摩擦學

摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關係的理論與應用的一門邊緣學科。

世界上使用的能源大約有1/3～1/2消耗於摩擦。如果能夠儘力減少無用的摩擦消耗，便可大量節省能源。另外，機械產品的易損零件大部分是由於磨損超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設備維修次數和費用，又能節省製造零件及其所需材料的費用。

人類對摩擦現象早有認識，並能用來為自己服務，如史前人類的鑽木取火。《詩經·邶風·泉水》中有“載脂載宣，還車言邁”的詩句，表明中國在春秋時期已應用動物脂肪來潤滑車軸。

應用礦物油作潤滑劑的記載最早見於西晉張華所著《博物志》，書中提到酒泉延壽和高奴有石油，並且用於“膏車及水碓甚佳”。但長久以來摩擦學的研究進展緩慢，直到15世紀，義大利的列奧納多·達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究的途徑。

摩擦學研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括動、靜摩擦，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質摩擦或碰撞、衝擊，如犁鏵和水輪機轉輪等；機械製造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。

此外，還有生物中的摩擦學問題，如研究海豚皮膚結構以改進艦隻設計，研究人體關節潤滑機理以診治風濕性關節炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設計方案等。地質學方面的摩擦學問題有地殼移動、火山爆發和地震，以及山、海，斷層形成等。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。

摩擦學涉及許多學科。如完全流體潤滑狀態的滑動軸承的承載油膜，基本上可以運用流體力學的理論來解算。但是齒輪傳動和滾動軸承這類點、線接觸的摩擦，就還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響；在計算摩擦阻力時則需要認真考慮油的流變性質，甚至要考慮瞬時變化過程的效應，而不能把它簡化成牛頓流體。

如果油膜厚度接近於接觸表面的粗糙度，還需要考慮表面紋理對潤滑油的阻遏和疏導作用，以及油溫所引起的熱效應。油膜再薄，兩摩擦表面粗糙峰點也會發生接觸或碰撞，接觸峰將分擔一部分載荷，接觸峰點區域處於邊界潤滑狀態。在使用油性添加劑時，表面形成吸附膜，而在使用極壓添加劑時，表面形成反應膜。

為了了解磨損的發生髮展機理，尋找各種磨損類型的相互轉化以及複合的錯綜關係，需要對錶面的磨損全過程進行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說，就需要研究潤滑力學、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質、表面形貌、傳熱學和熱力學、摩擦化學和金屬物理等問題，涉及物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等學科。

隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域。

人類對摩擦現象早有認識，並能用來為自己服務，如史前人類已知鑽木取火。《詩經·邶風·泉水》已有“載脂載舝，還車言邁”的詩句，表明中國在春秋時期已較普遍地應用動物脂肪來潤滑車軸。應用礦物油作潤滑劑的記載最早見於西晉張華所著《博物志》。書中提到酒泉延壽和高奴有石油，並且用於“膏車及水碓甚佳”。但長久以來摩擦學的研究進展緩慢。直到15世紀，義大利的列奧納多·達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究的途徑。1785年，法國C.庫侖繼前人的研究，用機械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。

後來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。1935年，英國的F.P.鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦。1950年，鮑登提出了粘著理論。關於潤滑的研究，英國的O·雷諾於1886年繼前人觀察到的流體動壓現象，總結出流體動壓潤滑理論。20世紀50年代普遍應用電子計算機之後，線接觸彈性流體動壓潤滑的理論有所突破。對磨損的研究開展較晚，50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研製出各種表面分析儀器的基礎上，磨損研究才得以迅速開展。至此綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關係的條件已初步具備，並逐漸形成摩擦學這一新的發展中的學科。然而發展成為Tribology還是1966年的事。中譯Tribology為“摩擦學”，在1980年冬才被正式確定。美國接受以Tribology代替Lubrication的地位，始於1984年。

摩擦學研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括：①動、靜摩擦副，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接、電氣觸頭和磁帶-錄音頭等；②零件表面受工作介質摩擦或碰撞、衝擊，如犁鏵和水輪機轉輪等；③機械製造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；④彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦(見地面車輛力學)、彈性密封的動力滲漏等；⑤特殊工況條件下的摩擦學問題。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。

