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大家好，我是中国科学院兰州化学物理研究所的崔海霞，作为今天《丝路大讲堂》的讲者，我今天给大家分享的题目是《奇妙的摩擦世界》。
2008年，神舟7号飞船问鼎苍穹，伴随着神舟7号飞船的发射成功，我们中科院兰州化学物理研究所的固体润滑材料外太空实验，已经进入了外太空实验阶段。那么固体润滑材料也就进入了大家的眼帘，究竟什么是固体润滑材料呢？我们得从摩擦、磨损、润滑讲起。我们知道摩擦是自然界的基本的一个物理现象，世界是由物质组成的，而物质是一直在运动的，物质的运动必然伴随着摩擦。摩擦有各种各样、形形色色的，最常见的也就是大家所熟知的滑动摩擦和滚动摩擦，磨损是摩擦的孪生兄弟，也就是说有摩擦就必然伴随着磨损，李白和铁棒磨成针的故事大家都很熟悉，这里铁棒磨成针靠的就是磨损的作用。
我们知道摩擦是与我们的生活与生产是息息相关的，也就是说在我们的生活当中随时随地都能遇到摩擦，比如说我们日常生活中从早到晚的每一个动作都与摩擦相关，没有摩擦寸步难行，在冰雪天气里大家感受会非常的深刻，那么衣服的舒适性也是与它们的摩擦特性有关的。鞋底的材质、花纹以及它的深浅，都与它的防滑性能有关。小时候见妈妈、奶奶她们使用的缝纫机，这里边就有皮带传动和摩擦轮传动，打谷场上的打谷机，它的皮带利用的也是摩擦传动。这里边利用的原理就是欧拉的皮带理论，简单的说就是缠绕在圆柱体上的这种绳子是不容易打滑的，最常见的例子就是泊船，船到了码头之后，用缆绳在船岸边的柱子上缠绕上几圈，一艘船就可以固定住了。我们通过摩擦学的公式可以计算出来缠绕两圈，拉力可以增加到43倍，缠绕三圈，它的摩擦力可以到286倍，缠绕四圈，它的拉力可以增加到1880倍，所以说拉力的增加是非常巨大的。
在生活当中不知道大家有没有观察到，我们农村最常见的一排一排的平房，它们的屋面的倾斜角度就非常的相似，31度，正好屋瓦可以安安稳稳地待在屋顶上。在工程上这种松散自由堆放的物体，它斜面与我们地面形成的角度我们叫安息角，安息角在工程上的意义非常的重大，比如说我们建的防洪堤、大坝，倾斜的坡度就要大大的小于安息角，以确保我们大坝的安全使用。我们日常生活中常见的还有摩擦生热，比如说我们冬天手冷了，手互相摩擦摩擦手就不冷了，有摩擦的热量出现，摩擦焊就是靠两个金属之间巨大的转速产生巨大的热量，将金属牢牢地焊接在一起。摩擦起电，当然就是我们大家都比较了解，任何两个物体摩擦都可以起电，闪电也是云层与云层之间巨大的摩擦产生出来的电流。
体育运动当中也有很多的摩擦学，比如说最著名的就是悉尼奥运会伊恩·索普他穿着一套鲨鱼皮泳衣连夺了三个金牌，鲨鱼皮泳衣为什么这么厉害，它可以大大的减少水的阻力可以减少到3%，不要小看这3%，在这个1%秒就能决定胜负的泳界，这3%是相当的厉害的。
地质灾难与摩擦学也是有关的，我们知道说地球是六大板块构成的，这个板块并不是静止不动的，六大板块在不停地运动，不停地互相碰撞、互相摩擦，日积月累，积累的应力大到一定的程度上，就从断层处爆发出来，这样就爆发了地震。在地震爆发之初，这种岩石之间摩擦的热量是非常巨大的，它从地表溢出来之后就会给空气加热，然后加热的空气就从地表溢出向上，形成了非常奇怪、独特，而且又看上去很诡异的地震云。泥石流与滑坡也是与摩擦有关的，就是在下雨天大量的雨水充当了润滑剂的作用，山坡上的土、石块还有这种木块，水充当了润滑剂的作用，这些东西在斜面的自锁条件被破坏了，待不住了，所以大量的石头滑落下来就形成了泥石流和滑坡。潮汐是海边大家都能经常看到的一种自然现象，潮汐蕴含着非常巨大的动能，也就是说海水与海底之间，海水和海水之间可以发生剧烈的摩擦，这种摩擦产生大量的热，我们叫它潮汐摩擦热。这种潮汐摩擦热是仅次于太阳辐射热的，在合适的地理条件下，我们可以建造潮汐发电站，从中提取能量，我们中国的潮汐发电站量在世界上是位居第三的。
