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中国摩擦学研究和应用的重要进展

点击次数:2311 发布时间:2016-02-29


机械是人类生产和生活的基本要素之一,机械工程在整个技术体系中占有基础和核心地位。摩擦学是机械工程的重要研究领域之一,是研究作相对运动的相互作用表面及其相关实践的科学与技术,它既是一门以研究自然界普遍存在的摩擦、磨损、润滑现象为主要内容的普适性很强的基础学科,又是一门以节约资源、能源,提益为重要目标的实用性很强的应用学科。
摩擦消耗了世界一次能源的1/3以上,磨损导致了约60%的机械材料损耗,润滑是减小摩擦、降低或避免磨损的zui有效途径。2005年,英国估计每年应用润滑技术节省的费用约20亿~22亿英镑;1999年,美国能源部发布,美国的车辆发动机及传动系统减少摩擦、磨损,每年可节约1200亿美元。中国GDP占世界的4%,却消耗了占世界30%~40%的钢,50%的水泥,等当量GDP能源消耗是美国的2倍、欧洲的3倍、日本的4倍。对环境和能源的考虑将是摩擦学研究的主要驱动力,绿色摩擦学在节约资源、能源,保护生态环境和实现社会可持续发展等方面具有不可替代的重要作用。因此,我国应大力发展绿色摩擦学,使它成为节能、降耗、减排,推动社会可持续发展的一支重要力量。
2006年,中国工程院启动了“摩擦学科学与工程应用现状和发展战略研究”咨询项目。根据对冶金、能源化工、铁道机车、汽车、航空航天、船舶、军事装备、农业装备8个领域调查,2006年全国(8个工业部门)消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金估计为9500亿元人民币。如果正确运用摩擦学知识,可以节省人民币估计可达3270亿元,约占GDP的l.55%。摩擦学涉及的问题与节约能源、节约材料、减少磨损、提高资源利用率和保护环境等密切相关,因此,该学科成为中国走新型化工业道路和发展循环经济必须面对的科学问题,已受到科技界的高度重视,并在下述方面取得了一些重要进展。
1)摩擦学表面工程。20世纪80年代初,摩擦学表面工程研究在英国和德国摩擦学各领域中已分别上升到了第1位和第2位。摩擦学是表面工程的重要基础理论之一,摩擦学表面工程领域所获得的大量研究成果促进和丰富了摩擦学的基础研究,使其从单一组份、单层向多元化、多层化(超晶格结构)、纳米化、梯度化和智能化方向发展。中国在摩擦学表面工程研究领域,如超低摩擦、高强度DLC薄膜、代替传统硬铬镀层技术及材料以及抗磨损薄膜的制备及应用等方面,取得了重要进展。
2)微观摩擦学和纳米摩擦学。从研究内容的角度来看,微观摩擦学主要是在原子、分子和纳米尺度下研究两个相对运动表面之间的摩擦、磨损与粘着行为。随着现代科学技术的进步,尤其是纳米材料与器件、微型机械和高精度磁记录技术的高速发展,微观摩擦学的研究日益为人们所重视。近年来,中国学者在固-固界面粘着与摩擦、亚纳级光滑表面加工技术、自组装分子薄膜制备及摩擦行为研究方面取得了重要突破和初步应用成果。
3)高性能润滑油脂。润滑油、脂是当前应用的润滑材料,是机械装备可靠、、长寿命运行的zui基本、zui重要保障,其技术水平与应用状况对国家经济的发展具有举足轻重的作用。随着中国冶金、水泥、汽车、风力发电、轨道交通等重要行业的飞速发展和航空、航天、舰船、兵器等高技术工业的不断进步,新型大型精密装备不断设计、生产并被应用于愈发苛刻的状况,对润滑油脂产品提出了更高的要求。同时,随着能源紧缺、环保污染问题的愈发严重,人们迫切要求润滑油脂具有更好的节能及环境友好特性。中国现有的油脂润滑材料与技术远远落后于国外先进水平,润滑油脂市场近10年来几乎全被国外占有,已成为制约我国工业技术进步的瓶颈之一。因此,加快中国的油脂润滑材料与技术研发成为当务之急。
4)生物摩擦学。它是结合摩擦学、生物力学、生物化学、流变学和材料科学等产生的交叉学科。目前,国内外都有专门从事生物摩擦学研究的机构,主要研制摩擦磨损低、病理反应小的人工器官,并集中在人工关节和心脏瓣膜的研究上。与微/纳米摩擦学研究相比,中国生物摩擦学研究的水平较低,投入也很少,我国学者在人造关节的研制、生物摩擦学评价设备研制、牙齿磨损性能等方面取得了一些有成效的成果。
润滑和密封材料是现代航空工业的重要基础材料,近年来,中国在完成国家航空航天领域特种润滑、空间摩擦学项目过程中已经取得重要成果。由于润滑和密封材料的使用部位常常是航空航天系统中直接经受苛刻工况考验的部位,因而也是系统失效的多发部位;因此,高性能润滑和密封材料对航空航天技术的发展具有十分重要的意义。火箭、卫星、飞船、空间实验室(站)及星际探测器等空间工业技术的发展,要求解决一系列润滑科学与技术问题,因此,空间润滑技术成为保证空间运载工具和飞行器安全可靠运行的关键技术之一。
综上所述,摩擦学既是一门基础学科,又是一个充满着高新科技、多学科交叉的工程科技领域,中国的摩擦学研究发展面临着很大的挑战。它的发展对航空航天、国防安全和微纳制造、装备制造、生物技术、人类健康工程等领域都有着直接的促进和推动作用。近年来,中国学者围绕“摩擦学与高新技术、装备制造、节能、环境和可持续发展”,就如何进一步发挥摩擦学在解决国家重大工程和装备中的关键问题,着重进行了探讨和研究。
 

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