构建摩擦学学科体系的研究

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院 北京 102249)

1 绪言

1.1 《Jost报告》对创立摩擦学的贡献

1966年2月英国公开发表的《Jost报告》(全名是“英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的报告”[1])对创立摩擦学的贡献是：

(1)建议采用Tribology(摩擦学)一词取代Lubrication(润滑)一词来表述这门新学科完整的内涵。这一新词/学科的提出适应了当时经济和技术发展的需要。报告充分说明了这门学科在经济和技术上的重要性。

(2)明确了摩擦学的定义：研究作相对运动的相互作用表面及其有关实践的科学与技术。

(3)提出了该学科的主要内容和课题。

由于时代的局限性和当时认识水平的限制，该报告存在以下不足之处：

(1)提出的摩擦学的定义太笼统，不够确切。

(2)把该学科的内容分为摩擦物理、摩擦冶金、摩擦工程和摩擦组织等，既不准确，也不全面。

(3)没有阐明该学科必然产生的历史背景与社会根源。似乎它只是由于“重视了润滑技术，可以使英国工业每年节约5亿多英磅”这个调查结果而建议创立的一门新学科。

(4)没有阐明该学科的一些基本概念(如学科的研究范围、社会功能、基本属性和学科内涵等)。

迄今为止，几乎国内外所有的有关文献和教科书都认为，只是由于《Jos报告》提出了Tribology(摩擦学)这个词，便产生了这门新学科。可能正是这种单纯的认识为以后摩擦学的发展埋下了隐患。

1.2 摩擦学创立后的曲折发展过程

1966年《Jost报告》提出Tribology(摩擦学)这个术语后，国际摩擦学界对此没有立刻认同。包括美国和日本在内的一些发达国家仍然沿用广义的Lubrication(润滑)一词。后来西德、前苏联和日本先后作了类似调查，同样发现摩擦、磨损在工业上造成的巨大经济损失。特别是1975年美国国会材料政策委员会的调查发现：摩擦、磨损使美国每年消耗1 000亿美元，占国民经济总产值的5%。 1979年10月，卡特总统认为：摩擦学是构成许多工业部门的基础的一项通用技术[2-3]。但直到1985年，美国国家科学基金会(NSF)才专项设立摩擦学资助计划，航空航天局(NASA)等三个军事部门开始建立摩擦学研究机构，并投入大量研究经费[2]。

在此期间，一些国家原来以“润滑”和“润滑工程师”命名的期刊和协会/学会也相应地改为以“摩擦学”和“摩擦学家”命名，摩擦学的研究机构大量涌现。由上可见，《Jost报告》发表将近20年以后，Tribology(摩擦学)一词(学科)才被国际摩擦学界接受，摩擦学的发展开始进入高潮。然而，这个高潮的出现在很大程度上只是出于对摩擦学的经济效益的考虑。

时隔不久，从20世纪90年代中期开始，在美国，由于摩擦学的研究忽视了实际应用和开展跨学科的研究，摩擦学在经济上的贡献不显著，使得某些人对摩擦学的作用和发展前景产生怀疑，认为摩擦学正处在生死攸关的十字路口，并将发展到“表面工程时代”[4]。在这种背景下，美国NSF将原来单列的“摩擦学”项目改为“表面工程与摩擦学”。而到2000年以后，摩擦学一词在项目名称上也完全消失了，仅成为“表面工程与材料设计”项目中的一部分[5]。美国航空航天局和能源部等官方机构大量削减摩擦学的研究经费，大多数大宗消费品部门的工业缩减摩擦学机构[2]，摩擦学的发展进入低潮。