我们知道摩擦是跟运动有关的，所以说我们人类从诞生之时起，摩擦就始终伴随着我们人类的每一个活动，我们知道有有益摩擦，也有有害摩擦，我们的祖先又是怎样发现摩擦，又是怎样的利用摩擦，又是怎样与有害摩擦作斗争的呢？我们看就是远古最古老的石器时代，人们就发现可以利用石头与石头之间的摩擦力，对谷物进行磨粉、去壳，它这个速度比较慢、效率很低，但是它有它的优点，就是它的速度很低，它的温度也很低，它对谷物的营养造成的破坏是最小的，所以我们吃这种石磨磨出来的面粉的面制品，是觉得味道特别的香。
1万年以前，我们的燧人氏发明了钻木取火，他利用的是摩擦生热的原理，对吧。8000多年前，我们的祖先又发明了弓钻和皮带钻，钻木取火就变得更为容易一点，5000多年前，古埃及的工人才开始使用弓钻进行穿孔，穿珠子，也就是说我们的这种皮带钻的技术，比他们至少早了3000多年。橇是人们发明用来运送重物的，在大禹治水的时期，我们就发明了泥橇，利用泥的滑动摩擦力比较小，来运送大量的泥土，古埃及他们对于摩擦学方面的创举，也是利用木橇来运送大型的石刻。轴承在现代工业中是很常见的，但其实轴承它的历史是非常悠久的，在8000多年前，我们中国人就发明了这种木质的陶轮底座，这个底座是用来干嘛？就是支撑陶轮的旋转用来制备陶器的，在6000多年前，考古发现苏美尔他们有这种石头承窝，也就是说我们的轴承的历史也比国外的有记载的历史早了至少2000多年。
在春秋时期，我们发明了车軎，车軎就是用来支撑车轴的旋转，在周朝的时候根据诗经的记载，我们就发现了他们对轴承开始了润滑，也就是发明了轴承润滑技术，滚动轴承雏形出现在是中国秦朝的时候，这时候轴承的文化和文字就开始慢慢的形成了。在唐宋的时候，我们出现了金属的轴承，比如说这种铜制的轴承还有这种鎏金的铜车軎，甚至出现了金属的这种轴瓦。到了清朝末年正式出现了滚动轴承，用轴承的这种设备和古代的机械也非常多，比如说春秋时期发明的辘轳、踏碓，汉朝时出现的纺车、绞车都使用到了滑动轴承。
欧洲文明时期，他们的手动提水装置开始大量使用滚柱轴承，然后在它活塞式水泵当中还发现使用了皮革垫圈，可以进一步的减少摩擦力。我们中国的水车就是提水装置，现今保存最为完整的就是明代的时候制备的水车，保存在我们中国兰州广武门的水车园，它轮轴是非常巨大的使用的是滑动轴承。车轮和车的发明，也就是说从滑动摩擦变为滚动摩擦发生在距今3500多年以前，轮子的发明被视为人类技术进步史上的一个里程碑意义的发明，它与火的发明是相提并论的。车轮的最早的雏形，就是陶工制备陶器用的陶轮，最早的木轮就是一个简单的圆形的木板，它周边围上铜钉或者是围上一圈金属，可以减少摩擦，然后这种石头轮子、木头轮子都非常的笨重，拉动它们旋转需要相当大的拉力，所以当时的轴承磨损的都非常地快。商代的时候，中国人发明了带有辐条的空心轮子，这样轮子的重量就大大的减少，对轴承的磨损也得到了降低。三国两晋时期，我们中国出现了齿轮传动，齿轮是被视为现代工业的代表，它其实出现的历史是很早的，比如说汉朝著名的科学家张衡发明的记里鼓车，然后是三国马骏发明的指南车，诸葛亮发明的木牛流马，这里面大量使用了齿轮传动，也就是说它不仅有车轮、有轴承，它还有齿轮。复原的记里鼓车，我们发现它是现代计程车减速器的先驱指南，指南车就是齿轮传动的先驱。
