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走出課本 這種力很“魔”性 2018-04-12 15:15:25  來源:

“中學(xué)所學(xué)的固體間摩擦力,研究已相對成熟,但并不是沒‘空間’。比如,決定摩擦力的關(guān)鍵因素中,存在‘接觸面積’和‘接觸線’之爭。我們研究的是生活和生產(chǎn)中極為常見的液滴,在固體表面上的運(yùn)動(dòng),及發(fā)生的摩擦阻力變化。當(dāng)然,固液間摩擦力研究,未知可探‘空間’很大?!苯眨瑥?fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士后郜楠,就科技日報(bào)記者問及其發(fā)表在《自然·物理》上的一篇固—液間摩擦力研究論文時(shí),作出如此表述。

借此話題,記者與部分高校、科研院所物理研究人員談及他們“飯碗里”的摩擦力,得到的回答大體分為兩類:“印象仍停留在中學(xué)課本里”;摩擦力研究“水太深”,自己不算“專業(yè)”人士,不便作答。

很顯然,生活中的“摩擦力”,不再是中學(xué)課本里那個(gè)“骨感”的概念了。它變幻莫測,充滿“魔”性。因?yàn)椤澳Σ痢保€誕生了可細(xì)分到五花八門領(lǐng)域的交叉學(xué)科——摩擦學(xué)。

有生活的地方,就有“摩擦”

1966年,英國教授皮特·約斯特(H.PeterJost)首次提出“摩擦學(xué)”,并將其定義為“研究相對運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦、潤滑和磨損,以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的邊緣學(xué)科”。這門被學(xué)科“邊緣”化了的摩擦學(xué),與機(jī)械表面界面科學(xué)密切相關(guān),涉及領(lǐng)域廣至傳統(tǒng)機(jī)械加工、交通運(yùn)輸、航空航天、海洋、化工、生物工程……可謂,有生活的地方,就有“摩擦”。

人類與“摩擦”做“斗爭”,源于它所帶來的驚人能源損耗。

據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)顯示,摩擦能消耗掉全世界約1/3的一次能源(即天然能源),磨損可致使約60%的機(jī)器零部件失效,50%以上的機(jī)械裝備惡性事故源于潤滑失效或過度磨損。歐美發(fā)達(dá)國家每年因摩擦、磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占其國民生產(chǎn)總值的2%—7%。作為制造大國,我國在生產(chǎn)與制造過程中,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗約為日本的8倍,歐盟的4倍,世界平均水平的2.2倍。

這讓摩擦學(xué)的研究備受重視。畢竟,“摩擦”關(guān)乎能源,也可能嚴(yán)重制約一個(gè)國家高端裝備的升級換代與性能提升。摩擦學(xué)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規(guī)律等基本物理過程及機(jī)理;材料磨損研究,旨在揭示材料去除機(jī)制及影響因素,尋求潤滑、表面處理等技術(shù),減少摩擦和控制磨損;潤滑研究,重在研制和正確使用潤滑劑和潤滑技術(shù),是大幅提高機(jī)械效率、保證機(jī)械長期可靠的工作并節(jié)能的最主要技術(shù)途徑。

隨著摩擦學(xué)的發(fā)展,前沿研究已從宏觀領(lǐng)域深入微觀世界。從摩擦學(xué)分支研究中的部分基礎(chǔ)與應(yīng)用研究新進(jìn)展,或從某個(gè)角度,窺現(xiàn)摩擦力的“魔”性。

輪胎花紋里,藏著摩擦力“藝術(shù)”

“橡膠摩擦力是個(gè)非常有趣和實(shí)用的課題,在輪胎制造等許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?!弊硇哪Σ亮ρ芯?0多年的德國于利希研究中心科學(xué)家博培森,認(rèn)為常被大家忽略的摩擦力現(xiàn)象“奇妙無比”。譬如,對輪胎公司而言,通常要對制造出的輪胎質(zhì)量進(jìn)行逐個(gè)測試。但如果有一種模型,能靠譜地“預(yù)測”材料的摩擦性質(zhì),就能大幅省時(shí)省力。

關(guān)于橡膠摩擦力產(chǎn)生的主因,過去研究認(rèn)為,取決于路面質(zhì)地粗糙程度,及橡膠的自身黏彈性。不過近年,博培森團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究顯示,橡膠輪胎在瀝青路面上滑行產(chǎn)生的摩擦力,還依賴于速度和溫度。這一新發(fā)現(xiàn)意味著,橡膠摩擦力的產(chǎn)生,還必須考慮橡膠分子鏈與路面反復(fù)的黏合、拉伸和釋放因素。