2000年，在德国召开的第12届摩擦学国际学术研讨会上，第一位作大会报告的美国摩擦学家WINER，在作“展望未来摩擦学研究和发展前景”的主旨报告中断言：摩擦学是为了改善形象而人为组成的一个学科群(Disciplinary group)；认为摩擦学“只是一种依附于机械系统的、必须的重要技术”；并预测：在下一个千年(即21世纪——作者注)，在没有需要解决摩擦学问题的新的机械系统出现的情况下，摩擦学的研究就会衰落[6]。显然，他不仅否认摩擦学是一门随着经济和科技发展而必然产生的独立的新学科，而且错误地把摩擦学的研究范围局限于机械系统， 对当时早已出现、并且正在蓬勃发展的生物摩擦学视而不见。幸运的是这股思潮并没有在国际摩擦学界产生共鸣，且不久在美国国内也销声匿迹了。5年后，美国有关学会在华盛顿成功地举办了盛大的第3届世界摩擦学大会。

1.3 研究摩擦学学科体系的意义

摩擦学创立后之所以会出现上述曲折发展过程，主要原因是对摩擦学形成的历史与社会背景及其产生的必然性缺乏认识。而另一个重要的原因则是在摩擦学创立后，忽视了摩擦学学科建设的一个基本问题，即学科体系(主要包括基本概念体系和结构体系等)的建立。

从20世纪80年代中期以来，一些学者对摩擦学学科的某些理论问题进行了研究和探索。戴雄杰[7]提出了摩擦学研究和应用的方框图，谢友柏[4，8]提出了摩擦学系统的框图和摩擦学的三个公理，HOLMBERG[9]提出了摩擦学广泛的研究范围,包括从纳米摩擦学到太拉摩擦学(Teratribology)等9个不同尺度的研究领域。本文作者也曾对摩擦学准确的定义、学科性质与学科内涵作过探索性的研究，并初步构建了摩擦学的基本框架[10-11]。但上述研究都没有涉及到建立摩擦学总体的学科体系。然而，一门学科是否成熟的主要标志，就是它是否建立了完善的学科体系，即基本概念清晰、层次分明、结构合理的学科体系。黑格尔曾经说过：哲学若没有体系就不能成为科学[12]。因此，从总体上建立摩擦学的学科体系，从而为摩擦学学科的发展提供科学的理论基础和战略视野，这是确保摩擦学学科持续、全面、高水平发展的基石，这对摩擦学学科的建设与发展具有重要意义。

2 摩擦学形成的历史背景和社会根源

一门学科的产生和发展有它自身的、不以人的意志为转移的客观规律，它是社会发展到一定阶段，为适应当时社会和经济发展需求的必然产物。

早在15 世纪后期到16世纪初，为了适应造船业和建筑业发展的需要，第一个将固体的摩擦与磨损现象进行系统研究的是意大利杰出的艺术家和科学家达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452—1519年)。他研究了石材、木材的摩擦，得出了物体在光滑平面之间摩擦时，“摩擦力的大小是其自身重量的1/4”这一重要结论，并阐明了滑动摩擦与滚动摩擦的概念。为了减小滑动轴承的磨损，他建议采用铜锡合金的轴瓦。他在研究摩擦、磨损方面，取得了不少有价值的成果，可惜这些成果都记录在他的手稿中，直到19世纪才发掘出来。在以后的200年间，由于缺乏强烈的社会需求以及制造业不发达的原因，摩擦、磨损的研究几乎没有进展。

18世纪初，特别是在60年代，英国发生了第一次工业革命，并逐渐向法国等西欧国家传播，从而开创了以机器代替手工劳动的时代。这时，以众多工作母机为基础的制造业的兴起，使摩擦成为提高各种机械的效率和寿命的一大障碍，这大大地推动了对摩擦的研究[13-14]。法国物理学家AMONTONS(1699年)和COULOMB(1785年)先后提出了经典的摩擦三定律：(1)摩擦力与法向载荷成正比；(2)摩擦力与表观面积的大小无关；(3)摩擦力与滑动速度无关。在此期间, COULOMB和英国物理学家DESAGALIERS(1734年)还先后提出了阐明摩擦机制的“凹凸假说”和“分子假说”。

