首次接触就会发生摩擦损失！科学家利用新方法研究摩擦现象

物质之间的磨损无论对经济效率还是人体健康来说都有重大影响。所有活动部件也都会受到磨损的影响，例如风力发电厂或人工髋关节的轴承。然而，磨损发生的确切原因目前仍不清楚。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家们最近研究表明，磨损现象在材料的第一次接触时就出现了，并且还总是在同一点上发生。这项发现有助于优化材料性能，可减少能源和原材料的消耗。研究人员把这两项研究的结果发表在了《Scripta Materialia》杂志上。（文章题目分别为“The origin of surface microstructure evolution in sliding friction”和“Stages in the tribologically-induced oxidation of high-purity copper”）

当物体间相互粘附，滑动或滚动接触时，就会发生摩擦。出现摩擦力就代表会发生能造成巨大经济损失的磨损现象。一般运输部门大约需要30%的能源消耗来克服摩擦现象。

2017年德国一年因摩擦和磨损现象而导致的经济损失相当于国内生产总值的1.2%至1.7%，约为425亿至555亿欧元。众所周知，摩擦双手会使手变暖，而材料对摩擦的反应要远比这个复杂得多。

德国弗劳恩霍夫材料力学研究所所长与负责人，Peter Gumbsch教授说：“在摩擦和磨损过程中，会同时发生很多变化。但是这个过程是如何开始的，是在哪里形成磨损颗粒，以及摩擦到底能产生什么影响这都还很难理解，因为迄今为止没有人直接在摩擦副表面下进行过观察。但是我们可以做到，因为我们开发了一种新的微观方法。该方法能揭示出材料中的尖锐界面，在这个区域内磨损颗粒可以被分离出来。我们就是想找出摩擦和磨损能导致材料失效的原因。”

在他们的研究中，研究人员想在150到200纳米的深度探测出一条明确的分界线。在这条线上已经形成了第一次接触并且是不可逆转的。这是也就是材料之后会发生损害的根源。科学家们测试了各种各样的材料，如铜、黄铜合金、镍、铁或钨，并且总是得到了相同的结果。

Gumbsch教授还说：“这些结果都是全新的，而且我们也没有预料到。这些新发现有助于理解和重现在分子尺度上发生的摩擦过程。”Gumbsch教授补充道：“一旦我们了解所发生的影响，我们就可以具体问题具体实施。我的目标是为了在未来可以生产具有更好摩擦性能的合金或材料。”

波形运动

材料中产生的缺陷就是所谓的位错。位错是产生塑性变形的原因，而且塑性变形是一种不可逆变形。当原子间发生相互迁移时，就会产生位错。最终结果就是原子波在物质中传播方式就是类似于蛇的运动。

KIT应用材料研究所-计算材料科学（IAM-CMS）的Christian Greiner 博士解释说：“我们发现，这些位错在摩擦过程中形成了以自组织方式观察到的线状结构。而且在每个实验中都发生了这种现象。”

科学家们将观察到的效果与可以进行解析计算的材料中的机械应力分布进行了比较。计算证实，某些位错类型在应力场中自组织的深度在100到200 nm之间。

摩擦可以加速氧化

除了上述效应外，科学家还使用铜样来研究摩擦对表面氧化的影响。经过几个摩擦循环后，铜样表面形成了氧化铜斑点。随着时间的推移，它们生长成半圆形的纳米铜氧化物团簇。氧化铜纳米晶的尺寸在3-5纳米之间，而且还被一种非晶态结构所包围。之后它们会越来越多地生长到材料中，直到它们重叠并形成一个封闭的氧化物层。根据Greiner所说，这种现象在很长一段时间就被人所知，但其影响原因到目前为止仍然是未知的。

Greiner还说：“了解摩擦是如何引起的氧化过程是非常重要的。在材料科学中，铜的使用相当频繁。而且铜也是生产可移动部件的重要材料。”

许多轴承都是由铜合金组成的，如青铜或黄铜。因此，这一研究结果对铜加工行业也颇有意义。

硬质球与软铜相接触

这两项研究所用的方法都相当简单：一个蓝宝石球以一种非常光滑、缓慢、可控的方式直接穿过纯铜板。选择蓝宝石球，是因为每个宝石球都能保证完全一致，由于蓝宝石的硬度高，球本身的可重复接触和摩擦可以忽略不计。在每次穿过纯铜板之后，研究人员还测量了金属内部的变形和结构变化。