中国学科发展战略·润滑材料
润滑材料的科学技术意义与战略价值
摩擦是普遍存在的基本物理现象之一，只要有相对运动的表面，就会产生摩擦并可能造成磨损。摩擦是机械耗能的主要方式之一，也是机械失效的主要原因之一。中国工程院 2007 年完成的《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》咨询报告中指出，我国工业领域应用摩擦学知识可节约的潜力约为国内生产总值（gross domestic product，GDP）的 1.55%。合理使用润滑材料技术是减少或者降低摩擦磨损的最有效手段。
实现对摩擦的调控及可靠的润滑对节约能源十分关键。润滑材料是所有运动动力系统高效可靠运行的最重要保障，广泛应用于高端装备、新能源、交通运输等行业领域。高端合成润滑油脂、高性能固体润滑材料一直是发达国家的敏感技术，研究成果广泛应用在航空、船舶、核工业等领域。加强摩擦学的研究和发展，将为装备制造、航空航天、船舶、矿山冶金、生命与健康等相关产业以及能源清洁生产和高效使用、减少温室气体排放等领域提供可靠的润滑解决方案，有效促进经济和社会发展。本章将概述润滑材料学科的发展历程及其研究意义和战略价值。
第一节 润滑材料的发展过程及其学科地位
润滑材料学科的发展与机械工程、物理学、化学、生物学、能源科学、信息技术等学科紧密关联。润滑材料的种类众多，从形态上可以分为固体润滑材料、液体润滑材料和气体润滑材料，从材料种类上可以分为金属基润滑材料、无机非金属基润滑材料和聚合物基润滑材料等。作为一类重要的功能材料，润滑材料成功应用于生活中的各个方面，其发展也关乎一个国家的国防安全。先进的润滑材料技术是航空、航天、航海、装备制造等领域发展的重要保障。
润滑属于摩擦学的重要内容。摩擦学是研究表面摩擦行为的学科，即研究相对运动或有相对运动趋势的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损及三者相互关系的基础理论和技术。润滑是减小摩擦、降低磨损的重要手段，虽然需要增加摩擦的需求广泛存在，但对于大多数运动部件，都希望降低摩擦和磨损，因此润滑在整个摩擦学中占有重要的地位。润滑科学伴随着对摩擦的认识以及减小摩擦的实践发展起来，经历了漫长的过程，表 1-1 列出了人类对摩擦认识的重要事件。
表 1-1 人类对摩擦认识的重要事件
由摩擦学发展的重要节点可以看出，润滑学科是随着对摩擦现象的逐渐认识、由常识到量化描述逐渐发展起来的。理想接触情况下，流体润滑的油膜厚度计算已能很好地符合实际情况，但摩擦学的复杂之处在于无法获知流体润滑和边界润滑条件下的真实接触，在这方面还面临很多挑战，需要更好的模型进行描述。润滑材料的发展与对摩擦的认识及为满足当时社会的需求相适应，大致经历了以下三个阶段。
（1）从认识润滑现象到开始使用动物油脂和植物油（牛油、羊油、菜籽油等）作为润滑剂以来，润滑材料逐渐进入人类的生活。第一次工业革命以后，以石油为原材料的矿物油逐渐取代动植物油脂，成为普遍的“工业血液”。这期间，大量不同牌号的矿物油与润滑脂涌入市场，为人类的工业文明做出了巨大贡献。当矿物油难以满足高低温、高承载、抗氧化等应用需求时，人们发展了一系列具备极压抗磨、抗氧化、抗腐蚀等特殊性能的添加剂，从而有效改善了传统矿物油的润滑特性。
（2）第二次世界大战期间，战争的需求带动了航空、原子能、重炮、坦克等领域的发展与进步，从而对润滑材料提出了新的要求。这一阶段最大的成果就是一系列合成润滑油及高性能添加剂的创制，如合成酯类油、聚 —烯烃、合成磷酸酯、全氟聚醚等。与此同时，为满足航天工业及核技术的发展，固体润滑材料应运而生。
