摩擦学

达芬奇提出的摩擦学实验

1.1 早期历史

尽管摩擦学领域的命名相对较晚，但对摩擦的定量研究可以追溯到1493年，当时列奥纳多·达芬奇（ Leonardo da Vinci）首次注意到了摩擦的两个基本“定律”·。^[2]根据达芬奇的说法，两个重量相同但接触宽度和长度不同的物体，其摩擦阻力是相同的。他还观察到，当重量加倍时，克服摩擦所需的力也会加倍。然而，达芬奇的发现在他的笔记本中并未发表。^[2]

摩擦的两个基本“定律”最早由纪尧姆·阿蒙顿（Guillaume Amontons）在1699年发表的，现在它们的名字通常联系在一起，他指出:^[2]

1. 作用在两个滑动表面之间的摩擦力与将两表面压在一起的载荷成正比；
2. 摩擦力与两个表面之间的接触面积无关。

尽管不是普遍适用，但这些简单的陈述适用于非常广泛的系统。^[3]夏尔·库仑（Charles-Augustin de Coulomb）在1785年进一步发展了这些定律，他注意到静摩擦力可能取决于接触时间，滑动(动力学)摩擦力可能取决于滑动速度、法向力和接触面积。^[4][5]

1798年，查理斯·哈契特（Charles Hatchett）和亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）进行了首次可靠的摩擦磨损实验。在英国枢密院委托的一项研究中，他们用一台简单的往复式机器来评估金币的磨损率。他们发现，与自动配磨的硬币相比，其中有砂砾的硬币磨损速度更快。^[6]1860年，西奥多·雷伊（Theodor Reye ）提出了Reye's hypothesis [it]。^[7]1953年，约翰·佛雷德里克（John Frederick Archard）基于粗糙接触理论建立了描述滑动磨损的 Archard方程。^[8]

摩擦学研究的其他先驱是澳大利亚物理学家弗兰克·菲利普·鲍登 （ Frank Philip Bowden）^[9]英国物理学家大卫·塔博尔（David Tabor），^[10]他们都来自卡文迪许实验室，并一起写了开创性的教科书《固体的摩擦和润滑》（The Friction and Lubrication of Solids）^[11](第一部分最初于1950年出版，第二部分于1964年出版)。迈克尔·尼尔(Michael J. Neale)是20世纪中后期该领域的另一位领导者，他运用摩擦学知识专门解决机械设计中的问题。尼尔作为一名教育家受到尊重，他具有将理论工作与自己的实践经验结合起来的天赋，制作出易于理解的设计指南《摩擦学手册》（The Tribology Handbook）。^[12]他于1973年首次编辑并于1995年更新，至今仍在世界各地使用，并成为众多工程设计师培训课程的基础。

邓肯·道森（Duncan Dowson）在他1997年的著作《摩擦学史》（History of Tribology）(第二版)中回顾了摩擦学的历史。^[4]这涵盖了从史前到早期文明(美索不达米亚，古埃及)的发展，并强调了直到二十世纪末的关键发展。

1.2 乔斯特报告

摩擦学一词在1966年出版《乔斯特报告》后被广泛使用。^[13]该报告强调了摩擦、磨损和腐蚀对英国经济的巨大成本(占国内生产总值的1.1%-1.4%)。^[13]因此，英国政府建立了几个国家中心来解决摩擦问题。从那时起，这个术语已经扩散到国际社会，许多专家现在被称为“摩擦学家”。

尽管自乔斯特报告以来进行了大量研究，但摩擦和磨损对能源消耗、经济支出、以及二氧化碳排放的全球影响仍然相当大。2017年，肯尼斯·霍尔姆伯格（Kenneth Holmberg）和阿里·埃尔德米尔（Ali Erdemir）试图量化它们在世界范围内的影响。^[13]他们考虑了四个主要的能源消耗领域：运输、制造业、发电和住宅。得出以下结论:^[13]

