摩擦（friction）、磨損（wear）與潤滑（lubrication）統(tǒng)稱摩擦學(xué)。據(jù)統(tǒng)計，大約有三分之一以上的世界能源消耗在摩擦上，同時大約有80%的破壞零件是由磨損造成的。材料的耐磨性不是材料固有的本性，而是材料性質(zhì)在一定的摩擦規(guī)范、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、工件結(jié)構(gòu)、材料配對等某種條件下的體現(xiàn)了，材料的耐磨性是相對的、有條件的。

機(jī)械設(shè)計中的摩擦問題大體分為減摩和摩阻兩類。要求減摩的設(shè)計包括潤滑設(shè)計和磨損設(shè)計，潤滑設(shè)計有：運(yùn)動副材料選配，潤滑劑選擇和結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計，磨損設(shè)計有：希望接觸面磨損輕，磨損率低；要求摩阻的設(shè)計希望摩阻（摩擦）大，耐磨損，發(fā)熱少和散熱及時等。

一、減摩材料

減摩材料主要是用來制取各種滑動軸承的材料。這些材料具有摩擦系數(shù)低及耐磨性好的特點(diǎn)，并可減輕各種機(jī)器中摩擦部件互相接觸部分間的摩擦。

代表應(yīng)用↓↓：滑動軸承材料

1、常用的金屬減摩材料

①巴氏合金：是一種以錫或鉛為基體的軟合金，錫基成分含有82%~84%錫，5%~6%銅和11%~10%銻）。

②銅基軸承合金：主要有錫青銅和鉛青銅。錫青銅是指含有5%~15%的錫以及少量鋅、鉛等元素的銅合金，加鋅可使基體強(qiáng)度提高，加鉛可增加合金的抗粘著性和順應(yīng)性。

③鋁基軸承合金：特點(diǎn)是比重小，導(dǎo)熱性好，疲勞強(qiáng)度高和耐磨性好，且原料充足，價格低廉。但熱膨脹系數(shù)大，抗膠合性、嵌合性與順應(yīng)性較差。

④多層合金減摩材料：該材料為雙金屬、三金屬等結(jié)構(gòu)，各種金屬的性能具有互補(bǔ)性，以滿足機(jī)器高速、重載等工況下的使用要求。

⑤粉末冶金減摩材料：采用粉末冶金方法制造的﹐又稱燒結(jié)減摩材料。燒結(jié)減摩材料廣泛用於制造滑動軸承﹑止推軸承﹑端面密封﹑支承襯套等。其主要優(yōu)點(diǎn)是在有限潤滑油的條件下﹐使用壽命較長和可靠性較高。

燒結(jié)減摩材料按其制造方法可分為兩類。一類是在材料孔隙中浸有潤滑油或在材料成分中加有(或在其表層充覆)減摩劑或固體潤滑劑(石墨﹑氧化物﹑硫化物﹑氮化物﹑氟塑料或其他塑料)。這類材料在干摩擦條件下依靠自身或表層含有的潤滑劑潤滑﹐即具有自潤滑效果。另一類是鋼與燒結(jié)合金的復(fù)合材料﹐如在鋼帶上燒結(jié)一層銅鉛合金粉末等。這類材料的承載能力比前一類大﹐一般用以制造重載軸承。燒結(jié)減摩材料的發(fā)展趨向是提高多孔鐵基和銅基材料的承載能力﹐發(fā)展能在較高溫度和更惡劣的摩擦條件下使用的材料﹐研制能在真空和惰性氣體中工作的材料

2、高分子聚合物和各種工程塑料

①聚酰胺：它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的耐磨性及自潤滑性能，摩擦系數(shù)μ=0.25，易成型，價格低，耐磨蝕。可在無潤滑條件下工作。在尼龍中添加聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨或云母等固體潤滑劑后，可降低摩擦系數(shù)；添加金屬粉可增加導(dǎo)熱性，而添加玻璃纖維等，也提高強(qiáng)度，增加耐磨性。

②聚甲醛：POM具有優(yōu)良的綜合性能，吸水性小，尺寸穩(wěn)定，物理和機(jī)械性能超過尼龍，耐腐蝕，摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定。但熱穩(wěn)定性差，收縮率大。

