一、 摩擦學的定義和歷史

喬斯特（1966）在具有里程碑意義的報告中首次報道了摩擦學一詞。該詞源自希臘語tribos，意為摩擦，因此直譯為“摩擦科學”。其流行的英語等效語言是摩擦與磨損或潤滑科學，也可以使用。後一個術語幾乎無所不包。詞典將摩擦學定義為在相對運動中相互作用的表面以及相關主題和實踐的科學和技術。摩擦學是一種將操作分析應用於具有重大經濟意義的問題的技術，這些問題包括航天器到家用電器等技術裝置的可靠性，維護和磨損。摩擦學介面中的表面相互作用非常複雜，對它們的理解需要掌握各種學科的知識，包括物理學，化學，應用數學，固體力學，流體力學，熱力學，傳熱，材料科學，流變學，潤滑，機械設計，效能，和可靠性。

只是摩擦學這個名稱相對較新，因為對摩擦學組成部分的興趣早於記錄的歷史。 眾所周知，在舊石器時代製造的用於鑽孔或生火的鑽頭上裝有由鹿角或骨頭製成的軸承，而用於碾磨穀物等的陶輪或石頭顯然需要某種形式的軸承。 在羅馬附近的尼米湖發現了一個約40年代的推力球軸承。

記錄顯示，公元前3500年以前使用了車輪，這說明我們的祖先對減少平移運動中的摩擦的關注。圖1.顯示了帶釘輪的兩輪收割車，大約1338 ad。大型石材砌塊和紀念碑的運輸需要摩擦裝置和潤滑劑（例如水潤滑雪橇）的專業知識。圖2.說明了大約1880年（公元前），埃及人用雪橇運輸沉重的雕像。在這次運輸中，有172名奴隸被用來沿著木製軌道拖拉一個重約600 kN的大型雕像。看到一個人站在支撐雕像的雪橇上，將液體（很可能是水）倒入了運動路徑；也許他是最早的潤滑工程師之一。估計每個人施加的拉力約為800N。在此基礎上，必須至少等於摩擦力的總力變為172×800N。因此，摩擦係數約為0.23。埃及的一座可追溯至公元前幾千年的墓葬提供了使用潤滑劑的證據。該墓中的戰車在其車輪軸承中仍含有一些原始的動物油脂潤滑劑。

圖1、帶有鉚釘車輪的兩輪收割車的圖紙。約1338年

圖2、埃及人使用潤滑劑來幫助運輸石頭巨像，埃爾·伯謝，約公元前1880年

在羅馬帝國期間和之後，軍事工程師透過運用摩擦學原理設計戰爭機器和設防方法而聲名顯赫。正是文藝復興時期的工程師達芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519年）在他的時代為他的軍事建築天才以及繪畫和雕塑而慶祝，他首先提出了一種科學的摩擦方法。達芬奇推導了控制在平面上滑動的矩形塊的運動的規則。他首次介紹了摩擦係數的概念，即摩擦力與法向載荷的比。但是，他的作品沒有歷史影響，因為他的筆記本數百年來一直未出版。 1699年，法國物理學家紀堯姆·阿蒙頓（Guillaume Amontons）研究了兩個平坦表面之間的幹滑之後，重新發現了摩擦規則。首先，抵抗介面滑動的摩擦力與法向載荷成正比。其次，摩擦力的大小不取決於表觀的接觸面積。法國物理學家查爾斯·奧古斯丁·庫侖（Charles-Augustin Coulomb）（以他在靜電學方面的工作而著稱）證實了這些觀察結果。他補充了第三定律，即運動一旦開始，摩擦力就與速度無關。他還明確區分了靜摩擦和動摩擦。

在1500年代出現了許多其他發展，特別是在使用改進的軸承材料方面。 1684年，羅伯特·胡克（Robert Hooke）提出，將鋼軸和鐘形金屬襯套的組合比用於車輪軸承的帶鐵的木頭氈板更好。 十八世紀後期，工業化的發展伴隨著進一步的發展。 石油工業的早期發展始於1850年代的蘇格蘭，加拿大和美國。

雖然艾薩克·牛頓爵士在1668年提出了粘滯流動的基本定律，但直到19世紀末才對潤滑軸承的執行有了科學的瞭解。 實際上，透過波尚塔（1884）的實驗研究和奧斯本雷諾茲（1886）的理論解釋以及N.P.的相關工作，使我們對流體動力潤滑原理的瞭解成為可能。 彼得羅夫（1883）。 從那時起，為了滿足新機械對可靠軸承的需求，流體動力軸承理論和實踐的發展非常迅速。