• 总的来说，全球约23%的能源消耗来自摩擦接触。其中，20%是为了克服摩擦，3%是为了重新制造因磨损和磨损相关的磨损零件和备用设备。
• 通过利用减少摩擦和磨损保护的新技术，全球范围内车辆、机械和其他设备因摩擦和磨损造成的能量损失在长期(15年)和短期(8年)内分别可减少40%和18%。在全球范围内，这些节省将达到每年国内生产总值的1.4%和长期总能耗的8.7%。
• 运输业 (25%)和发电业 (20%)的短期预计节能量最大，而制造业和住宅业的潜在节能量估计约为10%。从长远来看，储蓄分别为55%、40%、25%和20%。
• 实施先进的摩擦学技术也可以减少全球二氧化碳排放高达14.6亿吨二氧化碳当量(MtCO₂)的排放，并短期内节约4500亿欧元的成本。从长远来看，减少量可能高达3140 Mt CO_2，节省了9700亿欧元。

经典摩擦学包括滚珠轴承、齿轮传动、离合器、制动器等应用。是在机械工程的背景下发展起来的。但是在过去的几十年中，摩擦学扩展到了新的应用领域，特别是微纳米技术以及生物学和医学^[14]。

3.1 摩擦

摩擦这个词来自拉丁语“frictionem”（摩擦）。这个术语用来描述所有这些耗散现象，它们能够产生热量，并阻碍两个表面之间的相对运动。摩擦主要有两种类型:

1. 静摩擦，发生在静止状态的表面之间；
2. 动摩擦，发生在相对运动的表面之间。

摩擦现象的研究主要是经验性的，不能得出精确的结果，只能得出有用的近似结论。这种无法获得明确结果的情况是由于这种现象极其复杂。如果研究得更仔细，它会呈现新的元素，这反过来会使全局描述更加复杂。^[15]

摩擦定律

所有关于摩擦的理论和研究可以简化为三个主要定律，它们在大多数情况下都是有效的:

• 阿蒙顿第一定律 –摩擦与表观接触面积无关；
• 阿蒙顿第二定律 –摩擦力与正常负载成正比；
• 库仑第三定律 –动摩擦与相对滑动速度无关。

静摩擦

考虑一个质量为m的滑块，放置在水平面上静止。如果要移动滑块，必须施加外力   ，这样我们观察到一个与施加的力大小相等方向相反的对运动的阻力，这就是静摩擦力   。^[16]

通过不断增加施加的力，我们得到一个使滑块立即开始移动的值。此时，也考虑到上述前两个摩擦定律，可以将静摩擦力定义为模量等于引起滑块运动所需的最小力的力，并将静摩擦系数   作为静摩擦力   的比率，联立滑块上的法向力   ，得到：

动摩擦

一旦滑块开始运动，摩擦力的大小小于静摩擦力   这就是动摩擦力   。在这种情况下，不仅要考虑阿蒙顿的前两个定律，还要考虑库仑定律，从而得到动摩擦力   与动摩擦系数k和法向力N之间的关系，如下：

静摩擦系数和动摩擦系数

此时，可以总结静摩擦系数   动摩擦系数   的主要特性。

这些系数是无量纲量，由摩擦力   大小和施加负载的   大小之间的比值给出，取决于相互接触所涉及的表面类型，并且在任何情况下，条件总是有效的，使得: 。

通常，两个系数的值都不超过1，并且只能在一定的力和速度范围内被认为是常数，除此之外，还有修改这些系数的极端条件。

下表显示了常用材料的静摩擦系数和动摩擦系数的值:

滚动摩擦

在能够滚动的物体的情况下，存在一种特殊类型的摩擦，这种摩擦不发生典型的动摩擦滑动现象，但是也存在阻碍运动的力，这也排除了静摩擦的情况。这种摩擦被称为滚动摩擦。现在我们详细观察在水平面上滚动的轮子会发生什么。最初，车轮是不动的，作用在其上的力是由对地板重量的反应给出重力   和法向力   。

此时，车轮开始运动，在法向力作用点产生位移，法向力现在施加在车轮中心前方一定距离处b，等于滚动摩擦系数的值。运动的阻力是由轧制开始精确时刻的法向力和重力的分离引起的，因此轧制摩擦力给出的扭矩值为