③聚四氟乙烯：耐磨性較差，機(jī)械強(qiáng)度低，受載后易變形，線膨脹系數(shù)大。因此PTFE作為減摩材料使用，主要是以填料形式添加到其他塑料中，或者在PTFE中添加金屬或其他材料，以改善其機(jī)械性能、導(dǎo)熱性和線膨脹系數(shù)。

3、自潤滑陶瓷刀具

傳統(tǒng)的切削液減摩潤滑方法已難以滿足一些特殊條件下的加工要求，此外，切削液費(fèi)用較高，還會造成環(huán)境污染。解決這一問題最常用的途徑是采用綠色干切削加工技術(shù)。但由于干切削時摩擦條件異常嚴(yán)酷，導(dǎo)致刀具壽命偏低，因此迫切需要研究開發(fā)無污染、高效率的新型潤滑方式。開發(fā)和應(yīng)用自潤滑切削刀具無疑是解決這一問題的最佳途徑之一。

自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩和抗磨作用，在沒有外加潤滑液或潤滑劑的條件下，刀具材料本身就具有潤滑功能。

實(shí)現(xiàn)陶瓷刀具材料本身自潤滑的主要方法有三種：①利用陶瓷刀具在切削高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在陶瓷刀具材料表面原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷刀具的自潤滑。②對陶瓷刀具材料進(jìn)行自潤滑涂層或?qū)μ沾傻毒卟牧媳砻嫘须x子注入。③以固體潤滑劑作為陶瓷刀具材料的添加劑，制備自潤滑陶瓷刀具材料。以固體滑劑(如MoS2、h-BN等)作為添加劑加入到陶瓷刀具材料基體中形成復(fù)合陶瓷刀具材料時，利用固態(tài)潤滑劑易拖敷、摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，在陶瓷刀具表面形成連續(xù)的固態(tài)潤滑層，從而賦予陶瓷刀具材料以自潤滑特性。

4、減摩耐磨涂層

涂層作為一種有效的表面改性技術(shù)，具有材料選擇范圍廣、性能可調(diào)節(jié)性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于多種工況和結(jié)構(gòu)要求，在零部件的減摩耐磨中得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)涂層采用單一材料制備按照用途可分為減摩涂層和耐磨涂層兩類減摩涂層采用自潤滑材料制備例如石墨、MoS、WS、石墨烯等這些自潤滑材料可明顯降低摩擦系數(shù)但壽命有限,即減摩不抗磨。耐磨涂層則采用硬度較高的材料制備，例如非金屬碳/氮化物以及過渡族金屬碳/氮化物等,這些材料硬度較高、耐磨性能好，但高硬度勢必要犧牲材料的韌性，因此這類涂層在使用過程中容易發(fā)生脆性失效，并且摩擦系數(shù)普遍較高，即抗磨不減。

隨著機(jī)械設(shè)備使用工況和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)油潤滑方式在特殊環(huán)境下無法應(yīng)用，例如在太空和微機(jī)械環(huán)境中只能依靠摩擦副自身性能減少摩擦、降低磨損。傳統(tǒng)涂層的缺陷導(dǎo)致其在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制多層膜正是將潤滑材料和抗磨材料有機(jī)結(jié)合并通過合理的結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計制備出具有減摩耐磨性能的涂層。多層膜結(jié)合選材和層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，兼具減摩、耐磨作用，其相關(guān)研究為解決材料摩擦學(xué)性能不足這一關(guān)鍵問題提供了可能。

二、摩阻材料

與減摩材料不同的是，摩阻材料利用自身高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)來工作的，因此也常叫摩擦材料。摩擦材料是汽車、飛機(jī)等運(yùn)動機(jī)械設(shè)備中起到制動、傳動、轉(zhuǎn)向等功能作用的關(guān)鍵性功能材料。

代表應(yīng)用↓↓：剎車片

摩擦材料的相關(guān)研究主要集中在摩擦材料的材料成分設(shè)計上，制動摩擦材料主要組成部分有增強(qiáng)纖維、填料、有機(jī)粘合劑。按照摩擦材料的產(chǎn)品材質(zhì)把摩擦材料分為石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料。石棉摩擦材料因其對人體健康的不利影響，逐漸被非石棉摩擦材料取代。常見的非石棉摩擦材料有如下幾種類型。

