Трибология имеет статус междисциплинарной области знаний в силу своих специфических связей практически со всеми естественными науками. Так, зародившись в недрах механики и широко используя ее методы, результаты и подходы, трибология в свою очередь стимулирует интерес механиков к так называемым неклассическим задачам, поставленным с учетом дискретности реального контакта и/или поверхностных сил.
Постановка таких задач все время совершенствуется в связи с имеющей место в трибологии тенденцией перехода к моделям, характерный масштаб которых микро- и даже нанометровый. Такой переход, с одной стороны, заставляет механиков подвергать ревизии физические основы своей науки, формулируя задачи на стыке с молекулярной и статистической физикой, а, с другой стороны, проливает свет на фундаментальные проблемы трибологии, такие как связь между адгезионными и деформационными механизмами трения.
Условно обсуждаемая тенденция вместе с основными факторами, роль которых в процессах фрикционного взаимодействия, естественно, различна, может быть представлена в виде диаграммы, изображенной на рис. 1.
В этой связи следует отметить следующее. Механические свойства контактирующих материалов следует учитывать на любом масштабном уровне, но в зависимости от избранного уровня такие характеристики, как модуль Юнга и твердость, могут отличаться не только по величине, но и по физическому смыслу. Миниатюризация моделей фрикционного контакта требует перехода от объемных свойств материалов к их поверхностным свойствам, оцениваемым по данным атомно-силовой микроскопии, измерений адгезии, микро- и наноиндентирования.
Но основной проблемой остается физическая интерпретация экспериментальных данных при изменении масштаба измерения.
При этом следует иметь в виду, что при взаимном скольжении твердых тел механические свойства контактирующих материалов могут изменяться под действием тепла, генерируемого при трении. Cуществуют теории, позволяющие рассчитать объемную и поверхностную температуры, температуру вспышки. Механизм генерирования тепла при этом остается не очень ясным.
И здесь некоторые перспективы можно связать с моделями нанотрибологии, описывающими процессы возникновения и разрушения молекулярных фрикционных связей.
Таким образом, выявление, классификация и детальное изучение структурных уровней деформации и разрушения при трении и построение на этой основе адекватных моделей элементарных фрикционных процессов с учетом новейших знаний в области физики, химии механики поверхности могут быть отнесены к одному из основных направлений развития трибологии.
Учитывая важность узлов трения для промышленности, транспорт и других видов деятельности человека, следует отметить, что сохраняется острая необходимость в разработке триботехнических материалов, которые способны адаптироваться к изменению внешних условий и обладают заданными структурой и свойствами. При этом важна роль отводится применению упрочняющих технологий, основанных на новейших физических принципах, а также различных покрытий.
Существует необходимость в расширении областей применения технической диагностики и мониторинга узлов трения машин. Остается актуальны создание методов испытаний на трение и износ, развитой сети банка данных испытаний, а также системы передачи этих данных для использования в производственных и учебных целях.
Как отмечалось неоднократно ранее, контакт твердых тел и трение реализуются на микроскопически малых участках реальных площадей контакта. Однако до недавнего времени практическая трибология имела дело с макроскопическими узлами трения, описанными выше. Начиная с 70-х гг. XX в. трибологи столкнулись с проблемами трения и износа на микроуровне. Это произошло в результате бурного развития компьютерной техники, потребовавшей создания устройств записи, хранения и обработки информации на магнитных носителях памяти. Хорошей иллюстрацией условий функционирования такого устройства может служить рис. 2. Аналогией головки, считывающей информацию с поверхностного слоя диска накопителя современного компьютера, по Бушану мог бы служить авиалайнер, летящий на высоте 0,2 мм со скоростью 900 км/ч.
Развитие техники затронуло много других областей, где контроль трения и износа в микро- и наномасштабе стал необходимостью. Это, прежде всего, прецизионные поверхности в робототехнике, медицинских приборах микрохирургии, сверхточные системы механических и электромеханических гироскопов, устройств сервомеханики и микроперемещений.
Новая область трибологии, определяемая сейчас как микро- и нанотрибология, стала основой разработки нового класса приборов — микроэлектромеханических систем (МЭМС) и новой области микросистемных технологий. Не следует думать, что в обычной технике мы еще не пользуемся микросистемами. Один из примеров МЭМС — датчик, вызывающий при резких ударных ускорениях срабатывание подушек безопасности в автомобилях — это широко применяемое устройство. Микросистема определяется как миниатюрный прибор, сочетающий функции датчика, преобразователя сигнала и исполнительного механизма.