图中详细描述了车轮和支撑表面之间微观层面发生的情况，在图中可以观察到变形平面作用于静止车轮上的反作用力。

连续滚动车轮会导致平面无法察觉的变形，一旦传递到后续点，平面将返回到其初始状态。在压缩阶段，平面与车轮的运动相反，而在减压阶段，平面对车轮的运动有积极的作用。

因此，滚动摩擦力取决于支撑面和车轮本身所承受的微小变形，可以表示为   ，其中b相对于滑动摩擦系数   的关系为   ，r为车轮半径。

表面

更深入地研究，不仅可以研究金属的最外表面，还可以研究更直接的内部状态，这些状态与金属的历史、成分和金属经历的制造过程有关。

可以将金属分成四层:

1. 晶体结构 –金属的基本结构；
2. 加工层 –也可能含有异物的层，该层来自金属经受的加工过程；
3. 硬化层 –由于在加工过程中受到快速冷却，具有比内层更高硬度的晶体结构；
4. 外层或氧化物 –由于与金属环境的相互作用和杂质沉积而形成的层；

氧化物和杂质层(第三体)具有根本的摩擦学重要性，事实上它有助于减少摩擦。关于氧化物的另一个基本重要事实是，如果你可以清洁和光滑表面以获得纯“金属表面”，我们将观察到的是接触的两个表面的结合。事实上，在没有薄层污染物的情况下，所讨论的金属原子不能区分一个物体和另一个物体，因此如果接触，将形成一个单独的物体。

摩擦的起源

实际上，表面之间的接触是粗糙度和摩擦现象的起源之间的接触，因此能量的耗散正是由于这种由负载和相对运动导致而经历的变形。可以观察到塑性、弹性或断裂变形:

• 塑性变形 –凸起形状的永久变形；
• 弹性变形 –压缩阶段消耗的能量在减压阶段几乎完全恢复的变形(弹性滞后)；
• 断裂变形 –导致凸块断裂和新接触区域产生的变形。

在该现象中耗散的能量转化为热量，从而提高接触表面的温度。温度的升高还取决于材料的相对速度和粗糙度，它可能很高，甚至导致所涉及材料的熔化。

温度摩擦现象在应用的许多方面都很重要，制动器就是一个例子。如果温度升高太多，风险是摩擦系数过度降低，从而导致制动器的有效性急剧下降。

衔接理论

衔接理论指出，在球形凸(凹)体相互接触的情况下，受到   载荷作用可观察到变形，随着载荷的增加，从弹性变形转变为塑性变形。这种现象包括实际接触面积   的扩大，因此可以表示为:

  其中D是材料的硬度，定义为施加的载荷除以接触表面的面积。

如果此时两个表面之间处于滑动状态，由粘着键的存在可观察到剪切应力的阻力t，正是由于塑性变形而产生的，因此摩擦力将由下式给出

  此时，由于摩擦系数是摩擦力的强度和施加的负载的强度之间的比率，所以可表述为   从而关系到两种材料特性：剪切强度 t和硬度。为了获得较小的摩擦系数  ，可以使用剪切应力较小但也很硬的材料。事实上，在使用润滑剂的情况下，我们可使用低切削应力 t的材料基底放在非常坚硬的材料上。

应该注意的是，作用在两个接触的固体之间的力不仅具有如目前所暗示的法向分量，而且还具有切向分量。这使得粗糙度之间相互作用的描述更加复杂，因为由于切向分量，塑性变形带来的载荷比忽略该分量时要低。对每个单个结点面积的更现实的描述由下式给出

  其中  常数和“切线”力  用于结节处。

为了获得更现实的考虑，第三实体的现象也应该被考虑，即在接触的两个固体之间存在外来物质，例如湿气、氧化物或润滑剂。然后引入系数c，该系数能够关联剪切强度t纯“物质”和第三实体   

 其中0 < c < 1。

通过研究极限下的行为，对于c = 0， t = 0和c = 1，它将返回到表面直接接触并且不存在第三物体的状态。综上所述，摩擦系数公式可修正为:

