成分则滞留在工作 区并持续地发挥润滑作用,从而提高工件表面质量和切削效率
16 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 磨损和切向与径向耦合的复合微动磨损、扭动和转动微动磨损、扭转复合微动磨损，与光 学显微观察系统结合可进行透明材料的微动磨损界面的实时原位观察［69］，与振动和噪声 检测技术结合可进行微动磨损接触界面摩擦振动噪声的监控［70］。在微动疲劳试验手段方 面，实现了扭转复合微动疲劳和弯曲微动疲劳的研究，针对高速列车轮轴的复杂微动疲劳 损伤研制了轮轴旋转弯曲微动疲劳比例试验台，研究揭示了轮轴微动疲劳失效机理［71］。 （二）工业摩擦学 1. 制造领域摩擦学 制造过程伴随着大量的机械运动和材料形变，也带来了大量的摩擦学问题。制造技术 向“精密、高效、智能、复合、绿色”等方向快速发展，与之相关的摩擦学基础理论和应 用技术也取得了重要进展［72］。 （1）新型加工制造冷却润滑方案 在现代制造业中，材料冷热加工工艺向更高速度、更高效率和更高精度等方向不断发 展，超高速切削的速度已超过 1500m/min，超精切削的厚度小于可见光波长，复合塑性成 形工艺将数道工序同步执行。一方面传统润滑剂的性能不能满足使用要求，另一方面很多 有机化合物润滑剂还会对环境造成污染。面向材料加工工艺的新型绿色高效润滑方法和润 滑材料获得了快速发展。 第一，机械加工刀具表面处理技术。为实现刀具的延寿和高可靠性、高效率加工，一 般通过表面涂层、表面改性或表面织构化技术对刀具表面进行处理。 针对刀具涂层的研究主要集中于涂层材料、镀覆工艺和涂层结构设计。刀具涂层不仅 要具备优良的摩擦学性能，还必须与刀具基体材料的弹性模量、热膨胀系数和化学性能匹 配，并适应刀具运行工况。根据刀具涂层的性质可分为两类：一类是以增强耐磨性为主的 硬质涂层，如 TiC、TiN 以及 Al2O3 等硬涂层；另一类是以减轻摩擦为主的“软质”涂层， 如 MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、MoS2/Ti 以及 WS2/W 等自润滑涂层。相关研究主要集中于 涂层结构的多层化、梯度化和纳米化设计，研究发现通过添加适当的黏结底层可增加涂层 与基体的结合强度，通过不同调质波长的多层涂层可提高涂层硬度和韧性，通过不同成分 过渡和梯度设计可获得承载能力、耐磨性、自润滑性和热稳定性俱佳的复合功能涂层［73］。 表面织构的摩擦学应用是近年的一个研究热点，通过在刀具表面设计和加工特定的微结 构图案，可改善刀具的摩擦状态，提高其导热、排屑性能。相关研究主要集中于刀具表面织 构类型、分布和密度对刀具切削性能的影响，表面织构与传统润滑剂的协同复合效应等。 第二，准干式切削技术。准干式切削是在保持切削工作最佳状态的同时，使切削液的 用量最少，主要包括雾化润滑切削技术和微量润滑切削技术。 雾化冷却润滑技术采用雾滴汽化方法对切削区进行冷却润滑。雾化的切削液滴快速渗 透到加工面上，液滴吸收切削区的摩擦热并挥发脱水，而润滑剂的有效成分则滞留在工作 区并持续地发挥润滑作用，从而提高工件表面质量和切削效率
综合报告 微量润滑是将压缩空气与少量润滑液混合汽化后喷射到加工区实现有效润滑的技术。 微量润滑技术切削加工过程中,在刀具与切屑的接触界面会形成防护性气膜,并避免了传 统浇注式润滑对刀刃的淬火脆化效应,可明显延长刀具寿命。在微量润滑磨削加工中,高 速喷射的雾化润滑剂可突破砂轮回转表面的气障层保证接触点的可靠润滑,并可减少流体 动压效应对磨削精度的影响。 当前的研究主要集中于微量润滑切削的润滑机理,微量润滑下摩擦热、摩擦力的变 化,润滑剂施加方式,微量润滑对工件表面完整性的影响等基础科学问题。 第三,水蒸气冷却润滑技术。水蒸气冷却润滑技术已成为难切削材料加工过程的重要 润滑方法。机械加工过程中冷却润滑剂必须进入刀-屑接触区才能发挥作用,在加工难切 削材料时,切削力大、切削温度高、刀-屑间毛细管尺寸小、存在时间短。相比于乳化液 的水包油结构,黏性阻力小的气态水分子更容易扩散进入刀-屑间的微间隙中并快速形成 吸附润滑膜,从而减小切削变形和切削力。水蒸气快速挥发时还可吸收带走大量摩擦热, 降低切削温度。此外,水蒸气无任何污染、不用回收 第四,新型环保切削液。随着环境污染问题日益严重,“绿色制造”受到了全球重视。 低能耗、低成本、低公害的水基切削液及其添加剂获得了快速发展,占据了约80%的市 场份额。水基切削液可分为可溶油(乳化型切削液)、半合成液(微乳型切割液)及全合 成液三类。