第1章绪论
润滑是伴随着人类与摩擦斗争而产生的一门技术。摩擦是一种基本的物理现象，广泛存在于自然界和人类生活的方方面面。大到宇宙演变和天体运行，小到分子、原子、电子的运动，无不与摩擦息息相关。人类文明历史的发展进程其实也是一部利用摩擦和与摩擦做斗争的历史，一些重大的里程碑事件，大都与摩擦学知识的应用及润滑技术的进步紧密相连。例如，利用摩擦生热的钻木取火终结了人类茹毛饮血的时代，变滑动摩擦为滚动摩擦的车轮技术大大提升了运输效率[1]，动植物油脂作为润滑剂的应用极大地提高了古代人力车和马车的效率，矿物油脂润滑剂的广泛应用是工业革命的重要技术基础，固体润滑技术的发展为航空航天等现代装备技术的发展提供了重要的技术支撑等[2]。以上种种事例，无不说明摩擦和润滑在人类科技进步中的重要性。
摩擦和润滑是现代机械面临的共性问题。从空间机械到地面装备，从微型机械到超大型航空母舰，只要涉及机械运动，无不涉及摩擦和润滑问题。克服摩擦，提高机械传动效率*主要的技术途径就是润滑。随着现代机械的运行工况越来越苛刻、条件越来越复杂，以及不断提高的高效率、高精度、高可靠性和长寿命等方面的要求，对突破原有润滑材料性能极限的高性能润滑材料和技术的需求也越来越迫切，润滑材料和技术已经成为现代科学技术的基础支撑技术，因此发展高性能新型润滑技术具有至关重要的意义。
人类使用润滑材料已有悠久的历史。中外考古研究表明，早在史前文明时期，动植物油脂就已被广泛用作润滑剂；19世纪，矿物油脂取代动植物油脂成为主要润滑材料；第二次世界大战以后，随着航空、航天和现代交通等新兴产业的发展，以矿物油脂为代表的传统润滑材料已难以满足日益复杂甚至苛刻工况下机械的润滑要求，进一步发展了多种类型合成润滑油和以固体润滑材料(含自润滑表面工程)为代表的非油脂特种润滑技术；近年来，随着信息技术、微电子技术及纳米科技的飞速发展，分子级纳米润滑技术和纳米润滑材料的研究受到了人们的重视并取得了重要突破[1，3]。
超润滑又称超滑，具有超低摩擦系数，是一种特殊的摩擦现象。超润滑根据摩擦界面的物质形态，又分固体超润滑、液体超润滑和固液耦合超润滑，固体超润滑是指固/固摩擦副直接接触，形成摩擦界面，其摩擦系数显著小于固体润滑，甚至趋于零的摩擦状态；液体超润滑是指在固/固摩擦副之间，存在一层一定厚度的流体层或边界层，但摩擦系数显著低于流体润滑或边界润滑，甚至趋近于零的摩擦状态。超润滑是人类同摩擦做斗争发展到高级阶段的产物，是润滑技术前沿研究中一颗璀璨的明珠。
1.1摩擦学和润滑研究的主要内容和意义
摩擦学是摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究在摩擦与磨损过程中两个相对运动表面之间相互作用、变化及其相关理论与实践的一门学科。通常情况下，摩擦引起系统能量的损耗，磨损导致材料的损耗、表面损伤及部件失效，而润滑是减少摩擦和降低磨损*有效的手段。摩擦、磨损和润滑三者之间有着十分密切的关系。
1.1.1摩擦学和润滑研究的主要内容
(1)开展对于摩擦学机理和理论的研究。探究摩擦的起源和机理一直是人类认识世界所追求的目标之一。应该说，在科学技术发展日新月异，航天技术已经进入星际探测的今天，人类对自然现象之一——摩擦的认识，还有很长的路要走。尽管前人在相关领域已经有很多努力，但仍然缺乏在分子和原子层面对摩擦机理的深入认识，此外，缺乏统一的理论和模型来描述或精确地预测摩擦和磨损。因此，摩擦学机理和理论研究是现阶段摩擦学基础研究的热点和难点。摩擦学机理和理论研究主要包括摩擦的起因、摩擦机理、磨损和磨屑的形成机理、润滑机制和理论等多方面的内容；从学科分类的角度，包括摩擦物理、摩擦化学、摩擦力学、摩擦电学、摩擦热力学、摩擦声学、生物和仿生摩擦学，以及特殊工况条件下的摩擦学、磨损理论、润滑理论等。对这些问题的深入研究，有助于揭示摩擦磨损和润滑问题的本质，为解决工程实际中存在的摩擦学问题提供理论基础。