  这里是考虑了弹性体相互作用的情况。

类似于我们刚才看到的，可以定义以下等式

  在这种情况下，K取决于材料的弹性性质。同样，对于弹性体，切向力取决于上述系数c，即：   因此可以获得摩擦系数的详细描述：  

摩擦测量

测量两个物体表面摩擦系数最简单和最直接的方法是使用斜面，使一块材料在斜面上滑动。如图所示，平面的法向力为   ，而摩擦力等于   。此时，摩擦系数可以很容易地通过物体开始滑动的角度的切线来计算，即：

  然后，我们从斜面转向更复杂的系统，这允许我们考虑进行测量的所有可能的环境条件，例如跨辊压机或销盘机。如今有了像“摩擦测试仪”这样的数字机器，通过软件支持，它可以插入所有需要的变量。另一个广泛使用的过程是环压缩测试。待研究材料的平环通过压力机塑性变形，如果变形是内环和内环的膨胀，则摩擦系数很低或为零。否则，对于只在内圈扩展的变形，摩擦系数会增加。

3.2 润滑

为了减少表面之间的摩擦并控制磨损，使用了称为润滑剂的材料^[17]。不像你可能想的那样，这些不仅仅是油或脂肪，而是任何以粘度为特征的流体物质，如空气和水。当然，一些润滑剂比其他润滑剂更合适，这取决于它们的用途：例如空气和水很容易获得，但前者只能在有限的负载和速度条件下使用，而后者会导致材料磨损。

我们试图通过这些材料实现的是完美的流体润滑，或者是可能避免相关表面之间的直接接触的润滑，在它们之间插入润滑膜。要做到这一点，根据应用类型、解决成本和期望达到的润滑“完美”水平，有两种可能性可以选择：

1. 流体静力润滑(或矿物油的流体静力润滑) –包括在压力下将润滑材料插入接触表面之间；
2. 流体润滑 –包括利用表面之间的相对运动使润滑材料渗透。

粘度

粘度相当于流体中的摩擦力，它实际上描述了流体抵抗引起形状变化的力的能力。

由于牛顿的研究，人们对这一现象有了更深入的了解。事实上，他引入了层流的概念:“速度从一层到另一层变化的流动”。理想情况下有可能两个表面(   ,   )在不同的层中。

与表面接触的层   由于收到施加的力F，它以一定的速度v运动，具有相同的速度v而紧接着的每一层，将改变一定量的速度dv，直到与固定表面的层   接触，速度变为零。

综上所述，可以说F在两个板之间的流体中引起滚动所必需的力F，与两个表面的面积和速度梯度成正比:

  此时我们可以引入一个比例常数  ，其对应于流体的动态粘度系数，从而获得以下方程，称为牛顿定律：   速度变化相同 dv后，使得dv / dy = v / L，其中L是表面之间的距离  和  ，简化得   粘度  在强烈阻碍运动的流体中较大，而易于流动的流体较小。

为了确定研究中是什么样的流动，我们观察了它的雷诺数

  这是一个取决于流体质量  、粘度  以及流体管直径 L的常数。如果雷诺数相对较低，则存在层流，而对于  则水流变得湍急。

最后，我们想强调的是，可以根据粘度将流体分为两种类型：

1. 牛顿流体，或粘度仅是温度和流体压力的函数而不是速度梯度的流体；
2. 非牛顿流体，或粘度也取决于速度梯度的流体。

粘度作为温度和压力的函数

当选择一种润滑剂而不是另一种润滑剂时，温度和压力是评估的两个基本因素。首先考虑温度的影响。

温度变化有三个主要原因会影响润滑剂的性能：

• 天气条件；
• 局部热因素(如汽车发动机或冷冻泵)；
• 表面间摩擦导致的能量耗散。

为了根据各种润滑剂的粘度随温度变化的特性对其进行分类，迪安和戴维斯在1929年引入了粘度指数(V.I)。这些指定了当时可用的最佳润滑剂，即宾夕法尼亚州的油，其粘度指数为100，最坏的情况是墨西哥湾沿岸的美国油，粘度指数为0。为了确定中间油指数的值，使用以下步骤：选择两种参考油，使所讨论的油在100 ℃时具有相同的粘度，并采用以下方程确定粘度指数