从19世纪中期到20世纪50年代，欧洲的工业蓬勃发展，尤其是英国的纺织工业和机车工业(蒸汽机)十分发达，促使摩擦、磨损的研究开始与现代机器和现代工艺技术相联系。在摩擦方面，1939年，I V KRAGHELSKY根据摩擦力的二重性，建立了摩擦分子机械理论，即摩擦二项式。20世纪50年代，F P BOWDEN和D TABOR通过系统的实验研究，建立了更完善的黏着摩擦理论。在磨损方面，最早的研究工作见J BOTTONE发表在1873年9月的《Chemistry News》上的一篇论文。1899年，W G KIRKALDY发现并研究了疲劳磨损现象。后来，G A TOMLINSON(1927年)和R HOLM(1946年)提出和发展了磨损的“黏附”理论。几年后，OBERLE T L(1951年)提出了磨损的“犁沟”理论。1957年，J T BURWELL首次对磨损进行科学分类。为了对磨损进行估算和预测，ARCHARD在1953年提出了简化模型[15]。

在此期间， 还发现并研究了润滑现象：PETROV和BEAUCHAMP TOWER发现在工作良好的径向轴承表面存在液体膜(1883年)，HERTZ建立了弹性应力和接触应力的理论(1882年)，REYNOLDS建立了流体润滑理论(1886年)。30多年以后，HARDY发现并研究了边界润滑现象(1922年)。随后相继出现的 Bowden模型(1954年)，Kingsbury模型(1958年)和Cammeron模型(1959年)丰富了边界润滑理论。1949年，A N GRUBIN和I E VINOGRADOVA提出了弹性流体动力润滑理论，在以后的10年间，D DOWSON等人利用计算机技术创立了有关的数值计算方法。

由上可见，几百年来,人们对于摩擦、磨损和润滑的研究活动都处于分散的状态，其研究成果分散在各个传统学科中，有关知识则分布在大学的物理、力学、机械原理和机械零件或机械设计等课程中,没有形成一门统一的学科和课程。这不仅大大地妨碍了它自身的发展,而且也难以适应20世纪经济和科技高度发展的需要。正是在这种社会背景下,1966年，摩擦学在经过上述数百年孕育和积累的科学研究活动的基础上诞生了，用摩擦学这个新的术语和它的定义统一了原来分散在各个传统学科中的摩擦、磨损与润滑领域，形成了一门独立的新学科。由此可见，和其他学科一样，摩擦学也是人类社会的政治、经济与科技，特别是工业和交通运输业发展到一定的历史阶段的必然产物，它的产生不是偶然的。它绝不是主观的、人为的产物。

3 摩擦学学科的基本概念体系

3.1 摩擦学的定义与研究范围

摩擦学(Tribology)是研究物体在各种环境下，发生在其作相对运动的相互作用表面(界面)上的各种现象/效应产生和变化的规律及其应用的一门科学与技术。应当指出，物体相接触的表面(界面)上、由于相对运动而产生的物体之间及其与环境/介质之间可能出现的相互作用，包括物理、化学、力学、热力学、力化学和摩擦化学等的宏观、微观和宇观的各种相互作用。

摩擦学的研究范围包括机械系统和非机械系统。

3.2 摩擦学的社会功能和主要任务

摩擦学的社会功能是节约资源、能源,保护生态环境和改善人的生命与生活质量。而它的主要任务就是研究为实现上述社会功能,以维持自然界和人类社会可持续发展的摩擦学科学与技术及其实际应用。

3.3 摩擦学的基本属性和科学与技术内涵

按照科学发展的动力学理论，一门学科的发展有两个推动力，即社会需求和人类探索未知问题的求知欲。由上述摩擦学的定义可知,摩擦学具有技术科学和工程技术这两重基本属性。所以，它的科学与技术内涵应包括科学与技术这两个不可分割的有机组成部分，即摩擦学科学(Tribo-science)和摩擦学技术(Tribo-technology)。前者可称之为基础摩擦学(Fundamental tribology)，它是摩擦学的科学部分，而后者可称之为应用摩擦学(Applied tribology)或工业/工程摩擦学(Industrial/Engineering Tribology)，即摩擦学的技术部分。

