科研進展
蘭州化物所聯(lián)合德國于利希研究中心在橡膠摩擦磨損領域取得系列進展
橡膠等彈性體的摩擦磨損研究是摩擦學領域的核心課題，在輪胎、密封件等工業(yè)應用中具有重要價值。然而，傳統(tǒng)研究長期依賴經(jīng)驗性磨損系數(shù)進行估算，始終未能建立基于物理原理的定量預測理論框架，導致輪胎等橡膠制品的新產(chǎn)品開發(fā)一直沿用“試錯優(yōu)化”模式。
針對這一理論難題，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室徐睿斌博士與德國于利希研究中心合作，圍繞“橡膠磨損—橡膠摩擦—摩擦動力學”三條主線，開展了系列系統(tǒng)性的理論構建與實驗研究，形成了從靜態(tài)摩擦機理到動態(tài)磨損預測再到長程滑動噪聲分析的全鏈條研究成果。
在橡膠磨損領域，研究團隊首次構建了基于多尺度粗糙表面接觸力學的橡膠磨損定量預測模型，創(chuàng)新提出“應力概率分布—彈性能量存儲”多物理耦合模型，建立了磨損率與橡膠黏彈性模量、斷裂能以及基底表面形貌特征參數(shù)之間的普適性方程，突破了傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的尺度局限性，實現(xiàn)了橡膠磨損率與磨損顆粒尺寸分布的定量預測。相關研究成果以“Rubber wear: Experiment and theory”為題作為封面文章發(fā)表在Journal of Chemical Physics（162(7), 2025）上，并被遴選為 Featured Article，是該方向最具代表性的工作。
研究團隊從宏觀視角梳理了橡膠磨損的百年研究歷程，將經(jīng)典磨損理論（Archard模型、Rabinowicz模型）與彈性接觸、多尺度粗糙度的擴展分析相結合，系統(tǒng)考察了磨粒磨損、沖蝕磨損以及粗糙基底上的滑動磨損等多種機制。相關研究成果以“Rubber wear: History, mechanisms, and perspectives”為題發(fā)表在Tribology Letters（73(3), 90）上。
研究團隊系統(tǒng)對比了丁苯橡膠和天然橡膠在干燥與水中條件下在混凝土基底上的磨損行為。研究發(fā)現(xiàn)，丁苯橡膠在水中的磨損速率顯著高于干燥狀態(tài)，而天然橡膠在低接觸壓力下在水中幾乎不磨損，在高接觸壓力下干燥與浸水狀態(tài)的磨損率則趨于一致。相關成果以“Rubber wear on concrete: dry and in-water conditions”為題發(fā)表在Wear（578, 206200）上。此外，研究團隊還以聚甲基丙烯酸甲酯和多種玻璃材料為研究對象，探討了塑性變形在滑動磨損中的作用機制，為橡膠磨損與硬質材料磨損的交叉理解提供了補充視角。相關成果以“Sliding wear: role of plasticity”為題發(fā)表在Tribology Letters（73(3), 109）上。
在橡膠摩擦理論方面，研究團隊系統(tǒng)闡述了橡膠在隨機粗糙基底上滑動的摩擦機理，涵蓋穩(wěn)態(tài)滑動與加速運動兩種工況，深入分析了 breakloose 摩擦力的起源以及預滑移、彈性變形和界面閃溫對摩擦動力學的影響。討論了圓柱體和球體在橡膠表面的滾動摩擦，以及三角形滑塊在干燥和潤滑橡膠表面上的滑動摩擦，將 Persson 多尺度接觸力學理論與廣泛的實驗數(shù)據(jù)進行了逐項對比驗證，并指出了當前仍面臨的關鍵挑戰(zhàn)，例如粘著增強效應、裂紋張開引發(fā)的能量耗散機制以及短波長粗糙度截斷的物理起源等。相關研究成果以“Rubber friction: Theory, mechanisms, and challenges”為題發(fā)表在Journal of Chemical Physics（163(14), 2025）上。
在摩擦體系實驗研究方面，研究人員以剛性三角形鋼滑塊為研究對象，系統(tǒng)考察了其在軟橡膠基底上的滑動行為。結果表明，用硅油薄膜潤滑時室溫下的滑動摩擦與滾動摩擦粘彈性模型的理論預測高度吻合。這證實了潤滑條件下摩擦主要來源于橡膠體內的體粘彈性能量耗散。在低溫工況（-20 ℃ 和 -40 ℃）下，實測摩擦超過理論預測，歸因于表面粗糙度對潤滑膜的穿透導致粘著貢獻增大；在干燥表面上，粘著貢獻則完全占據(jù)主導。通過從潤滑情況推測的粘彈性分量中減去干摩擦數(shù)據(jù)，研究團隊成功估算了界面摩擦剪應力，發(fā)現(xiàn)其隨滑動速度的對數(shù)近似線性增加，與應力增強的熱激活機制完全吻合。相關研究成果以“Sliding friction of hard sliders on rubber: Theory and experiment”為題發(fā)表在Tribology Letters（73(4), 134）上。
摩擦動力學是2025年重點布局的特色新興研究方向。研究團隊聚焦滑動摩擦過程中的位移“噪聲”問題。研究團隊對橡膠和 PMMA 材料在不同基底上恒力驅動下的滑塊位置漲落進行了系統(tǒng)的實驗觀測、數(shù)值模擬與解析建模。實驗發(fā)現(xiàn)噪聲功率譜在所有系統(tǒng)中均表現(xiàn)出大范圍低頻區(qū)域，且遵循 ω?? 冪律衰減，指數(shù) γ 介于 4 與 5 之間。研究團隊提出了三種界面相互作用模型：彈簧-塊模型、微凸體-力模型和磨損顆粒模型，并與實驗結果逐一對比檢驗。彈簧-塊模型（小塊代表微凸體接觸區(qū)）復現(xiàn)了 γ = 4 的冪律，與無磨損顆?？捎^測的實驗情況一致，揭示了微粒在界面處的俘獲—釋放動力學是長程相關性的主要來源。相關研究成果以“Brownian friction dynamics: fluctuations in sliding distance”“Friction dynamics: displacement fluctuations during sliding friction”為題分別發(fā)表在Physical Review E（110(6), L062801, 2025）和Soft Matter（21, 7594-7609, 2025）上。
上述研究將恒力驅動下滑塊位置噪聲的功率譜分析系統(tǒng)擴展到更廣的滑動條件范圍，通過實驗與簡化物理模型的交叉驗證，為理解復雜界面摩擦的非平衡態(tài)動力學與隨機過程提供了新的分析框架。
未來，研究團隊將在上述研究基礎上繼續(xù)推進多尺度橡膠摩擦學的基礎理論與應用研究。