在中世纪，欧洲是非常黑暗的，同时期的中国也在历经朝代的更迭，这时候显示摩擦学有所进步的只有磁罗盘和机械钟，磁罗盘利用水的浮力来减少摩擦力的影响，提高精度，那机械钟呢最早是北宋苏颂设计制造的水运仪象台，这是我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟，这里边有大量的齿轮传动机构。随着十字军东征，我们中国的这种制钟技术就传到了欧洲，这种早期的机械钟存在着严重的摩擦磨损问题，所以说钟的运行精度是比较低的，随着后来发明了铜制的轴承，摩擦力得到了减少之后，摩擦的问题才得到解决，钟的运行精度才有所提高。
那么经过几个世纪的研究，人们对于润滑材料的研究就积累成了一个庞大的润滑材料家族，比如说最古老的润滑剂，那就是肯定是动植物油脂了，中国最早的记载这种润滑的记载就是《诗经》，当时是对于车轴进行动植物油脂的这种润滑。到了西晋的时候，我们中国就发明了石油，然后就开始用石油高车及水堆，它的效果也是非常好的。到了19世纪晚期，世界各国就开始大量的发现石油，石油价格很便宜，因为它数量多，所以在那个时候，从石油里提炼出来的矿物油脂就成为那个时代润滑剂的主角。二战以后，随着航空航天以及现代交通工具的出现，我们发现这种古老的传统的润滑剂，已经不能适应现代工业这种润滑要求了，所以人们就有针对性的人工合成出一些合成的润滑油脂，甚至是发明了固体润滑材料。
那么积累到现今，润滑材料的家族非常的大，它大体就分为四大类，一类就是液体润滑剂，它就包括动植物油脂、矿物油以及后来合成油。第二大类就是润滑脂，我们就俗称是变稠了的润滑油。还有一类就是用大量用于航空航天的固体润滑剂，还有一类就是气体轴承上常用的气体润滑剂，分为这四大类。液体润滑剂是历史比较悠久，大家非常的熟悉，固体润滑剂出现的比较晚一点，它分为三大类，第一大类就是这种粉末类的，像石墨二硫化钼，从它的晶体结构当中我们就容易看出它是这种层状结构，也就是说它的层与层之间是非常容易滑移，那样我们把它用作润滑剂之后，我们就可以把摩擦表面之间的这种摩擦力，转移到它层与层之间的滑移，从而减少摩擦阻力。第二大类就是固体润滑膜，这一大类可以分为插入膜、挤压膜，还有这种粘接固体润滑膜、有序分子膜，这种分类是根据它们的制备方法的不同来进行分类的。第三大类就是整体材料，也就是说整个的摩擦零部件都是用润滑材料制备而成的，可以分成金属基的、石墨基的、陶瓷基的以及非金属基的，根据它的构筑的结构的不同，我们可以分成多层复合的，还有这种镶嵌式的，形式比较多。
这么多的润滑材料，我们是怎样把它施涂于我们摩擦表面，让它起到润滑作用的呢？这就离不开表面工程技术，这是一门历史非常悠久的技术，最早的时候可以追溯到5000多年以前，它的方法也非常地多姿多彩，形成了一个庞大的这种族谱树，这把宝剑就是越王勾践剑，这把宝剑埋在地下2500多年，它出土的时候毫无锈迹，依旧锋利无比，它为什么能做到这种程度？经过科学家的研究和分析，发现它的表面经过的硫化处理，也就是说当时已经有了表面技术。我们知道高端制造是一个国家的核心竞争力，而润滑和防护问题是所有技术装备的一个共性的问题，也就是说从天到地、从大到小，所有的装备它都有润滑和防护问题，而我们的润滑材料和表面工程技术，就是为这些高技术装备基础配套的材料和技术。
我们兰州化物所发展的目标之一，就是解决高技术装备特殊条件下的润滑与防护难题，我们到目前为止形成了六大类特种润滑材料和表面工程技术，有300多个定型的产品、上千种的规格，已经应用在航空、航天、船舶等领域，成功地解决了关键零部件的润滑与密封难题，起到了不可替代的作用。举几个简单的例子，大家看一下，我们最早的第一个航天润滑材料的应用成果，就是东方红一号人造地球卫星天线结构的这种防冷焊涂层，什么是冷焊？首先得说一下，就是说在真空当中，金属和金属之间没有氧化物膜来隔离，也没有吸附层来阻隔，所以金属和金属之间靠分子的运动、分子扩散，它们之间就互相粘合在了一起，这就是空间的冷焊。我们就根据任务的需求就研发了一种，兼具防冷焊、自润滑、导电的功能材料，成功地解决了当时的空间环境下的防冷焊问题，当时也获得了一个全国的科学大会奖。