  这个过程有一些缺点:

• 对于油的混合物，结果不准确；
• 如果您在固定温度范围之外，则没有信息；
• 随着技术的进步，粘度超过100的油不能用上述方法描述。

在油的粘度指数超过100的情况下，你可以使用不同的关系，让你得到准确的结果

    其中，在这种情况下，H是100°F时的粘度（粘度指数=100），且v是油在210°F时的运动粘度 。

因此，我们可以说，温度的升高会导致油的粘度降低。同样，记住压力的增加意味着粘度的增加也是有用的。为了评估压力对粘度的影响，使用以下等式

  其中  是压力p下的粘度指数，  是大气压下的粘度系数，  是描述粘度和压力之间关系的常数。

粘度测量

为确定流体的粘度可使用粘度计，粘度计可分为三大类:

1. 毛细管粘度计，其中通过将流体滑入毛细管来测量流体的粘度；
2. 固体滴粘度计，其中粘度通过计算在流体中运动的固体的速度来测量；
3. 旋转粘度计，其中粘度是通过评估相对运动的两个表面之间的流体流量获得的。

前两种粘度计主要用于牛顿流体，而第三种粘度计用途广泛。

3.3 磨损

磨损是与另一个表面或与流体相对运动时表面材料的逐渐非自愿去除。我们可以区分两种不同类型的磨损：中度磨损和重度磨损。第一种情况涉及低载荷和光滑表面，而第二种情况涉及高载荷和相容的粗糙表面，其中磨损过程更加剧烈。磨损在摩擦学研究中起着重要作用，例如它会导致机械制造中使用的部件形状发生变化。这些磨损的零件必须更换，这既带来了由于更换成本而带来的经济性问题，也带来了功能性问题，因为如果不及时更换这些部件，可能会对复杂的机器造成更严重的损坏。然而，这种现象不仅有负面影响，实际上，它通常用于降低一些材料的粗糙度，消除粗糙。我们错误地倾向于想象磨损与摩擦直接相关，实际上这两种现象不容易联系起来。可能存在低摩擦会导致严重磨损的情况，反之亦然。为了发生这种现象，需要一定的实施时间。这可能根据一些变量而改变，例如负载、速度、润滑和环境条件，并且存在不同的磨损机制，这些磨损机制可能同时发生，或者甚至相互结合:

1. 粘合剂磨损；
2. 磨料磨损；
3. 疲劳磨损；
4. 腐蚀性磨损；
5. 摩擦磨损或微动；
6. 侵蚀磨损；
7. 其他轻微磨损现象(冲击磨损、气蚀、磨损融合、磨损扩散)。

粘合磨损

众所周知，两个表面之间的接触是通过凸(凹)体之间的相互作用来实现的^[18]。如果在接触区域施加剪切力，可能会分离一小部分较弱的材料，因为它粘附在较硬的表面上。所描述的正是图中所示的粘合剂磨损的机理。这种类型的磨损是非常有问题的，因为它涉及高磨损速度，但是同时通过增加所涉及表面的表面粗糙度和硬度，或者通过插入污染物层，例如氧气、氧化物、水或油，可以降低粘附力。总之，胶粘剂磨损量的行为可以用三个主要规律来描述：

• 定律1 –磨损所涉及的质量与表面间摩擦的移动距离成正比。
• 定律2 –磨损所涉及的质量与施加的载荷成正比。
• 定律3 –磨损所涉及的质量与较坚硬材料的硬度成反比。

磨损的一个重要方面是磨损颗粒排放到环境中，这日益威胁人类健康和生态。第一个研究这个课题的研究者是欧内斯特·拉比诺维茨（Ernest Rabinowicz）^[19]。

磨料磨损

磨料磨损由作用在较软表面上的硬表面的切割力组成，可能是由于尖端切断了它们摩擦的材料的粗糙度引起的(双体磨料磨损)，也可能是由于相对运动中介于两个表面之间的硬材料颗粒引起的(三体磨料磨损)。在应用层面，通过适当的表面处理可以轻松消除双体磨损，而三体磨损会带来严重问题，因此必须通过合适的过滤器尽可能消除，甚至在重型机器设计之前也是如此。