（3）20 世纪末期，不同种类的润滑材料（如纳米润滑材料、离子液体润滑材料、水基润滑材料、高分子润滑材料、金属基润滑材料、超分子凝胶润滑剂等）相继被人们关注并逐步获得应用。与此同时，润滑材料的选择更关注环境安全，天然的润滑剂成为研究的热点，市场上出现很多绿色润滑剂产品。
我国在公元前 2000 年左右的夏朝已经发明了带有轮轴的战车，可以明显降低滑动摩擦。刘安编著的《淮南子 原道训》中记载了水的润滑特性：“夫水所以能成其至德于天下者，以其淖溺润滑也。”但是我国的摩擦润滑没有形成科学体系。中华人民共和国成立后，一批留学回国的科学家推动了中国摩擦学事业的发展，创立了润滑学科。在过去几十年间，我国研究发展了比较齐全的润滑材料体系，从更深层面上理解了材料的构效关系，总结了一系列材料使役过程中的结构演化与性能演变的规律，使润滑学科得到了快速发展，表现在以下四个方面。
（1）我国润滑材料研究的阵营逐渐扩大，国际影响力与日俱增。以中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室、清华大学摩擦学国家重点实验室等为代表的研究机构在国际摩擦学领域占有举足轻重的地位。先后有一批学术带头人在国际上产生了重要影响，涌现出了一大批具有创新能力的研究队伍，培养了一批具有创新能力的中青年骨干人才，形成了一支稳定而富有竞争力的研究队伍。
（2）润滑材料研究门类齐全，润滑材料基础研究水平显著提高。据统计，我国目前在摩擦学领域发表的《科学引文索引》（Science Citation Index，SCI）论文和申报的专利数量稳居世界第一，诸多润滑材料科技工作者在国际国内重要的摩擦学刊物任主编或者编委会成员。
（3）润滑材料学科在我国材料学科群体中扮演了重要的角色。某些关键润滑材料和润滑技术的研究取得突破性进展，为我国诸多重大战略工程提供了坚实的润滑保障，包括载人航天和探月、高速铁路、核电、大型风电机组等。润滑材料学科与机械工程、材料、化学、物理、计算机等学科高度交叉融合，相辅相成；同时作为机械工程学科的一个重要分支，它对推动我国机械工程的发展具有重要意义。
（4）国家资助平台完备。国家自然科学基金委员会、科技部、各省区科技厅等多个部门都对润滑材料学科的发展给予了相应的资助；企业需求旺盛，从事润滑材料生产与应用的企业众多，极大地促进了我国润滑学科的发展。
第二节 润滑材料对推动其他领域及学科发展所起的作用
我国正在从“制造大国”向“制造强国”及“智能制造”的目标迈进，主要表现为大力发展高端制造、航空航天、交通运输、能源、海洋、生物与仿生等领域，对高端润滑材料的迫切需求更加突出。2014 年，工业和信息化部向中国工程院发出“关于委托开展工业强基战略研究的函”，指出基础能力不强是制约工业由大变强的主要瓶颈。其中，高端润滑材料也面临苛刻环境适应性、性能安定性、产品精细化等瓶颈问题，导致在相关领域应用的关键润滑零部件发展跟不上装备的发展需求，最直观的表现是我国高性能轴承、齿轮、密封件、螺丝等基础零部件还要依赖发达国家，这严重制约了我国高端装备的升级换代与性能提升，其中既有制造的问题又有润滑的问题。以下从七个代表性的应用领域简要分析润滑材料学科发展及其对推动相关领域或学科进步所发挥的作用。
一、对航空工业领域的推动作用
航空工业的发展使航空飞行器及其动力传动系统面临更高速度、更高温度、更高负荷等技术挑战，同时要求相关的材料技术更加节能环保和更加安全可靠。高性能润滑油脂（耐高温、抗氧化、高安定性）和长寿命固体润滑材料（聚合物复合润滑材料、纤维织物固体润滑材料、块体耐高温抗磨损材料）的研发将有力地推动我国航空工业的发展。