磨損是比摩擦和軸承發展要年輕得多的主題，它是在很大程度上基於經驗的。 直到二十世紀中葉，對磨損的科學研究才得以發展。 拉格納·霍爾姆（Ragnar Holm）對磨損的研究做出了最早的實質性貢獻之一。

在西方，工業革命（1750–1850年）被認為是生產機械迅猛發展的時期。 蒸汽動力的使用以及1830年代鐵路的發展，1900年代初期的汽車和1940年代的飛機，導致了對可靠機器部件的需求。 自二十世紀初以來，由於巨大的工業增長導致對更好的摩擦學的需求，摩擦學各個領域的知識都得到了極大的擴充套件

二、 摩擦學的工業意義

摩擦學對於使用滑動和滾動表面的現代機械至關重要。 產生摩擦的例子有制動器，離合器，火車和汽車上的驅動輪，螺栓和螺母。 生產性磨損的例子包括用鉛筆寫字，機械加工，拋光和剃刮。 非生產性摩擦和磨損的示例是內燃機和飛機發動機，齒輪，凸輪，軸承和密封件。

根據一些估計，由於對摩擦學的無知而造成的損失在美國約佔其國民生產總值的4％（或1966年每年約2000億美元），約佔世界目前使用能源的三分之一 表現為一種形式或另一種狀態的摩擦。 因此，出於經濟原因和長期可靠性，不能過分強調降低摩擦和控制磨損的重要性。 根據喬斯特（1966，1976）的觀點，透過更好的摩擦學實踐，可以實現工業國家國民生產總值節省約1％。 根據最近的研究，預期的節省將是研究成本的50倍。 節省的費用既實惠又可觀，而且無需部署大量資本即可獲得這些節省。

可以理解，摩擦學的研究目的是最小化和消除涉及表面摩擦的所有技術水平的摩擦和磨損造成的損失。 摩擦學研究可提高裝置效率，提高效能，減少故障並顯著節省成本。

自1800年代以來，摩擦學在許多需要相對運動的工業應用中一直很重要，例如鐵路，汽車，飛機和機械零件的製造過程。 這些應用中使用的一些摩擦學機械部件包括軸承，密封件，齒輪和金屬切削件。 自1980年代以來，其他應用包括磁儲存裝置，微/奈米機電系統（MEMS / NEMS）以及生物醫學和美容產品。 在2000年，已經開發出生物啟發的結構和材料，其中一些是生態友好的，並已用於各種應用。

摩擦學不僅對重工業很重要，而且還會影響我們的日常生活。 例如，寫作是一個摩擦過程。 透過將鉛（鉛筆）或墨水（筆）轉移到紙張上來完成書寫。 用鉛筆書寫時，鉛與紙之間應有良好的粘合性，以使少量鉛轉移到紙上，並且鉛應具有足夠的韌性/硬度，以使其不會斷裂/折斷。 剃鬚的目的是儘可能有效地從身體上去除毛髮，並最大程度地減少對面板的不適。 剃鬚膏用作潤滑劑，以最大程度地減少剃刀和面板之間的摩擦。 步行和駕車期間摩擦會很有幫助。 沒有足夠的摩擦，我們會打滑，汽車會打滑！ 摩擦學在體育運動中也很重要。 例如，在滑雪期間，滑雪板和冰之間的低摩擦是合乎需要的。 人體面板接觸時，織物纖維應具有低摩擦力。

為了低摩擦和低磨損，需要潤滑身體關節，以避免骨關節炎和關節置換。 關節中存在的軟骨表面層提供了軸承表面，並用由潤滑脂，透明質酸（HA）和脂質組成的關節液潤滑。 護髮素可包裹頭髮，以修復和潤滑頭髮。 它包含有機矽和脂肪醇。 低摩擦力和附著力可在潮溼和乾燥的環境中提供光滑的感覺，減少在搖動和彈跳過程中頭髮纖維之間的摩擦力，並易於梳理和造型。 護膚霜和乳液用於減少手指與身體面板之間的摩擦。 唾液和其他粘液生物流體潤滑並促進食物和軟性液體透過人體的運輸。 口中的唾液與食物相互作用並影響口感。