因此，必须避免两种极端的看法，其一是把摩擦学只看成是一门科学(如The American Heritage Dictionary给摩擦学下的定义),否认摩擦学的技术属性,无视摩擦学的实用性和实际应用，从而使摩擦学失去来自经济发展和社会需求的推动力；其二是认为摩擦学只是一门技术(如W O WINER和E C GWALTNEY的观点[6])，否认摩擦学的科学属性,从而会削弱摩擦学持续发展的基础和探索未知问题的推动力, 并且在一定程度上还会妨碍摩擦学在非机械系统中的发展。所以,只有全面、正确地认识摩擦学的基本属性和内涵才能确保摩擦学持续的全面发展[2,11]。

摩擦学科学主要包括各种接触理论和摩擦、磨损与润滑理论以及自然生态系统和自然灾害中的各种摩擦作用机制等。而摩擦学技术主要包括：(1)控制与利用摩擦、磨损和改善润滑、节能、节材以及摩擦学零部件与系统延寿的各种技术和方法；(2)保护生态环境以及避免和降低自然灾害危害性的各种摩擦学技术和方法；(3)为可再生能源和清洁能源的装备提供技术支撑的各种摩擦学技术和方法。

摩擦学的学科基础主要是界面力学、表面/界面化学、表面力化学、表面/界面物理以及表面/界面物理化学和表面/界面化学物理等。

3.4 摩擦学的学科性质与层次

根据科学学的原理，从摩擦学的总体知识结构看，它是一门以摩擦学现象/效应为特定的研究对象，综合应用多种学科的理论、知识和方法进行研究和应用的一门综合学科。同时，它也是对各种层次和各种学科中的一些共同性的摩擦学问题进行研究的一门横断学科。它包含了一些针对摩擦学研究对象的某一方面或某一特性(特征)而进行研究和应用的分支学科(如：纳米摩擦学、绿色摩擦学等)。有的分支学科还包含二级和三级分支学科。

绝大多数的分支学科都是摩擦学与一门或一门以上的学科相互交叉而形成的边缘学科，如摩擦学与生物学交叉而形成的生物摩擦学；或者用一门或几门学科的理论和方法研究摩擦学问题而形成的边缘学科，如应用仿生学的理论和方法研究摩擦学问题形成的仿生摩擦学。可以预期，今后还会出现某些新的远缘交叉(比如摩擦学与音乐和体育学科交叉)而形成的边缘学科。

3.5 摩擦学的主要特性

(1)多学科性(学科交叉性)

这是指综合应用多种学科的理论和方法进行研究和应用的一种特性。这种特性使摩擦学在一些工程领域，尤其是在重大工程中应用时，只起通用技术的支撑作用，处于应用基础学科的地位，它一般不起带头学科和主体技术的作用。因此，这不仅使它的作用和效能(效益)难以单独显示出来而往往被忽视，而且还会产生一种错觉和误解，认为它只是依附于其他学科领域而存在，不是一门独立的学科。这可能就是20世纪末，美国摩擦学的发展一度处于低潮的重要原因之一。

也正是由于对这一特性缺乏认识，使一些摩擦学家没有意识到摩擦学的研究在很多情况下已不再是单一学科的、孤立的研究活动，而是涉及到多种学科的跨学科的研究活动，因而难以取得重大突破[16]。

(2)实践性(实用性)