團(tuán)隊(duì)還給出了計(jì)算橡膠塊和粗糙表面接觸面積的方法。“橡膠和地面真正接觸的面積其實(shí)非常小,對整只輪胎來說,大約只有一平方厘米的數(shù)量級。”博培森說。其實(shí),這包含著不被大眾理解的“實(shí)際意義”:如幫助輪胎公司選擇適宜材料,制作出更高質(zhì)量的輪胎花紋。

擺脫摩擦損耗,“超滑”是個(gè)新技能

2017年,第21屆材料磨損國際會議上,“潤滑磨損”的探討,特別吸引企業(yè)科研人員。畢竟,運(yùn)用合適的潤滑條件改善磨損,能極大提高材料及結(jié)構(gòu)的服役性能和壽命。與潤滑磨損相關(guān)的新技術(shù)新方法,能短時(shí)間為企業(yè)創(chuàng)造巨大效益。

在此領(lǐng)域,有一種能大大提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能源利用效率的“超滑”新技術(shù)。“超滑”,通常指兩個(gè)物體表面間滑動(dòng)摩擦系數(shù)在0.001量級或更小的潤滑狀態(tài)。自20世紀(jì)90年代初提出,它就吸引了摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等各界研究者的廣泛關(guān)注。

在利用石墨烯實(shí)現(xiàn)固體超滑領(lǐng)域中,清華大學(xué)的機(jī)械工程系和摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,聯(lián)合中國科學(xué)院化學(xué)研究所等單位,設(shè)計(jì)并制備出了一款用于原子力顯微鏡的、鍍有石墨烯的微球探針,可實(shí)現(xiàn)石墨烯間微觀摩擦力測量。同時(shí),他們獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦:既能適于較寬范圍的載荷、濕度、掃描范圍及速度等實(shí)驗(yàn)條件,也可維持較長時(shí)間的超滑狀態(tài)。該石墨烯探針還能在六方氮化硼晶體等其他二維材料上獲得超滑,實(shí)現(xiàn)異質(zhì)二維材料間的摩擦測量。

能“上天”的材料,要經(jīng)得起摩擦力考驗(yàn)

空間運(yùn)載機(jī)構(gòu)(運(yùn)載火箭等)和飛行器(人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間站、空間探測器等)中的部分材料,在相對運(yùn)動(dòng)過程中會產(chǎn)生摩擦磨損?!翱臻g摩擦學(xué)”由此誕生,其中僅“材料”的研究,便很讓人“頭疼”。

在空間應(yīng)用中,涉及摩擦磨損的材料,統(tǒng)稱為空間摩擦學(xué)材料。這些能“上天”的材料,生存環(huán)境極為嚴(yán)苛,要經(jīng)受住如高真空、原子氧、微重力、宇宙射線和高低溫等空間服役工況,摩擦磨損行為復(fù)雜性呈指數(shù)上升。一旦這類材料經(jīng)不起摩擦磨損的考驗(yàn),后果很嚴(yán)重。如“哥倫比亞號”航天飛機(jī)與大氣間的高速摩擦,產(chǎn)生過度高溫,使機(jī)外隔熱瓦受損而遭遇解體墜毀。

“傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料,在空間極端復(fù)雜環(huán)境下易產(chǎn)生冷焊、熱疲勞和表面侵蝕等破壞,地面優(yōu)良的摩擦學(xué)性能得不到發(fā)揮。隨著空間研究的不斷深入,大量新型空間摩擦學(xué)材料需要不斷被研制與開發(fā)?!敝心洗髮W(xué)粉末冶金研究院教授姚萍屏說。美國、歐洲、日本及俄羅斯等國家和地區(qū)的航天部門,均成立了專門機(jī)構(gòu),開展空間摩擦學(xué)及其材料的基礎(chǔ)性研究。

我國在此領(lǐng)域也頗有進(jìn)展??臻g對接裝置是航天器與航天器、或空間站交會對接的關(guān)鍵部件,制造對接裝置的摩擦材料,一直是各國“高保密級”技術(shù)。中南大學(xué)研制出的銅基粉末冶金摩擦材料,使我國進(jìn)入了少數(shù)能提供對接機(jī)構(gòu)摩擦副材料的國家行列。以此制造的摩擦副,也成功應(yīng)用于神舟八號、九號、十號、十一號載人飛船與“天宮一號”“天舟一號”太空實(shí)驗(yàn)艙的在軌自動(dòng)和手動(dòng)交會對接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。

“我們亟須改進(jìn)空間環(huán)境地面模擬試驗(yàn)設(shè)備,研究相關(guān)理論,建設(shè)數(shù)據(jù)庫,為實(shí)現(xiàn)對空間耐磨和空間減摩材料的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供保障。”談及這一領(lǐng)域的“未來”,姚萍屏說。

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