疲劳磨损

疲劳磨损是一种由交变载荷引起的磨损，交变载荷会导致局部接触力随着时间的推移而重复出现，进而导致相关材料的劣化。这种磨损最直接的例子是梳子。如果你一次又一次地把手指滑过梳子的齿，你会发现在某个时候梳子的一个或多个齿脱落了。由于机械或热原因，这种现象会导致表面破裂。第一种情况是上述情况，其中重复的重复负载导致高接触应力。然而，第二种情况是由过程中涉及的材料热膨胀引起的。因此，为了减少这种类型的磨损，最好尝试降低接触力和热循环，即不同温度干预的频率。为了获得最佳效果，尽可能消除表面之间的杂质、局部缺陷和相关物体中异物的夹杂物。

腐蚀磨损

腐蚀磨损发生在金属氧化或腐蚀的情况下。当纯金属表面与周围环境接触时，由于环境本身存在污染物，如水、氧或酸，它们的表面会形成氧化膜。这些薄膜不断从磨料和粘合剂磨损机制中去除，通过纯污染金属的相互作用不断重新生成。显然，这种磨损可以通过努力创造一个“特别”的环境来减少，没有污染物，对最小的热变化敏感。腐蚀性磨损在某些应用中也可能是积极的。事实上，产生的氧化物有助于降低表面之间的摩擦系数，或者在许多情况下比它们所属的金属更硬，可以用作优异的磨料。

摩擦磨损或微动

摩擦磨损发生在受到或多或少强烈振动的系统中，这种振动导致与纳米量级接触的表面之间的相对运动。这些微小的相对运动既导致由位移本身引起的粘着磨损，又导致由粘着相中产生的颗粒引起的磨料磨损，这些颗粒仍然被截留在表面之间。腐蚀性物质的存在和温度的升高会加速这种磨损^[20]。

侵蚀磨损

当固体或液体的自由颗粒撞击表面导致磨损时，就会发生侵蚀磨损。所涉及的机制有各种各样，取决于某些参数，如撞击角度、颗粒大小、撞击速度和颗粒组成材料。

影响磨损的因素

在影响磨损的主要因素中，我们发现

1. 硬度；
2. 互溶性；
3. 晶体结构。

已经证实，材料越硬，其减少越多。同样，两种材料的互溶性越小，磨损就越趋于减少。最后，关于晶体结构，可以说一些结构更适合抵抗其他结构的磨损，例如具有紧凑分布的六边形结构，其只能通过沿着基面滑动而变形。

磨损率

为了评估磨损造成的损害，我们使用一个无量纲系数，称为磨损率，由物体高度变化之间的比率给出   和相对滑动的长度   。

  该系数可以根据其大小细分各种材料在不同情况下遭受的损坏，从中度磨损到中度磨损，再到重度磨损。

相反，为了表示磨损量V，可以使用霍姆方程

•    (粘合剂磨损)
•    (磨料磨损)

其中W / H表示实际接触面积，l表示行进距离的长度，k和   是实验尺寸因子。

磨损测量

在材料磨损的实验测量中，通常需要重现相当小的磨损率和加速时间。这种现象实际上是几年后才发展起来的，在实验室里必须在几天后发生。磨损过程的第一个评估是对研究中物体表面轮廓的目视检查，包括磨损现象发生前后的比较。在第一次分析中，观察到材料硬度和表面几何形状的可能变化。另一种研究方法是放射性示踪剂法，用于评估宏观层面的磨损。两种接触材料中的一种在磨损过程中带有放射性示踪剂标记。这样，将被去除的这种材料的颗粒将很容易被看见和评估。最后，为了加快磨损时间，最著名的技术之一是高压接触测试。在这种情况下，为了获得期望的结果，在非常小的接触面积上施加载荷就足够了。

4.1 运输和制造摩擦学

历史上，摩擦学研究集中在机器部件的设计和有效润滑上，特别是对于轴承。然而，摩擦学的研究扩展到现代技术的大多数方面，任何一种材料在另一种材料上滑动的系统都可能受到复杂摩擦相互作用的影响。