它是指可实际应用于改造自然、造福人类的一种特性。“实际应用”是摩擦学永恒的“天职”。摩擦学只有在“实际应用”中才能充分显示自身的价值。

(3)可持续性

这是指有助于保持人类社会和自然界可持续发展的一种特性。正是这种特性使摩擦学成为一门社会功能突出、具有旺盛生命力的新兴学科。

4 摩擦学的结构体系

4.1 摩擦学的总体框架与层次结构

摩擦学的总体框架由研究范围、学科内涵和社会功能三个基本要素组成(如图1所示)。而摩擦学的层次结构则是由宏观摩擦学(Macrotribology)、微观摩擦学(Microtribology)和宇观摩擦学(Universe Tribology)三个不同尺度的层次组成(如图2所示)，每个层次都包含相应的分支学科(图中只列出部分有代表性的分支学科)。图2中圆括号内的学科是预计未来可能产生的新的分支学科。图中的机械系统摩擦学大体上可划分为两大类：(1)以机械产品为研究对象的摩擦学，如汽车摩擦学、船舶摩擦学等；(2)以材料为研究对象的摩擦学，如金属摩擦学、高分子材料摩擦学等。图2中预计未来可能产生的音乐摩擦学主要是研究声乐和器乐发声的摩擦学机制及其应用，包括歌唱时，气息/气流与声带、气管和腔体等发生相对运动时的相互作用而发声，以及器乐(主要是管弦乐)演奏时，气流与乐器(管乐)或琴弦与弓(弦乐)产生相对运动时的相互作用而发声的摩擦学机制及其实际应用；而体育运动摩擦学主要是研究在田径、登山、游泳、划船、冰上运动、滑雪以及各种球类运动等广泛的体育活动中，发生在其作相对运动的相互作用表面(界面)上的各种摩擦现象的作用机制及其实际应用(提高竞技水平)。

图1 摩擦学的总体框架Fig 1 Overall framework of tribology

图2 摩擦学的层次结构Fig 2 Hierarchical structure of tribology

4.2 摩擦学的逻辑结构

综合以上有关各节的内容，可以初步构建摩擦学的局部和总体的逻辑结构。

自然界广泛存在的各种摩擦现象是摩擦学最主要和最基本的研究对象，它是摩擦学得以存在和持续发展的“源泉”。因此，把它作为摩擦学逻辑结构的逻辑起点，通过有关概念和范畴的内在联系，按一定的逻辑顺序(层次)展开，可以得到摩擦学的一个最基本的局部逻辑结构，即摩擦的逻辑结构(如图3所示)。图4所示是根据摩擦学的基本要素，即研究范围、科学与技术内涵以及社会功能三部分的内在联系，按一定的逻辑顺序组成的摩擦学的总体逻辑结构。

以上初步建立的摩擦学结构体系还需通过进一步地研究，使它更加充实和完善。

图3 摩擦的逻辑结构Fig 3 Logical structure of friction

图4 摩擦学的总体逻辑结构

Fig 4 General logical structure of tribology

5 结束语

构建摩擦学的学科体系是一项开创性的工作，没有任何模式和方法可供参考，本文作者仅是初步的探索性研究。

摩擦学的学科体系是通过理论思维，用科学的原理与方法(系统理论、逻辑学和科学学等)对经验和知识加工而得到的，需要不断地充实和深化以逐步完善(包括建立摩擦学学科的方法体系等)。完善的学科体系可以使我们更准确地把握摩擦学学科的发展方向，以引领未来，高屋建瓴地开拓前瞻性、战略性的研究领域，从而推动摩擦学持续、高水平地全面发展。只有科学地预见未来，才能更好地把握未来和创造未来。

20世纪，历史已将创立摩擦学学科的任务交给了英国科技工作者。那么，在21世纪，建设和发展摩擦学学科的重任应当由我们中国摩擦学工作者来承担，以不辜负摩擦学的创始人Jost博士生前对我们的殷切期望：中国摩擦学学会应当为国际摩擦学界多作贡献。

6 后记

谨以此文纪念中国机械工程学会摩擦学分会成立40周年。