其中可溶性乳化切削液的润滑性、冷却性较好,腐蚀性小,成本较低,但其属 于亚稳体系,寿命较短、维护困难,常用于粗、中精度加工;合成液的冷却性、防腐性和 维护性好,但润滑性、润湿性差,一般用于对冷却要求较高的粗磨或半精磨加工。微乳化 液兼有乳化液和合成液两者的优点,使用寿命约为乳化液的5倍,应用最为广泛。 (2)超精表面制造技术 超精表面制造是微纳制造领域的重要研究方向。在硬盘盘片-磁头、超大规模集 成电路、光学器件等制造工艺中,常常要求器件具备原子级的光滑表面。超光滑表面加工 作为超精表面制造的一个重要组成部分,正日益受到人们的重视。超光滑表面加工大多通 过CMP实现。在CMP工艺中,主要研究热点包括抛光液中的活性成分、纳米颗粒和被加 工表面在纳米间隙下的相互作用、抛光液流场及压力分布、表面化学反应与机械去除的协 同作用机理等m。 国外研究表明,通过非磁性磨料在新型复合磁性流体的浮力作用下对旋转的工件表面 进行抛光可以获得亚纳米级光滑表面,抛光过程中磨削力可以被精确控制。国内有研究者 采用浴法抛光技术和纳米柔性刷抛光技术对石英和金属Cu进行抛光,都成功获得了纳米 级的超光滑表面。清华大学路新春等研制的超低压力化学机械抛光系统成功实现了Cu和 阻挡层材料( Ta/TaN,Ru和Co)的高效、均匀抛光,研制的工业应用装备主要技术指标 已达国际先进水平。 (3)3D打印再制造成形的摩擦学应用 3D打印再制造的技术途径为:通过3D体视扫描技术获取再制造毛坯的轮廓参数,并
综 合 报 告 17 微量润滑是将压缩空气与少量润滑液混合汽化后喷射到加工区实现有效润滑的技术。 微量润滑技术切削加工过程中，在刀具与切屑的接触界面会形成防护性气膜，并避免了传 统浇注式润滑对刀刃的淬火脆化效应，可明显延长刀具寿命。在微量润滑磨削加工中，高 速喷射的雾化润滑剂可突破砂轮回转表面的气障层保证接触点的可靠润滑，并可减少流体 动压效应对磨削精度的影响。 当前的研究主要集中于微量润滑切削的润滑机理，微量润滑下摩擦热、摩擦力的变 化，润滑剂施加方式，微量润滑对工件表面完整性的影响等基础科学问题［74］。 第三，水蒸气冷却润滑技术。水蒸气冷却润滑技术已成为难切削材料加工过程的重要 润滑方法。机械加工过程中冷却润滑剂必须进入刀 - 屑接触区才能发挥作用，在加工难切 削材料时，切削力大、切削温度高、刀 - 屑间毛细管尺寸小、存在时间短。相比于乳化液 的水包油结构，黏性阻力小的气态水分子更容易扩散进入刀 - 屑间的微间隙中并快速形成 吸附润滑膜，从而减小切削变形和切削力。水蒸气快速挥发时还可吸收带走大量摩擦热， 降低切削温度。此外，水蒸气无任何污染、不用回收。 第四，新型环保切削液。随着环境污染问题日益严重，“绿色制造”受到了全球重视。 低能耗、低成本、低公害的水基切削液及其添加剂获得了快速发展，占据了约 80% 的市 场份额。水基切削液可分为可溶油（乳化型切削液）、半合成液（微乳型切割液）及全合 成液三类。其中可溶性乳化切削液的润滑性、冷却性较好，腐蚀性小，成本较低，但其属 于亚稳体系，寿命较短、维护困难，常用于粗、中精度加工；合成液的冷却性、防腐性和 维护性好，但润滑性、润湿性差，一般用于对冷却要求较高的粗磨或半精磨加工。微乳化 液兼有乳化液和合成液两者的优点，使用寿命约为乳化液的 5 倍，应用最为广泛［75］。 （2）超精表面制造技术 超精表面制造是微纳制造领域的重要研究方向［76］。在硬盘盘片 - 磁头、超大规模集 成电路、光学器件等制造工艺中，常常要求器件具备原子级的光滑表面。超光滑表面加工 作为超精表面制造的一个重要组成部分，正日益受到人们的重视。超光滑表面加工大多通 过 CMP 实现。在 CMP 工艺中，主要研究热点包括抛光液中的活性成分、纳米颗粒和被加 工表面在纳米间隙下的相互作用、抛光液流场及压力分布、表面化学反应与机械去除的协 同作用机理等［77］。 国外研究表明，通过非磁性磨料在新型复合磁性流体的浮力作用下对旋转的工件表面 进行抛光可以获得亚纳米级光滑表面，抛光过程中磨削力可以被精确控制。国内有研究者 采用浴法抛光技术和纳米柔性刷抛光技术对石英和金属 Cu 进行抛光，都成功获得了纳米 级的超光滑表面。清华大学路新春等研制的超低压力化学机械抛光系统成功实现了 Cu 和 阻挡层材料（Ta/TaN，Ru 和 Co）的高效、均匀抛光，研制的工业应用装备主要技术指标 已达国际先进水平。 （3）3D 打印再制造成形的摩擦学应用 3D 打印再制造的技术途径为：通过 3D 体视扫描技术获取再制造毛坯的轮廓参数，并