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这是开玩笑,但是两个物体的接触的物理图像我们已经说清楚了:一方面是两个物体表面的凹凸,我们把它叫粗糙度,这个也可以测量的;另一方面则是两侧多层结构的互相作用。那我们知道了物体表面的物理图像,那么就可以知道两个物体接触以后发生滑动,一方面是表面的凹凸,也就是粗糙度在作祟,另一方面这是两个多层汉堡在互相打架。如果我们能在这两方面做工作,就能够做到减少摩擦力,做到润滑。
现在主要的润滑剂有四种:固体润滑、流体润滑、边界润滑、极压润滑,我们一种一种说。固体润滑:比如石墨、滑石粉等等,帮助修饰物质表面的粗糙度,比如我们婴儿用的爽身粉。
强生婴儿爽身粉去年的新闻报道,期待后续。
流体润滑:和古埃及人一样,用一些流体注入两个物体之间,一方面填充粗糙度,另一方面形成一个物理吸附层,如果这个物理吸附层的摩擦力更低,从宏观上就显得更加润滑了。这是我们最常见的润滑方式,比如我们手上出汗,就感觉手滑,因为水也可以起到润滑作用。还有机械、汽车里面用的机油,用的就是很多类型的矿物油,煤油等等。需要注意的是,流体润滑只是物理吸附,不能填充所有的接触面,所以如果使用一些铺展性好的流体,效果更好。在表面化学里,表面张力越低,铺展性越好,这就是为什么矿物油的效果比水要好的原因。
水的表面张力70,矿物油、植物油的表面张力30-40,而硅油的表面张力可以到30以下,所以硅油更加润滑。在我们身边也能看到硅油的影子,比如护手霜、洗发水、护发素里。大家千万不要被无硅洗发水的噱头骗了,我以一个有机硅多年从业者的人格向大家担保:有机硅跟人体没有任何反应性,留在头发里一万年也没有任何问题。
秀发如此顺滑,硅油功不可没!
那么大家会想到了,再接下来,是不是要更深入一点,形成一个化学吸附膜了?恭喜你答对了!这就是边界润滑。边界润滑剂不仅有物理吸附,还有一些反应基团,比如羟基、羧基等极性基团,这些基团可以通过氢键吸附到物体表面,形成一种更加紧密的吸附膜。这个吸附膜不像流体润滑,由于是化学吸附,它可以分布到物体的几乎所有表面,因此润滑性更好。这种润滑,我举个例子:比如肥皂,大家都知道它很滑,因为它就是硬脂酸盐,硬脂酸的羧基可以和物体表面吸附成膜。工业上很多地方也用到皂类物质来润滑,比如硬脂酸钙乳液,油酸三乙醇胺,就是这个原理。
肥皂的滑腻来自硬脂酸盐和身体表面形成的化学吸附膜。
再往深了说就是形成化学反应层了,这就是极压润滑,现在所知的最牛逼的润滑方式。也就是通过一些化学物质与基材表面反应,生成一张很滑的化学反应层!这类化学物质我们把叫做极压剂,最常用的极压剂是氯、硫、磷的化合物。钢铁加工中都要用磷处理一下,既可以保护不腐蚀,也可以做到润滑表面,所谓的“磷化”一方面是防腐,另一方面也可以起到润滑作用。还比如硫可以跟铁表面形成一层光滑的硫化亚铁无机膜。
磷化处理前后的铁制件。
一般来说,液体润滑剂用的比较多,流体润滑、边界润滑甚至极压润滑是同时进行的。大家明白其中的道理就好,这个道理的基础就是物质表面的层级。现在摩擦学已经成为了一门学问,是一门跨界学科,牵涉到流体力学、化学、材料学、机械、热力学、固体物理等等。因为摩擦学跟很多行业的生产都很相关,所以也需要基础理论的跟进,我国清华大学有一个摩擦学重点实验室,其中的雒建斌院士就是这方面的专家。
现在业内的眼光更已经深入到微纳米摩擦学,之所以要深入到微纳米级别,是因为我们要更深层次的去认识物质表面的结构,才能更清晰的了解摩擦的实际机理。
我说了这么多,总结一下,摩擦力的各个层面都摆脱不了化学键的电子相互作用,实际上是多种很复杂的电磁力的结合。
摩擦力归根到底是电磁力在物质表面各个层级发挥作用。