摩擦學涉及許多學科。例如油潤滑的金屬摩擦副，處於完全流體潤滑狀態的滑動軸承的承載油膜，基本上可以運用流體力學的理論來解算。但是齒輪傳動和滾動軸承這類點、線接觸的摩擦副，在計算它的流體動壓潤滑的承載油膜時，還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響；在計算摩擦阻力時則需要認真考慮油的流變性質（從應力、應變、溫度和時間幾方面研究物質變形和流動的物理性質），甚至要考慮瞬時變化過程的效應，而不能把它簡化成牛頓流體。這樣，僅就油潤滑金屬摩擦副來說就需要研究潤滑力學、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質、表面形貌、傳熱學和熱力學、摩擦化學和金屬物理等問題，涉及物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等學科。隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域。

摩擦學問題涉及多種因素，錯綜複雜，應用系統分析的方法進行研究，可以明了諸因素之間的依賴和制約關係，以及分析問題的思路。互相接觸的兩個物體，當有相對滑動或有相對滑動的趨勢時，在它們接觸面上出現的阻礙相對滑動的力。摩擦對工程技術和日常生活極為重要。摩擦阻礙物體的運動，使運動能量遭受損失，人類生產的總能量有很大一部分就是這樣被消耗掉的。因摩擦而損失的機械能轉化為熱，使機器中許多滑動面必須冷卻。同時，摩擦還伴隨著表面材料的損失，即發生磨損。磨損使零件的尺寸改變，失去應有的精度和功能。世界上有很大一部分生產力就是用於補充、替換因磨損而變為無用的零件的。

因此，人們採取各種減小摩擦的措施，例如在相對滑動的表面上施用潤滑劑；用輪子、滾柱和滾珠使滑動改為滾動等。但摩擦也有有用的一面，許多傳動與制動設備是通過摩擦起作用的。常用的皮帶傳動徠功能就是通過摩擦力實現的；汽車和機車的行駛也要依靠地面和鋼軌上的摩擦力。嚴冬冰雪覆蓋路面，有時必須在汽車後輪上加裝鐵鏈或在鋼軌上噴砂，才能產生足夠的摩擦力推動車輛前進。若摩擦力完全消失，則結繩、織布、打釘、執筆以至坐立行走，都將成為不可能。因此，摩擦又是人類生存所不可缺少的。

以油潤滑金屬摩擦副為例表示摩擦學系統的組成，它表明運動件、靜止件、潤滑油和環境大氣間的相互作用原理。摩擦學系統的過程，用功能平面和由它分解出的3個概念性平面（功平面、熱平面、材料平面）來表示。材料平面包括固體材料面、流體（潤滑油、氣體）平面和反應產物平面。圖中畫出這些概念性平面間可能發生的摩擦學過程。垂直的實線表示化學轉變過程，垂直的虛線表示由功轉到熵的過程，它們都集中到熱平面上。因此系統過程圖是分析摩擦學問題時的有力工具。

兩個相接觸的物體做相對運動時發生的阻礙它們相對運動的現象，稱為“動摩擦”。在動摩擦中出現的摩擦力稱為“動摩擦力”。對物體所施之力大於最大靜摩擦力時，物體就開始運動。在運動起來之後，若將所施加之力減小，物體便又停止運動。這一情況表明，物體運動之後，還有阻止物體運動的力，即還有摩擦阻力。這種物體運動時所產生的摩擦力即稱動摩擦力。

置於固定平面上的物體由於受沿它們接觸表面切向的外力作用有相對滑動的趨勢但還沒有發生相對滑動的時候，存在於接觸表面的阻礙這種滑動趨勢的現象，謂之“靜摩擦”。這裡應注意兩點：一是兩個緊密接觸而又相對靜止的物體；另一點是具有相對滑動的趨勢，但又還沒有發生相對的滑動。

和材料及環境相互作用的固體介面由於摩擦的相互作用可造成材料從表面損失，導致材料損失的過程稱為“摩損”。摩損的主要類型包括摩損，摩檫，侵蝕。可用一或多種“表面工程”過程改善固體表面性質或用潤滑劑減少摩損。