二、对空间技术领域的推动作用
空间环境（高 / 低温交变、高真空、强辐射、高承载、高 / 低速度、特殊介质和气氛）对润滑材料的性能具有特殊的要求。应研制发展具有耐候性和耐辐照性能的高性能润滑油脂、固体润滑薄膜、固体润滑复合材料，从而满足高精度、高可靠性和超长寿命的使用要求，支撑航天事业的发展。
三、对精密机械和电子信息技术领域的推动作用
该领域传动部件具有传输效率高、反应灵敏、运行平稳可靠、无振动和噪声等特点。应研制发展具有超低摩擦系数和长寿命的润滑薄膜材料，从而保障传动部件的高可靠、长寿命运行，推动和促进该行业的发展。
四、对交通运输领域的推动作用
长寿命环境友好润滑油脂、高性能固体润滑材料技术可广泛应用于交通运输领域的动力传动系统，我国目前相关材料的性能与可靠性都有待进一步提高，以推动该行业的技术进步。
五、对民用工业领域的推动作用
模具（高精密光盘模具、注塑模具、冲模等）、工具（钻头、有色金属加工工具、铣刀、刀片等）用加工润滑液产品的润滑抗磨损性能十分关键，相关研究亟待加强；矿山冶金设备用高承载、耐高温润滑油和润滑脂的国产化替代应该得到重视。上述领域润滑材料的研发将为我国加工制造业做出应有的贡献。
六、对海洋环境领域的推动作用
我国提出的海洋强国战略显现出国家对发展海洋产业的决心。海洋资源开发和海洋经济发展的各项活动都离不开相关装备的支持，海洋运输船舶、潜艇/潜器、水下机器人、海底采矿装备、海底油气开发设备等相关设施都是为海洋开发服务的关键装备。海洋开发装备在苛刻的海洋环境下的服役性能（如腐蚀摩擦交互、防腐耐磨密封、海洋防污减阻）研究应予以强化，并应重视相关润滑材料技术的研发与应用，以支撑海洋强国战略的实施。
七、对生物医药领域的推动作用
生命健康领域与摩擦磨损密切相关。我国应重视天然生物系统内部器官和外部表皮组织的生物摩擦学性能研究，从仿生的角度认识生物替代润滑材料的摩擦磨损机理和失效机制，如人体置换关节的摩擦磨损及其与生物组织的相互作用、血液在人工心脏瓣膜上的黏附、牙齿的磨损、皮肤的摩擦等，研制适用人体需求的生物相容润滑材料，推动相关生物医药器械的发展。
高端润滑材料广泛用于航空航天、高速铁路、精密机床、风力发电、核工业等重要工业领域。同时，为了保障我国智能制造、先进制造及重大装备设施的快速发展，必须将润滑材料学科摆在更加重要的战略高度予以考量，用先进材料技术“润滑”中国新时代经济的发展。
第三节 润滑材料在国家总体发展布局中的地位
润滑材料学科在国家总体发展布局中的重要地位主要体现在润滑材料对工业发展的推动作用。同时，润滑材料作为发展相关领域的关键性材料，其性能将明显影响相关装备的发展及使用寿命。可以认为，润滑材料的发展水平直接关系到我国工业制造与智能制造的水平，其在国家总体发展布局中占有非常重要的地位。现代润滑材料学科的发展涉及润滑材料本身的设计、制备与加工，润滑材料使役及润滑机理研究等方面。考虑到应用工况的诸多差异，润滑材料日益向精细化、个性化定制方向发展。
我国润滑材料学科的发展一直面向应用，从实际需求出发，积极解决工程机械领域中所面临的润滑问题，取得了一系列重要成果。面向未来的学科发展态势及国家高技术工业发展对润滑材料技术的需求，应该重点发展以下七个方面的润滑材料技术。
一、新型加工制造业用润滑材料
传统的加工制造业，尤其是金属加工行业，普遍采用的方式是磨削液（切削液）喷溅法以降低加工区温度，大量使用的金属切削液必然带来环境的严重污染，同时增加了制造与回收成本。
