纳米结构在摩擦学中的应用

纳米结构在摩擦学中的应用

摩擦磨损性能材料的重要使用性能之一，研究纳米材料的摩擦磨损性能是研究纳米材料的特性、推进纳米材料实用化*的工作。晶粒尺寸对材料摩擦磨损性能的影响一直是材料科学家关心的问题。实验证明，即使是处于微米或者亚微米尺度范围内，晶粒尺寸也会对材料的摩擦磨损性能有重要影响。

金属材料

很多实验结果证明，当晶粒细化到纳米量级时，材料在各种实验条件下均显现出优异的摩擦磨损性能。例如干摩擦条件下，纳米晶纯铁虽然硬度提高，但由于塑性的明显降低，磨损量明显大于粗精铁。油润滑条件下，纳米晶铁耐磨性明显高于粗精铁，且随着实验温度升高，纳米晶铁摩擦系数下降，而粗精铁情形*相反，这归因于纳米晶材料表面活性高，促进了含添加剂润滑油的吸附。可见，纳米结构材料的摩擦磨损性能受众多因素影响。即使是同种材料，不同晶粒尺寸，不同配副及实验条件，其摩擦磨损性能也不尽相同。摩擦与磨损是发生在相对接触表面上的复杂现象，包含着许多物理、化学及力学过程。通常，摩擦和磨损过程受到摩擦副。润滑剂、工作参数、环境等许多因素的影响，与温度、载荷、速度、材料性能等有密切关系。纳米金属材料摩擦磨损性能的诸多研究结果并不仅涉及晶粒尺寸，此外，还需考虑到其他影响因素。

陶瓷材料

陶瓷材料具有十分优异的强度和化学稳定性，广泛应用于隔热和耐磨抗蚀场合，结构陶瓷材料的摩擦磨损性能研究和实际应用已成为当前摩擦学和材料科学领域的研究热点之一，从材料的性能要求、加工技术及制造成本角度考虑，在金属表面喷涂陶瓷涂层是提高材料在耐磨、耐腐蚀条件下使用寿命的*方案。

高分子材料

纳米结构高分子材料摩擦行为研究则主要集中于金刚石膜。纳米金刚石具有高硬度，良好的化学稳定性，高耐磨等*性质，展现出摩擦材料和密封材料方面广阔的应用前景，其摩擦磨损性能引起众多学者的关注。纳米金刚石膜在干摩擦条件下即展现出极低的摩擦系数。如Hollman利用球盘式摩擦装置研究了纳米金刚石膜在干摩擦以及润滑条件下的摩擦行为，对磨副选用碳化物陶瓷，轴承钢，不锈钢，钛和铝，干摩擦条件下摩擦系数0.06~0.1，且耐磨性比同条件下不锈钢/不锈钢摩擦副低100倍。

目前关于纳米材料摩擦磨损性能研究还不够完善，大部分研究都局限于合金及复合材料，这可能是由于很难制配出理想的纯金属纳米结构材料。开展对纳米晶纯金属的研究，可以排除固溶强化、弥散强化等因素的影响，更有利于理解晶粒细化对材料摩擦磨损性能的影响。研究纳米材料耐磨性，必须考虑材料纳米化后，对其摩擦磨损行为有重要影响的众多影响因素。这些因素即包括材料本身结构的变化，也包括其与外部环境相互作用的变化。此外，润滑条件也会影响其在不同环境下的摩擦磨损性能。只有综合考虑各种因素，才能全面深刻地理解纳米材料特殊的摩擦磨损现象，揭示其磨损机制，为提高传统材料综合性能提供基础数据和理论依据。