微观世界的力学博弈：材料摩擦磨损试验机在表面工程与智能运维中的前沿应用

2025/12/12企业新闻新闻中心行业新闻 30

摩擦与磨损，这对存在于几乎所有相对运动副中的孪生现象，每年消耗着全球巨量的能源，并导致机械设备的性能退化与失效。材料摩擦磨损试验机，作为在微观和介观尺度上研究这一复杂界面行为的科学仪器，其使命早已超越了简单的材料耐磨性排序。它正演变为一个解密摩擦学机理、指导表面工程设计、预测系统服役寿命，乃至赋能智能运维与绿色制造的综合性研发与评价平台。

一、摩擦磨损试验的多尺度与多参数评价体系

摩擦磨损是一个受众多因素（材料副、载荷、速度、温度、介质、表面形貌等）耦合影响的系统行为。现代试验机致力于构建一个多维度的评价体系，以全面刻画摩擦学性能。

基础参量精准测量：摩擦系数是核心监测指标，高精度扭矩传感器可实时记录其动态变化曲线，其均值、方差和突变点均蕴含丰富信息。磨损量的评估则从单一的重量损失，发展到三维形貌表征。通过白光干涉仪或激光共聚焦显微镜对磨痕进行扫描，可以获得磨损体积、最大磨深、截面轮廓等更精确的数据。对于薄膜或涂层，划痕试验机通过连续增加法向载荷并监测声发射信号，可精确测定其结合强度与失效临界载荷（Lc）。

模拟典型接触形式的试验机理：

球-盘/销-盘试验：用于基础研究和材料筛选，接触应力高，易产生标准磨痕。
环-块试验：模拟滑动轴承的接触条件，适合油润滑剂评价。
往复试验：模拟导轨、活塞环-缸套等往复运动，关注行程中段的润滑状态与两端停顿带来的边界润滑问题。
四球试验/高频线性振荡（SRV）试验：用于极端压力（EP）添加剂和润滑剂的性能评定，关注焊接载荷和抗擦伤能力。

多环境耦合试验：摩擦磨损行为对环境极为敏感。试验机可集成高温炉、真空腔、气氛控制箱、液体腐蚀槽等。研究材料在高温下的摩擦氧化行为、真空条件下的干摩擦特性、腐蚀介质中的磨损-腐蚀协同效应（Tribocorrosion），对于航天、能源、化工等特殊环境下的装备选材至关重要。

二、原位观测与摩擦化学：揭示界面“黑箱”奥秘

传统“事后分析”无法捕捉摩擦过程中的瞬态变化。现代先进试验机强调原位、实时的观测与分析能力。

微观形貌与化学状态的实时监测：

原位观察窗与高速摄像：通过蓝宝石观察窗，高速摄像机可以直击摩擦接触区，观察磨屑的产生、聚集、排出过程，以及表面膜的生成与破坏。
原位拉曼光谱/红外光谱：将光谱探头对准摩擦界面，可以在试验过程中实时分析摩擦表面化学键的变化，直接检测润滑剂分子的结构转变、摩擦聚合膜（Tribofilm）的形成以及材料的相变（如石墨向金刚石相的转变），为摩擦化学研究提供直接证据。
原位电化学工作站：在腐蚀介质中进行摩擦试验时，同步监测工作电极（被测试样）的电化学阻抗谱（EIS）或开路电位（OCP）变化，可以定量区分机械磨损与电化学腐蚀的贡献，深入理解磨损-腐蚀的交互作用机理。

磨屑的在线收集与分析：磨屑是摩擦过程的“化石”记录。通过在线磨屑收集装置（如磁性或过滤收集）并结合扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析，可以判断磨损机制（粘着、磨粒、疲劳、氧化）的演变，以及材料转移情况。

三、智能预测、表面设计与数字孪生

摩擦学数据与人工智能、模拟计算的结合，正在改变材料研发与设备运维的模式。

数据驱动的摩擦材料设计与性能预测：当积累了包含材料成分、工艺参数、试验条件与摩擦磨损结果的海量数据库后，机器学习算法（如随机森林、神经网络）能够建立从材料配方与工艺到最终性能的复杂非线性映射模型。这可以用于逆向设计：给定目标性能（如低摩擦、高耐磨、特定温度下稳定），由模型推荐最优的材料组分与处理工艺，极大加速新材料的研发进程。

表面织构与涂层体系的优化设计：试验机是验证表面改性技术效果的终极工具。通过测试不同图案（凹坑、沟槽）、尺寸、密度的表面微织构在不同润滑条件下的摩擦学性能，可以找到最优的织构参数以产生流体动压效应或磨屑存储效应。对于多层、梯度或纳米复合涂层，试验机可以系统评价其承载能力、韧性、抗疲劳剥落性能，为涂层体系的结构设计提供反馈。

摩擦学数字孪生与寿命预测：基于摩擦学机理（如Archard磨损方程）或数据驱动模型，构建关键运动副（如轴承、齿轮）的数字孪生体。将试验机获得的材料磨损率、摩擦系数等基础数据作为输入，结合实际设备的运行工况（载荷、转速）监测数据，该数字孪生体能够实时预测摩擦副的磨损状态演化、剩余厚度和潜在的失效时间，为实现基于状态的预测性维护提供核心支持。