走出課本 這種力很「魔」性

「中學所學的固體間摩擦力，研究已相對成熟，但並不是沒『空間』。比如，決定摩擦力的關鍵因素中，存在『接觸面積』和『接觸線』之爭。我們研究的是生活和生產中極為常見的液滴，在固體表面上的運動，及發生的摩擦阻力變化。當然，固液間摩擦力研究，未知可探『空間』很大。」近日，復旦大學材料科學系博士後郜楠，就科技日報記者問及其發表在《自然·物理》上的一篇固—液間摩擦力研究論文時，作出如此表述。

藉此話題，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：「印象仍停留在中學課本里」；摩擦力研究「水太深」，自己不算「專業」人士，不便作答。

很顯然，生活中的「摩擦力」，不再是中學課本里那個「骨感」的概念了。它變幻莫測，充滿「魔」性。因為「摩擦」，還誕生了可細分到五花八門領域的交叉學科——摩擦學。

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」，並將其定義為「研究相對運動表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關係的理論與應用的邊緣學科」。這門被學科「邊緣」化了的摩擦學，與機械錶面界面科學密切相關，涉及領域廣至傳統機械加工、交通運輸、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「鬥爭」，源於它所帶來的驚人能源損耗。

據2015年統計顯示，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%的機器零部件失效，50%以上的機械裝備惡性事故源於潤滑失效或過度磨損。歐美髮達國家每年因摩擦、磨損造成的經濟損失約佔其國民生產總值的2%—7%。作為製造大國，我國在生產與製造過程中，單位國內生產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。

這讓摩擦學的研究備受重視。畢竟，「摩擦」關乎能源，也可能嚴重製約一個國家高端裝備的升級換代與性能提升。摩擦學裡的「三大件」中，摩擦研究，主要揭示摩擦力起源及其能量耗散規律等基本物理過程及機理；材料磨損研究，旨在揭示材料去除機制及影響因素，尋求潤滑、表面處理等技術，減少摩擦和控制磨損；潤滑研究，重在研製和正確使用潤滑劑和潤滑技術，是大幅提高機械效率、保證機械長期可靠的工作並節能的最主要技術途徑。

隨著摩擦學的發展，前沿研究已從宏觀領域深入微觀世界。從摩擦學分支研究中的部分基礎與應用研究新進展，或從某個角度，窺現摩擦力的「魔」性。

輪胎花紋里,藏著摩擦力「藝術」

「橡膠摩擦力是個非常有趣和實用的課題，在輪胎製造等許多領域有廣泛應用。」醉心摩擦力研究20多年的德國於利希研究中心科學家博培森，認為常被大家忽略的摩擦力現象「奇妙無比」。譬如，對輪胎公司而言，通常要對製造出的輪胎質量進行逐個測試。但如果有一種模型，能靠譜地「預測」材料的摩擦性質，就能大幅省時省力。

關於橡膠摩擦力產生的主因，過去研究認為，取決於路面質地粗糙程度，及橡膠的自身黏彈性。不過近年，博培森團隊的一項研究顯示，橡膠輪胎在瀝青路面上滑行產生的摩擦力，還依賴於速度和溫度。這一新發現意味著，橡膠摩擦力的產生，還必須考慮橡膠分子鏈與路面反覆的黏合、拉伸和釋放因素。

團隊還給出了計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非常小，對整隻輪胎來說，大約只有一平方厘米的數量級。」博培森說。其實，這包含著不被大眾理解的「實際意義」：如幫助輪胎公司選擇適宜材料，製作出更高質量的輪胎花紋。

擺脫摩擦損耗，「超滑」是個新技能

2017年,第21屆材料磨損國際會議上，「潤滑磨損」的探討，特別吸引企業科研人員。畢竟，運用合適的潤滑條件改善磨損，能極大提高材料及結構的服役性能和壽命。與潤滑磨損相關的新技術新方法，能短時間為企業創造巨大效益。

在此領域，有一種能大大提高運動系統能源利用效率的「超滑」新技術。「超滑」，通常指兩個物體表面間滑動摩擦係數在0.001量級或更小的潤滑狀態。自20世紀90年代初提出,它就吸引了摩擦學、機械學、物理學和化學等各界研究者的廣泛關注。

在利用石墨烯實現固體超滑領域中，清華大學的機械工程系和摩擦學國家重點實驗室，聯合中國科學院化學研究所等單位，設計並製備出了一款用於原子力顯微鏡的、鍍有石墨烯的微球探針，可實現石墨烯間微觀摩擦力測量。同時，他們獲得了擁有「魯棒」特性的超低摩擦：既能適於較寬範圍的載荷、濕度、掃描範圍及速度等實驗條件，也可維持較長時間的超滑狀態。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，實現異質二維材料間的摩擦測量。

能「上天」的材料，要經得起摩擦力考驗

空間運載機構（運載火箭等）和飛行器（人造地球衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等）中的部分材料，在相對運動過程中會產生摩擦磨損。「空間摩擦學」由此誕生，其中僅「材料」的研究，便很讓人「頭疼」。

在空間應用中，涉及摩擦磨損的材料，統稱為空間摩擦學材料。這些能「上天」的材料，生存環境極為嚴苛，要經受住如高真空、原子氧、微重力、宇宙射線和高低溫等空間服役工況，摩擦磨損行為複雜性呈指數上升。一旦這類材料經不起摩擦磨損的考驗，後果很嚴重。如「哥倫比亞號」太空梭與大氣間的高速摩擦，產生過度高溫，使機外隔熱瓦受損而遭遇解體墜毀。

「傳統摩擦學材料，在空間極端複雜環境下易產生冷焊、熱疲勞和表面侵蝕等破壞，地面優良的摩擦學性能得不到發揮。隨著空間研究的不斷深入，大量新型空間摩擦學材料需要不斷被研製與開發。」中南大學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的航天部門，均成立了專門機構，開展空間摩擦學及其材料的基礎性研究。

我國在此領域也頗有進展。空間對接裝置是航天器與航天器、或空間站交會對接的關鍵部件，製造對接裝置的摩擦材料，一直是各國「高保密級」技術。中南大學研製出的銅基粉末冶金摩擦材料，使我國進入了少數能提供對接機構摩擦副材料的國家行列。以此製造的摩擦副，也成功應用於神舟八號、九號、十號、十一號載人飛船與「天宮一號」「天舟一號」太空實驗艙的在軌自動和手動交會對接機構與轉位機構中。

「我們亟須改進空間環境地面模擬試驗設備，研究相關理論，建設資料庫，為實現對空間耐磨和空間減摩材料的設計改進提供保障。」談及這一領域的「未來」，姚萍屏說。

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