1、半金屬基摩擦材料

半金屬基摩擦材料，采用金屬或復(fù)合金屬纖維取代石棉纖維，是在有機(jī)與粉末冶金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種摩擦材料。其材料成分通常含有30%~50%左右的黑色金屬(如鋼纖維、還原鐵粉和多孔鐵粉)，半金屬摩擦材料因此得名。它是最早開發(fā)的替代石棉的無石棉材料。半金屬基摩擦材料的制備工藝已經(jīng)非常完善，首先將粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、增塑劑、摩擦組元等過篩配比，然后充分混料進(jìn)而入模熱壓成型，最后在鼓風(fēng)箱中固化處理獲得。

該類摩擦材料的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、吸收功率高，能夠滿足汽車在高速重載下的制動要求，在小型盤式制動器中適用性強(qiáng)，因此被廣泛應(yīng)用于汽車制動。

2、粉末冶金摩擦材料

熔鑄金屬和粉末冶金都屬于金屬基摩擦材料，該類摩擦材料主要應(yīng)用于列車及早期汽車制動領(lǐng)域。對于鋼、鑄鐵、青銅等的熔鑄金屬而言，由于單體金屬在制動過程中容易粘結(jié)且在高速高溫下摩擦系數(shù)低，需在其配方中加入其他摩擦組元來提高摩擦性能。例如，在列車閘瓦的鑄鐵材料中加入P與合金元素（如Ni、Cr、Ti、V）可提高耐磨性和摩擦系數(shù)。

粉末冶金是將減磨劑和增摩劑加入金屬粉末基體中，經(jīng)混合、壓制、燒結(jié)而成，粉末冶金摩擦材料也被稱為“燒結(jié)摩擦材料”，是一種采用粉末冶金技術(shù)制備而成的摩擦復(fù)合材料。該材料具有摩擦系數(shù)高、耐腐蝕、耐磨損、制動速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制動領(lǐng)域。其中銅基粉末冶金摩擦材料在高鐵制動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

3、非金屬基摩擦材料

當(dāng)今車輛正朝著高速化、輕型化的方向發(fā)展，對制動性能要求也不斷提高，為此人們研制出兩種高性能摩擦材料：陶瓷基摩擦材料與C/C復(fù)合摩擦材料。當(dāng)今國內(nèi)外主要研究的陶瓷摩擦材料包括C/C-SiC復(fù)合摩擦材料和Al2O3摩擦材料，該類材料具有高硬度、耐磨損、耐高溫、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于高檔轎車和高速列車制動。

以C/C-SiC（即碳纖維增強(qiáng)碳和碳化硅基體，碳陶剎車盤就是這個）復(fù)合摩擦材料的制備工藝為例，目前主要通過先驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）、化學(xué)氣相滲透法（CVI）、反應(yīng)熔體浸漬法（RMI）和溫壓-原位反應(yīng)法進(jìn)行制備。由于RMI和溫壓-原位反應(yīng)法制備周期短、成本低，近年來在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展。汽車主流剎車盤材料為灰鑄鐵，碳陶剎車性能更優(yōu)但成本更高，據(jù)悉，特斯拉modelsplaid可以選配的官方碳陶剎車套件售價高達(dá)兩萬美元但普通灰鑄鐵剎車售價一套不到1000元。

如果剎車盤有王者，它應(yīng)該叫碳陶

但小編有個疑問～它能為剎不住的特斯拉洗白嗎

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用 ，頂級跑車從時速300km/h制動至靜止，只需4秒鐘的剎車時間，剎車過程中的重力加速度可超過5G。而從200km/h制動至靜止，只需要2.9秒，剎車距離只需65米。從100km/h制動至靜止，只需1.4秒，以及17米的剎車距離。值得一提的是，再次期間剎車的瞬時溫度也會達(dá)到1200℃左右。能夠耐如此的高溫，且具有高的摩擦系數(shù)，這也是碳陶剎車盤的奇跡所在。

C/C復(fù)合摩擦材料通過碳纖維增強(qiáng)碳基體獲得，具有非常優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，但工藝復(fù)雜且造價昂貴，通常用于航空制動。目前世界上40多種民用飛機(jī)（波音B系列、空客A系列）和F16軍用飛機(jī)以及高鐵、賽車等都使用了C/C復(fù)合摩擦材料。

▲C/C復(fù)合摩擦材料的制備

總的來說，降低摩擦系數(shù)有利于增加耐磨性，但對于摩阻材料而言，其利用自身高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)來工作的，不能簡單的依靠減低摩擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)增加零部件的耐磨性能~

編輯粉體圈Alpha

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