При помощи технологии изготовления электронных микросхем можно реализовать микросистемы в масштабах тонкопленочных кремниевых изделий толщиной в несколько мик рометров и длиной в десятки микрометров, Примером такой системы может служить узел микропривода, показанный на рис. 3.
Трение, смазка и износ в микросистемах реализуются на очень гладких площадках контакта, сравнимых с размерами систем, и поэтому роль адгезии и поверхностных сил в них очень велика. Требуются принципиально новые технические решения проблем трибологии — так, например, для снижения трения в системах магнитной записи используются мономолекулярные слои смазочных материалов — фторированных углеводородов.
Поскольку электронные технологии получения МЭМС основаны на использовании таких материалов, как кремний, механические и трибологические характеристики которого очень низки, требуется применение специальных сверхтонких покрытий или методов модификации поверхностного слоя — ионная имплантация и т. д. В последние годы удалось изготовить МЭМС из таких материалов, как металлические сплавы и полимеры, путем сочетания электронных и гальванических технологий и при получении прототипов изделий, с последующим копированием прототипа методами литья под давлением.
Примером использования такого подхода может служить планетарный редуктор с металлическими шестернями, представленный на рисунке ниже.
Микро- и нанотрибология — это новый многообещающий раздел науки, который будет продолжать бурно развиваться в XXI веке. Это развитие базируется на таких достижениях науки, как создание сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов, прогресс электронных технологий, синтез новых материалов. Оно невозможно без использования достижений традиционной трибологии — механики контакта, теории адгезии, теории граничной смазки.
Проблема изнашивания сохранила свою актуальность при развитии техники нынешнего века — лишь масштаб процессов сместился в микро- и нанометровый диапазоны. Появление механических систем, изготовленных методами нанотехнологий, подобно микросхемам в электронике, вызвало необходимость анализа процессов изнашивания на нанометровом уровне. Попытка оценить процесс изнашивания на микроуровне была реализована с помощью атомно-силового микроскопа, в котором алмазная игла с радиусом около 100 нм царапала поверхность кремния под нагрузкой в 0,0005 Н.
На рис. 5 представлен график роста глубины царапины в зависимости от числа проходов иглы по поверхности.
Таким образом, опыт показывает, что и в нанометровом масштабе изнашивание должно следовать общим закономерностям, характерным для макросистем, однако роль поверхностных сил и адгезии поверхностей намного более значительна.
Человечество за тысячи лет изобрело множество способов борьбы с изнашиванием. Один из основных — применение различных смазок со времен Древнего Египта. Другой — упрочнение трущихся поверхностей — возможно, древние римляне первыми догадались подбивать подметки гвоздями с крупными шляпками, защищающими обувь от истирания.
Огромное количество методов повышения износостойкости основывается на технологиях обработки поверхности материалов — это и нанесение микрорельефа с помощью лазера, имплантация ионов таких элементов, как азот, в поверхностный слой, и, конечно же, нанесение различного рода покрытий. Современные износостойкие покрытия — это пленки толщиной от десятков нанометров до нескольких микрометров, твердость которых приближается к твердости алмаза, а коэффициент трения всего около одной сотой.
Перспективные износостойкие материалы содержат такие компоненты, как фуллерены и нанотрубки; активные разработки ведутся в области керамик с нанометровыми размерами зерен и материалов с ультрадисперсными алмазами для режущего инструмента. Материаловедам и конструкторам предстоит еще много работы как в борьбе с нежелательным износом, так и в ускорении нужного износа в обработке материалов.
На рис. 1 приведены механизмы разрушения материала при трении и приведена схема взаимодействия различных факторов, действующих в зависимости от масштаба рассмотрения процесса. Если проанализировать известные виды изнашивания, то можно заключить, что все они также связаны с составляющими силы трения. При этом усталостное изнашивание определяется в основном деформацией материала при трении, в то время как адгезионное изнашивание обусловлено действием поверхностных сил в процессах разрушения материала и его переноса между трущимися телами.
Существует большое разнообразие видов изнашивания, но их более или менее удовлетворительная классификация до сих пор отсутствует. Кроме того, трение всегда происходит в определенной среде, которая оказывает влияние на тела в контакте путем химических реакций. Эти реакции изменяют скорость деформирования материала и влияют на интенсивность поверхностных взаимодействий.