基于此，加工制造业正逐步向绿色磨削技术以及智能磨削技术转变。绿色磨削技术是一种基于绿色制造理念，从生态学与经济学角度充分考虑环境和资源两大问题的现代制造模式，其对大生态环境和小加工现场都无毒副作用或毒副作用很小。在此前提下，发展绿色的金属切削液就显得尤为重要，国外在这方面的研究起步早，相关技术较成熟，我国应该吸取国外的经验，加大这方面的研发力度，发展系列的绿色环保型切削液。
在钢铁、冶金、轧机行业方面，需要使用具有高承载能力、耐高温、抗氧化的合成润滑油脂。我国在该方面缺乏足够的研究基础，而国外的产品价格很高，一些关键的添加剂的工艺配方对我国处于技术封锁状态。为此，润滑材料学科应该与有机学科、高分子材料学科共同努力，通过合理的分子结构设计获得具有高性能的润滑油脂材料。
二、汽车工业用润滑材料
在汽车工业方面，高端的润滑材料和技术及关键零部件生产的核心技术均掌握在国外独资或合资公司手中，如辉门（Federal-Mogul）公司和马勒集团（MAHLE Group）公司都在其生产的运动部件中广泛采用表面固体润滑膜技术，以降低摩擦磨损，延长运行寿命，提高可靠性。我国在该方面起步较晚，尽管在汽车发动机用超薄碳膜和其他一些硬质涂层材料研究方面取得了一些进展，但在实际推广应用中依然存在诸多问题，相关材料技术还有待于深入研究。
三、轨道交通行业用润滑材料
在高速铁路行业方面，目前轴承、齿轮等传动系统主要使用德国舍弗勒集团（Schaeffl er Group）公司、瑞典斯凯孚（SKF）公司、美国铁姆肯（Timken）公司和日本恩梯恩（NTN）公司等国外知名公司产品，相关的润滑油、润滑脂也一直使用国外跨国公司产品，如埃克森美孚（Exxon Mobil）公司、荷兰皇家壳牌集团（Royal Dutch Shell Group）公司、克鲁勃润滑剂（Klueber Lubrication）公司等公司的相关润滑油脂。为此，我国应加快研制发展轨道交通行业用润滑材料，满足交通行业不断增长的应用需求。
四、航空领域用润滑材料
在航空领域，提高增压比、涡轮前燃气温度和发动机转速仍然是提高航空发动机推重比的最直接技术方法。因此，一方面需要加大涡轮发动机所需的润滑材料研发力度；另一方面需要加大对航空发动机专用润滑油脂的关键技术研发。舰载航空装备处于重大发展转折期，应重视对防腐型、高热安定性的航空合成润滑油和固体润滑薄膜的研制与工程应用研究。
五、新能源行业用润滑材料
目前，风力发电在我国新能源领域占有重要地位。风电机组中的叶片轴承、主轴承、发电机轴承、偏航轴承等根据工作状况的差异需要使用不同特性的润滑脂，而其齿轮系统则需要应用高性能齿轮润滑油。目前这些润滑材料大多由埃克森美孚公司、荷兰皇家壳牌集团公司、克鲁勃润滑剂公司等国际大公司垄断生产供应。
核电在我国未来能源结构中将占据相当大的比例。核电装置众多活动部件会面临高温、辐射、腐蚀性介质等问题。我国在该方面的研究积累严重不足，对相关材料技术的研究亟待加强。
六、海洋环境用润滑材料
海洋环境中的摩擦磨损问题相对复杂，我国应强化海洋环境下相关运动动力系统的润滑耐磨和密封材料技术研究。此外，减阻与防污问题已经成为阻碍航行器效率提高的瓶颈问题，应重视对环境友好型特种减阻和防污润滑材料技术的研发与应用研究。
七、装备制造行业用润滑材料
制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是制造强国，制造技术基础薄弱，创新能力不强，产品以低端为主，制造过程的资源、能源消耗大，污染严重。为此，我国应加强对装备制造业用润滑油脂及形式多样的固体润滑材料的研发，并倡导绿色制造及环境友好，提升产品的档次和性能。