第二个成果就是这种空间对接机构，长效防冷焊的技术与材料，我们保障了神舟飞船与天宫的交会对接，这是一个有机粘接的固体润滑膜，就是把固体的润滑剂分散在有机树脂当中，然后用类似于油漆喷涂的这种工艺，把它施涂在这个空间对接机构的表面，然后形成了这种防冷焊的润滑膜，阻隔了金属之间这种防冷焊，然后成功的就是为交会对接，为我们的飞船与空间站的交会对接与分离，提供了技术支撑。第三个典型的成果，就是我们最开始讲的神舟7号飞船，空间润滑材料的搭载实验，当时搭载的是4大类 11种共80片的润滑材料进行了轨道实验，这是神舟7号飞船唯一一项舱外的科学实验任务。根据这次实验任务的结果，我们与地面的模拟实验结果进行了对比，从而提出了这种空间润滑失效的机理，也进一步指导了我们地面模拟系统的建立，从而能够更有效的研究空间润滑材料对它的效果进行地面模拟测试。
在1957年，苏联发射了第一颗人造卫星，从而吹响了人们进军空间的号角，2003年，我们神舟5号飞船的成功发射和成功回收标志着我国航天事业，也进入了一个崭新的领域。空间摩擦学它为什么能从摩擦学分离出来，单独成立一个学科？是因为它有它的特殊性，首先就是它的空间环境比较特殊，比如说它的高真空、微重力、高低温、强辐射、还有原子氧的辐射。第二个就是这些空间当中的这些机械，它的运行的工况比较特殊，负荷大、高低速、多次启停，那么我们空间摩擦学研究就包括一些非常典型的航天器，比如说空间站、运载工具、火箭、载人飞船以及卫星，这些航天器当中有很多的运动机构对吧，我们空间摩擦学就是为这些运动机构提供合适的有针对性的润滑方案。80年代末，人们提出了纳米的概念，然后人们就可以从纳米尺度上认识世界、改造自然，摩擦学家也在纳米尺度上开始研究摩擦学，经过研究发现，我们经典的摩擦定律其实并不适用于原子尺度，所以在1991年，人们就提出了纳米摩擦学的概念，这是一种全新的研究模式，一种新的思维方式，也为后来的超润滑研究提供了思路。
生物摩擦学就是所有与生物系统相关的摩擦学问题的研究，我们都把它统一归为生物摩擦学，在现今也是一个非常热的研究方向，它主要分为两大类，一类是人体生物摩擦学，是研究我们人体器官和人造组织与摩擦学行为，直接关系到人的生命和身体健康，比如说义齿、人工关节、还有人工心脏瓣膜，很多涉及到摩擦的问题。第二大类就是动物仿生摩擦学，这一个它主要研究的就是动物体的外表，它适应自然环境的摩擦学行为，动物当中也有很多的抗粘附机制，荷叶的表面在清晨上面有很多的露珠，水露珠在荷叶表面它是一滴一滴的，然后不是平铺的，为什么？我们经过发现就是说荷叶它的表面在显微镜底下，它是一种蜡晶体的结构，这种结构具有超疏水的作用，水在上面形成液滴很容易就滑落下来，我们称之为荷叶效应。仿生研究的结果就是我们可以研究出很多具有自清洁效应的玻璃。所有的这些生物体表面的这种，抵抗摩擦的，增加摩擦的，增加粘附的，抗粘附的，以及这种耐磨结构，都对于我们人类有很好的借鉴作用。
从远古时期的钻木取火，一直到我们今天神舟飞船与空间站的成功对接，他们的背后，都离不开摩擦学家的功劳与汗水。从轴承的发明，到现在对超润滑材料与技术的研究，摩擦学家的任务任重而道远，我们对于摩擦的研究也从未停止，谢谢大家，我今天的分享到此结束。
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