(2)针对工程摩擦学和润滑技术展开研究。摩擦学是一门技术学科，其主要价值体现在为工程服务，解决工程实际中的摩擦学和润滑问题。工程摩擦学和润滑技术研究内容十分丰富，所有机械装备，从天(如航天器)到地(如汽车)、从大(如航母)到小(如微机电)、从陆地(如高铁)到海洋(如舰船)、从生命体(如人体关节)到无生命体(如机器人)，只要有运动，就有摩擦和润滑问题，而解决摩擦和润滑问题*主要的途径就是采用先进的润滑技术。工程摩擦学和润滑技术包括摩擦学设计、摩擦学部件的制造、润滑材料和技术的选择及润滑状态的在线监测、摩擦学和润滑状态的全寿命管理等。工程摩擦学和润滑技术研究的核心是在具体工程或机械中，针对具体的摩擦副部件，应用摩擦学和有关学科知识，综合分析各种因素的影响，进行系统深入地研究，从而将摩擦学设计、润滑技术和机械设计、生产实践和设备的维护管理等联系起来，使机械产品的使用性能、可靠性、寿命等提高建立在科学的基础上。
(3)针对润滑耐磨表面工程技术开展研究。润滑耐磨表面工程技术，从大的分类上属于工程摩擦学和润滑技术的范畴，表面工程是实现超润滑的重要途径之一。摩擦是材料表面之间的相互作用，润滑效应发生在摩擦界面，因此材料的表面性能对其摩擦学性能，尤其是润滑性能有*直接的影响。聚焦材料的表面(表层)性能，利用物理和化学方法，对材料的表面(表层)进行再设计和制造，是解决摩擦学和润滑问题的有效途径。近几十年，润滑耐磨表面工程技术受到了广泛的重视和发展。据粗略统计，近年来，有关摩擦学方面的国际和国内会议中，与润滑耐磨表面工程技术相关的论文占总数的三分之一以上，说明润滑耐磨表面工程技术已经成为摩擦学研究的重要分支。在工程实际中，合理地选择摩擦副材料和表面工程技术，是有效控制摩擦系数、减少磨损、提高寿命的一项重要措施。随着科学技术的迅速发展，航天航空等技术领域对新型润滑材料提出了极高的性能要求，因此开展这一方面的研究无疑具有十分重要的社会效益和经济效益。
(4)开展对于润滑材料基因组学的研究。润滑材料基因组学属于材料基因组计划的分支内容，是传统润滑材料数据库研究的创新和延续，其主要目的是借助现有的润滑材料数据和先进的电子计算机技术，通过大数据高通量的分析计算，加速润滑新材料从设计、研发到应用的历程，发展新型润滑材料。润滑材料基因组学研究主要包括三个方面的内容：①建立可靠、开放、广泛适用的润滑材料数据库，并向材料数据库提供可靠的实验和工程应用数据；②开发有效、可靠的润滑材料模拟计算方法和软件工具；③发展高通量实验方法学，为理论和材料计算结果提供有效的验证工具。事实上，润滑材料性能数据是机械和工程设计必需的基础数据，是提高机械产品科研、设计、工艺和管理水平，提高产品性能，节约能源与原材料，降低生产成本的科学依据。早在材料基因组学研究之前，为了方便机械设计人员进行摩擦学设计，摩擦学科技工作者就力图建立对机械设计具有指导意义的润滑材料数据库，但相关工作的进展一直不尽如人意，其*主要的难题是润滑材料种类繁多，生产企业和研发单位不计其数，使得数据的搜集入库难度很大，这一方面的问题也是今后润滑材料基因组学研究面临的难题之一。
(5)针对摩擦学实验和润滑状态监测技术开展研究。摩擦学实验是摩擦学研究的重要内容，是人类认识材料摩擦学特性的直接手段，也是评价润滑材料性能的主要途径，主要是通过各类摩擦试验机进行评价。摩擦学实验根据其从基础数据获取到工程实际应用的顺序，分为实验室基本摩擦学性能实验、实验室模拟应用条件摩擦学性能实验、模拟实际应用工况的摩擦学性能台架实验及直接在装备上进行的摩擦学性能应用考核。通常情况下，采用何种形式的摩擦学实验，与其研究目的紧密相关。当前摩擦学实验的发展趋势是从宏观到微观，从定性到定量，从分散研究转向综合研究，从静态研究发展到动态原位研究，从而达到理清机理、定量计算、预测和控制摩擦磨损的目的，这些都对测试设备和测试技术提出了更高的要求。现代测试技术、新型传感器、新型测温技术、新型加载方式、表面分析技术、定位技术、控制技术等在摩擦学实验技术中的应用，极大地提升了摩擦学实验和润滑材料应用的技术水平，同时也促进了摩擦学研究的发展。