第四节 润滑材料对实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》及对国家安全的战略价值
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》列出的16个重大专项中，大型飞机、载人航天与探月工程等与高性能润滑材料密切相关，润滑材料技术已经成为上述重大专项成功实施及长寿命可靠运行的最重要保障之一。
相比于传统润滑材料，通过特殊的制备工艺技术设计制备的高性能润滑材料通常具有优良的润滑抗磨损、耐高/低温、抗氧化、耐特殊环境介质等性能。随着现代高端装备的运行工况越来越苛刻、条件越来越复杂，以及不断提升的高精度、高可靠性和长寿命方面的要求，对突破原有材料性能极限的高性能润滑材料技术的需求也越来越迫切。发展与掌握高性能润滑材料核心技术已经成为我国实现制造强国战略的重要支撑。众所周知，高端润滑油脂（主要指高性能合成润滑材料）是重大装备制造业及国家安全领域的关键支撑材料，我国的润滑油脂虽然在产量上与发达国家持平，但是高附加值、高性能产品还明显不足，其现状是众多高端装备仍然依赖于国外的高附加值润滑产品。国外大型润滑油公司产品取得飞速发展的一个重要原因是不断增加对相关技术和产品开发的投入，通过创新润滑材料而不断提高润滑的效能及可靠性。
随着国民经济的快速发展、人民生活水平的提高，以及人口老龄化问题的逐渐凸显，医用生物高分子材料的需求在逐年增加。这些材料多涉及润滑、磨损等问题。发展生物润滑材料技术将为改善和提高人类生活质量发挥重要作用。
国防武器装备的发展与材料学科的发展关系紧密，高精尖武器装备对新材料的研发提出了更高的要求，同时给润滑材料的发展创造了更多的机遇和挑战。例如，舰船、鱼雷、导弹、战斗机等武器的减阻问题与润滑材料技术密切相关，发展高性能润滑材料涂覆技术能够有效降低其运行阻力。
毋庸置疑，润滑材料已经成为人们日常生活中的基本元素，而且在国家经济建设中发挥了重要作用。发展与掌握高性能润滑材料的核心技术是我国实现制造强国战略的重要支撑，是进一步提高国防安全的战略需求。
我国要在科技创新方针指引下，进一步加强对高性能润滑材料的研发工作，掌握高性能润滑材料的核心技术，尽快摆脱我国在关键润滑材料技术上受制于发达国家的局面，走出一条适合我国润滑材料的创新之路，支撑我国装备制造业及航空、航天、航海等军事工业的发展。
本书对润滑学科与润滑材料整体的认识如下：一是从原子、分子层次上认识摩擦的本质及润滑的作用机制，通过物理学、化学等技术手段实现对摩擦的有效调控，提出降低摩擦和磨损的更有效方法。二是深刻认识苛刻环境条件下润滑抗磨材料的组分、结构与性能在使役过程中的演变规律，发展极端环境工况下润滑抗磨的新原理及摩擦磨损控制方法，以满足高技术装备的性能和长寿命高可靠运行的需求。三是利用层状材料（如碳薄膜、石墨烯）及软物质材料（如生物大分子、水凝胶等）探索获得超低摩擦的原理和方法，发展适合工程化的材料技术。该领域的突破极有可能明显减少设备磨损和提高能源利用效率。四是发展绿色润滑材料，发展节能明显、环境友好的生物基润滑油脂及其添加剂、离子液体等润滑材料技术，形成独立自主的润滑材料分析检测技术。五是重视对润滑及摩擦学知识的传播及相关研究技术人才的培养。六是加大研发投入，重视对核心润滑抗磨技术及高端产品的开发，尽快实现高端润滑油脂及先进固体润滑材料的规模化生产应用。