传统上，运输业的摩擦学研究侧重于可靠性，确保机器部件的安全、连续运行。如今，由于越来越重视能耗，效率变得越来越重要，因此润滑剂变得越来越复杂和精密，以实现这一点。摩擦学在制造业中也起着重要的作用。例如，在金属成形操作中，摩擦会增加工具磨损和工件加工所需的动力。这导致成本增加，因为工具更换更频繁，随着工具尺寸的变化公差损失，以及成形零件需要更大的力。

使用润滑剂将直接表面接触降至最低，降低了工具的磨损和动力需求。^[21]还需要知道制造的效果，所有制造方法都会留下独特的系统指纹(即表面形貌)，这会影响摩擦接触(例如润滑剂膜的形成)。

5.1 研究领域

摩擦学研究范围从宏观到纳米尺度，涉及的领域从大陆板块和冰川的运动到动物和昆虫的运动。^[22]摩擦学研究传统上集中在运输和制造部门，但这已经相当多样化。摩擦学研究可以大致分为以下几个领域(有一些重叠):

• 经典摩擦学涉及机械元件(例如滚动轴承、齿轮、滑动轴承、制动器、离合器、车轮和流体轴承)以及制造过程(例如金属成形)中的摩擦和磨损。
• 生物摩擦学研究生物系统中的摩擦、磨损和润滑。随着人类预期寿命的增加，这一领域变得越来越重要。人体髋关节和膝关节是典型的生物摩擦学系统。
• 绿色摩擦学旨在最大限度地减少环境冲击摩擦系统生命周期。特别地，绿色摩擦学旨在减少摩擦损失(例如，摩擦和磨损)使用对环境影响最小的技术。这与传统摩擦学相反，传统摩擦学中，减少摩擦损失的方法没有得到整体评估。^[22]
• 地理摩擦学研究地质系统的摩擦、磨损和润滑，例如冰川和断层。
• 纳米摩擦学在纳米尺度上研究摩擦学现象。随着器件变得越来越小(例如微/纳米机电系统、MEMS / NEMS )，该领域变得越来越重要，并且研究得到了原子力显微镜发明的帮助。
• 摩擦电子学旨在将主动控制回路集成到摩擦系统中，以提高机器效率和寿命。
• 计算摩擦学旨在通过多物理场模拟，结合诸如接触力学、断裂力学和计算流体动力学等学科，对摩擦学系统的行为进行建模。
• 空间摩擦学研究能够在外层空间 恶劣环境条件下运行的摩擦学系统。特别是，这需要具有低蒸汽压的润滑剂，能够承受极端的温度波动。
• 开放系统摩擦学研究接触并受其影响的摩擦学系统自然环境。

最近，由于对节能需求的增加，引发了对超润滑性(摩擦消失现象)的深入研究。^[23]此外，新材料的开发，例如石墨烯和离子液体，为解决摩擦学问题提供了全新的方法。^[24]

5.2 研究协会

现在有许多国家和国际协会，包括:美国的摩擦学家和润滑工程师协会(STLE)、英国的机械工程师学会和物理研究所 (IMechE摩擦学集团、IOP摩擦学集团)、德国摩擦学会、马来西亚摩擦学会、日本摩擦学家学会(JAST)、印度摩擦学会(TSI)、中国机械工程学会(中国摩擦学会)、以及国家摩擦学理事会。

5.3 研究方法

摩擦学研究大多是经验性的，这可以用摩擦接触中影响摩擦和磨损的大量参数来解释。因此，大多数研究领域严重依赖于标准化的摩擦计和测试程序以及组件级测试设备的使用。

6.1 摩擦系统

摩擦系统的概念用于对摩擦系统的相关输入、输出和损失进行详细评估。这些参数的知识允许摩擦学家为摩擦系统设计测试程序。

6.2 摩擦膜

摩擦膜是在摩擦应力表面形成的薄膜。在摩擦学系统中，它们在降低摩擦和磨损方面起着重要作用。

6.3 斯特里贝克曲线

斯特里贝克曲线显示了流体润滑的接触中的摩擦是润滑剂粘度、夹带速度和接触载荷的非线性函数。