三、 微米/奈米摩擦學的起源和意義

在大多數與技術相關的介面上，接觸發生在許多粗糙處。因此，人們早已認識到研究單個粗糙接觸在研究表面的基本摩擦學和力學效能方面的重要性。近端探針的出現和發展，特別是基於尖端的顯微技術（掃描顯微鏡和原子顯微鏡）以及用於模擬尖端與表面之間的相互作用和介面性質的計算技術，已經可以對具有高應力的介面問題進行系統的研究。解析度以及修飾和操縱奈米級結構的方式方法。這些進步導致了微米摩擦學，奈米摩擦學，分子摩擦學或原子尺度摩擦學新領域的發展。該領域涉及從原子和分子尺度到微米尺度的過程的實驗和理論研究，這些過程發生在滑動表面的粘附，摩擦，磨損和薄膜潤滑期間。

圖.3對比了常規或宏觀摩擦學與微觀/奈米摩擦學之間的差異。 在宏觀摩擦學中，在過載條件下對質量相對較大的元件進行測試。 在這些測試中，磨損是不可避免的，而配合元件的整體效能則佔了摩擦學效能的主導。 在微米/奈米學中，在輕載條件下以相對較小的質量對至少一種配合元件進行測量。 在這種情況下，發生的磨損可忽略不計，並且表面性能主導著摩擦效能。

宏觀摩擦	微米/奈米摩擦
大質量	小質量 （μg）
過載	輕載 （μg 至 mg）
磨損（不可避免）	沒有磨損（少量原子層間）
整體材料參與	表面（少量原子層參與）

圖3、宏觀摩擦學和微米/奈米摩擦學的比較

需要進行微米/奈米摩擦學研究，以小規模發展對介面現象的基本瞭解，並研究磁儲存系統，微米/奈米機電系統（MEMS / NEMS）和其他工業應用中使用的微米和奈米結構中的介面現象。在微結構和奈米結構中使用的元件非常輕（大約幾微克），並且在非常輕的負載（大約幾微克到幾毫克的數量級）下工作。結果，輕負載的微米/奈米元件的摩擦和磨損（奈米級）高度依賴於表面相互作用（少數原子層）。這些結構通常用分子薄膜潤滑。微觀摩擦學和奈米摩擦學技術是研究微觀結構和奈米結構的摩擦和磨損過程的理想方法。儘管微觀/奈米摩擦學研究對於研究微觀結構和奈米結構至關重要，但這些研究對於宏觀結構中介面現象的基本理解也很有價值，從而為科學與工程之間的橋樑提供了橋樑。

掃描顯微鏡，原子和摩擦顯微鏡以及表面儀器被廣泛用於微米/奈米摩擦學研究。為了提供該領域的歷史觀點，由Gerd Binnig博士和Heinrich Rohrer博士及其同事於1981年在IBM蘇黎世研究實驗室Forschungslabor開發的掃描顯微鏡（STM）是第一款能夠直接獲得三維空間的儀器。 （3D）具有原子解析度的固體表面影象。 STM僅可用於研究某種程度上具有導電性的表面。 Binnig等人在1985年根據他們對STM的設計。 （1986，1987）開發了一種原子力顯微鏡（AFM），用於測量AFM尖端表面和樣品表面之間存在的超小力（小於1μN）。原子力顯微鏡可用於測量可能是導電或絕緣的所有工程表面。原子力顯微鏡已成為一種流行的表面輪廓儀，可用於從微米級到奈米級的形貌測量。改進後的AFM被用來測量法向力和摩擦力，通常被稱為摩擦力顯微鏡（FFM）或側向力顯微鏡（LFM），用於測量微米級和奈米級的摩擦力。 AFM還用於研究附著力，刮擦，磨損，潤滑，表面溫度，以及用於測量彈性/塑性機械效能（例如壓痕硬度和彈性模量）。表面力裝置（SFA）最早是在1969年開發的，用於研究夾在兩個分子光滑表面之間的分子液體薄膜的靜態和動態特性。

同時，在理解材料中鍵合和相互作用的基本性質方面的重大進展，再加上基於計算機的建模和模擬方法的進步，使得對複雜介面現象進行時空高解析度的理論研究成為可能。 這種模擬提供了摩擦學過程中原子尺度的能量學，結構，動力學，熱力學，傳輸和流變學方面的見識。 此外，這些理論方法可指導實驗資料的解釋和新實驗的設計，並能夠基於原子原理預測新現象。

圖4、宏觀、微米、奈米摩擦學研究的尺度和受力大小對比