润滑状态的实时在线监测，对于确保大型重要工程装备的稳定可靠运行具有十分重要的意义。针对不同的润滑材料和技术，一般采用不同的润滑状态实时在线监测技术，如对于润滑油润滑系统，一般采用油液质量、油温、传动效率等在线检测技术；对于固体润滑系统，一般采用机械配合精度、磨损量检测，并辅以噪声、热、振动异常等测量。
(6)超润滑理论和技术是未来需要重点研究的内容。超润滑是近三十多年兴起的摩擦学研究前沿领域，受到了人们的广泛重视。目前，超润滑理论和技术的研究已经从*初的理论模型和概念的提出，历经原子尺度超润滑理论分析和测量、微纳尺度结构超润滑的设计与实现，发展到了宏观尺度结构超润滑的探索和实践，液体超润滑的本质与体系设计、工程导向超润滑技术的研发与应用等。超润滑研究之所以受到人们的广泛重视，一方面，契合了人类长期以来不断与摩擦斗争，希望彻底战胜和克服摩擦，提高机械传动效率和能源利用率的良好愿望；另一方面，超润滑研究也是人类从微观和宏观层面揭示摩擦和磨损科学本质，加深对摩擦磨损规律的认识，以及认识自然的需要。相信不久的将来，超润滑研究在科学和技术上的突破，必将给人类科技进步带来革命性的变化，起到划时代的作用。
1.1.2摩擦学和润滑研究的意义
摩擦学和润滑研究的意义主要体现在减少能源和材料损耗、为高技术机械的先进设计和制造奠定材料基础、打破影响装备系统可靠性和寿命的瓶颈三个方面。
(1)研究摩擦学和润滑技术有助于减少能源和材料损耗。摩擦是能源无谓损耗的主要原因，因摩擦而产生的磨损失效是机械材料的三大失效模式之一，而润滑则是解决部件摩擦和磨损问题*直接的手段。据统计，摩擦损失了世界一次能源的1/3，约有80%的装备损坏是各种形式的磨损引起的[4]，是机械设备失效*主要的原因。英国、美国、德国、日本近二十年曾对各自国家机电设备的摩擦磨损状况进行调查，其结果令人震惊，磨损问题每年造成的损失都在上千亿美元。我国存在技术落后、设备老化等多方面的原因，实际情况要严重得多。因此，控制摩擦、减少磨损、改善润滑性能已成为工业领域节约能源和原材料，改善设备运行状态的重要措施，同时，润滑技术的进步对于提高产品质量，改进机械设计，延长设备的使用寿命和增加可靠性等也有重要作用。摩擦学对工农业生产和人民生活存在巨大影响，引起了世界各国的普遍重视，成为近半个世纪迅速发展的技术学科之一，并得到了日益广泛的应用。
(2)研究摩擦学和润滑技术可以为高技术机械的先进设计和制造奠定材料基础。除了节约能源和增加效益之外，摩擦学和润滑研究的意义还体现在推进相关产业技术进步方面的作用。现代机械装备，尤其是航天航空等领域高技术装备，一方面，其设计越来越先进，如涉及极端高温、低温，超高载荷和速度，特殊介质和环境等极端工况条件下的应用；另一方面，对其可靠性和寿命的要求越来越高，如长寿命应用卫星，高可靠性航空发动机等。这就需要有适用于极端苛刻工况条件的高性能润滑材料作为保障，否则，一些先进的设计将无法实现，如高性能发动机需要耐高温超高承载润滑材料，航天技术需要真空环境润滑耐磨材料，核反应堆需要耐强辐射润滑防护材料等。此外，精密机械的进步对高精度和灵敏度的润滑技术提出了迫切的需求，包括尺寸精度和传动灵敏度两个方面，后者的技术基础就是工程化的超润滑技术。在这个意义上，摩擦学和润滑技术的进步无疑对推动整个科学技术的发展具有十分重要的意义。
(3)研究摩擦学和润滑技术有助于解决影响系统可靠性和寿命的瓶颈问题。润滑材料的使用部位往往也是现代高技术机械系统中直接经受极限工况考验的主要部位，因此也是系统失效故障的多发地点，局部的润滑和磨损失效问题常常会成为控制整个系统寿命和可靠性的技术瓶颈，一些重要的机械装备甚至可能因润滑失效而
展开