估計美國每年由於直接和間接與摩損有關的損失約佔1-2%GDP，表面工程包括修改設備的原有表面和更新表面。這樣可節省大量資金、材料、能源和保護環境。

減少摩損的方法包括正確地找出摩損的原因以及找出合適的解解辦法。重要的方法包括：

1、設備維修工藝學。用有關各種學問的工程和經營技術去保護設備和機械的退化。

2、霍斯特·傑礎斯（Czichos)近似系統。在已知工作環境下選擇抗摩損的合適材料。

3、從材料的評估進行有效的管理。為了保持設備處於良好狀態和24小時內，隨時都能工作，美國軍方防禦遠景研究規劃局已引用了類似設備維工藝學的概念。良好狀態監測系統結合適當的應急方法在維護和修理階段就已改進儀器（如儲備的硬體等）的性能，可靠性和延長壽命。

近年（截至2011年）來，微米和納米摩擦學已佔據主導地位。為了發展在電子學、生命科學、化學和感測器方面的新產品，微觀小成份的摩檫相互作用已變得日漸重要，而且延伸使用所有現代技術。

在“斯特里伯克曲線”（Stribeck curve)基礎上滑動的潤滑表面的摩檫機制已被分為：

（1）固體/邊界摩檫

（2）液體

（3）混雜摩檫

斯特里白克曲線清楚顯示，當固體接觸面間有潤滑液膜和二個固體緊密（asperity）相互作用時摩檫值最小。

斯特里伯克和其他人系統地研究了二個液體潤滑表面間的摩檫隨無量綱的潤滑參數nN/P的變化。這裡n是動力粘滯係數，N是滑動的速度，而P是加到幾何表面上的負荷。

斯特里伯克曲線是摩擦學課程中的經典教材。

歷史上，萊納多·芬奇（1452-1519）第一次描述兩條條摩檫定律。按照芬奇的結果：兩不同的物體，它們的重量相同，但接觸的寬度和長度不同，它們受到的摩檫抵抗力相同。他還觀察到，當重量加倍時，需要克服摩檫的力也要加倍。查爾斯-奧古斯丁·庫侖（1736-1806）也做了類似的觀察。查爾斯·哈切特用曲拐機械去評估金幣的摩損，做出了第一個可靠的摩損試驗。他發現，二金幣間有砂粒的摩損率要比無砂粒的要快。達芬奇的工作比現今（2011年）稱為摩擦學，科學的分支形成之前，早幾個世紀。

20世紀前半，用“斯特里伯克”曲線去區分二個表面間的摩檫性質。理查·斯特里伯克（1861-1950）教授在柏林皇家普魯技術試驗研究所進行研究。約1885年阿道夫·馬頓斯教授在同一研究所進行類似的試驗。此後，斯特里伯克曲線“成為摩擦學中的經典教材。

1966年隨著約斯特紀錄，摩擦學被廣泛應用。這一年在英國每年由於摩損和腐蝕而造成大量資金損失，結果在英國成立了幾個國際摩檫中心。此後，擴散到國際工程領域，在此領域內工作的也稱為摩擦學專家。

現在，有大量的國家和國際協會，如在美國有摩檫和潤滑工程協會，在英國的機械工程研究所中有摩檫組等大多技術大學都有摩擦學的工作組，大都設在機械工程系內。摩檫相互作用的極限不僅與機械設計有關，而與材量也有關。因此，摩擦學也涉及許多材料工程師，從事機械工程的物理學家和化學家。

摩擦學一般在軸承上應用。但也延伸至現代技術的其它方面，甚至達到一些不像可延伸的領域，如護髮素和口紅、粉末等方面。

任何一種涉及一種材料滑過或摩檫另一種材料的產品都受複雜的摩檫相互作用的影晌，一般在介面植入潤滑片或在高溫使用時，製造密實的氧化釉去抵抗摩損。

摩擦學在製造工業中起了重要的作用。在金屬製品中摩檫增大摩損和增大工作的功率，結果造成經常更換零件而增加資金；一層潤滑劑可以消除表面接觸，實際消除工具摩損和減少所需的功耗的三分之一。