[科普中国]-矛与盾——摩擦与润滑之战！

摩擦和润滑是一对矛盾，有时候我们需要摩擦，比如体操运动员手上抹的铝粉，或者看看我们的鞋底；

体操运动员在比赛之前向手上抹上镁粉或铝粉，增加摩擦力。

我们的鞋底设计成多重凹槽的样子，增加粗糙度，增加摩擦。

有时候我们需要润滑，比如各种各样的机油，润滑油。

昆仑润滑油包括工业齿轮油、液压油、气轮机油、变压器油、冷冻机油、橡胶油、轴承油等等，在各行各业起到润滑作用。

滑雪这种运动时而需要摩擦力大，时而需要摩擦力小，运动员需要掌握摩擦和润滑的平衡。

前奏结束，先从历史开始吧，话说我一直觉得轮子是人类远古历史上很重要的发明，可能不亚于火吧。席德梅尔的《文明四》科技树里面，轮子是陶器的前置科技，一开始我理解不了，后来看到陶轮就理解了。现在已经发现，人类在旧石器时代发明的轴承，是用在陶轮里的，这就是人类最早利用技术手段克服摩擦的例子。同样，轮子里面也要用到轴承。

没有轮子，就没有陶器。

下面这张图是公元前1880年埃及人使用滑撬来搬运一个巨大雕像，如果大家看的仔细一点，可以看到雕像脚下的那个人正在喷洒一种液体，这就是最早的润滑油脂。说明约4000年前，人类已经学会利用润滑剂来减少摩擦了，可以想象金字塔的建立少不了这些润滑剂。

这里可以做一个题目：假设那个雕像重约60吨，总共有172个人，每个人的拉力有80公斤，问滑撬的摩擦系数有多大？

说完古埃及，然后就要说到达芬奇了，他实在太多才多艺了，从飞机搞到潜艇，在摩擦学上，也是最早提出摩擦定律和摩擦因数的人。他的手稿里白纸黑字的写着：摩擦因数是摩擦力和正压力之比，这后来被称为经典摩擦理论的第一摩擦定律。达芬奇的很多手稿都未出版，1699年，法国物理学家阿芒顿再次独立的发现了这个定律；同时他还提出了第二摩擦定律：摩擦力的大小和接触面积无关。这一点初中物理书上都有吧？再后来，静电学大牛库伦提出了摩擦学第三定律：滑动摩擦力跟初速度无关。你看，牛顿有运动学三定律，热力学也有三定律，我们摩擦学也有哦！

经典摩擦理论三定律的发现者：达芬奇，阿芒顿，库伦。

这三条定律都来源于经验的积累，不是基于原始物理图像推导出来的。后来人们也发现很多实际情况都和这些定律不相符，但是它们仍然是有用的。一直以来，科学家也不满足这种粗糙的经验公式，他们希望了解摩擦的本质是什么，得到更加精确的可量化定律。最早人们从坑洼的道路推想，物体表面可能也是坑洼的，只是这种凹凸更加细微，肉眼看不出来。物体互相接触，这些凹凸就互相阻碍，宏观上体现出来就是摩擦力？因此摩擦学里引入了“粗糙度”的概念，粗糙度越大，摩擦系数就越大。这当然是摩擦力的来源之一，当然这太简单了，一个中学生就能想到，但是微观世界远非我们想象的那么简单，我们还是要观察的更细微一点，要建立更加贴近实际的物理图像。显微技术发展起来以后，也可以更好的帮助我们验证这些物理图像。

我们要了解摩擦，就必须先认识物体的表面究竟是什么结构。现在我们知道，物质的表面是一个很复杂的多层结构，根据不同的形成机理，可以把分为六层：基底材料、变形层、贝氏层、化学反应层、化学吸附层、物理吸附层，我们接下来一层一层的说。

物体表面的坑洼形成了粗糙度，宏观上表现为摩擦系数。

基底材料，就是基本的物质结构。变形层：材料表面成形的过程一般会经过磨削、挤压、抛光等等过程，这些残余的应力释放以后会影响材料的稳定性，所以会引起材料结构的变形。这种变形会从基底往外逐渐加重，现在可以用扫描电镜来看。贝氏层，这是一层表面分子产生流动之后通过淬火工艺，然后硬化沉积的一层，属于非晶体或者是微晶结构。这一层大约厚1-100nm。化学反应层：除了黄金、白金等贵金属，几乎所有的金属、合金以及硅等非金属都会被空气中的氧气氧化，镁铝的氧化膜就属于这一层。这一层大约厚10-100nm。再往上是化学吸附层，跟化学反应层的区别是：化学反应层的物质是发生化学反应后形成的新物质，吸附层里的化学物质仍然保持自己的化学性质，一般它们是单分子层。化学吸附层的化学物质一般通过共价键、氢键和材料表面发生吸附。最外层是物理吸附层，这一层的物质可能很厚，是一个多分子层，通过范德华力吸附。在材料学上，区分化学吸附层和物理吸附层是通过吸附热来判定的，化学吸附热比物理吸附热大很多，因为前者发生了电子交换，后者没有。所以，两个物体发生接触，实际上是两个千层汉堡在接触啊！

物体的表面和这个汉堡类似，请忽略我的爪子。

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。