机械摩擦耗散了全球约23%的总能量消耗，这与提倡的节能环保目标相违背，同时对环境可持续性和能源效率构成了巨大挑战。润滑剂是减少磨损最常见且有效的手段，但其带来的土壤和水体污染风险严重破坏了清洁生产的目标，并威胁到生态系统。为了应对这些问题，研究者们提出了多种环保方案，如微结构控制、热处理和涂层技术，然而这些方法往往耗时、成本高昂、且工艺复杂，限制了其在工业中的应用。近年来，研究表明通过外部刺激（如温度和磁场）调节摩擦界面功能，可能成为开发多功能、环保调节器的有效路径。特别是磁场在成型过程中的应用，不仅可以精细调控材料的内部微结构，还能显著改善摩擦学性能，使其成为减少摩擦与磨损、实现低能耗生产的重要工具。
近日，西南交通大学磨蚀防护技术与理论课题组探索了磁场对摩擦膜（tribofilm）组织结构的影响，特别是通过磁场控制磨损颗粒氧化的潜力。研究中开发了一种具有纹理化表面的摩擦系统，该表面特征反映了磨损后的表面状态。结合有限元分析，深入解析了磁场在磨损表面上的分布情况，并揭示了磁场如何影响氧化层的积累与摩擦学行为之间的关系。实验结果表明，磁场不仅能促进磨损颗粒的氧化，还能通过重新排列氧化颗粒来提高摩擦膜的密度和厚度，从而减少摩擦和磨损。该研究为理解磁场下摩擦学行为的基本机制提供了新见解，并为实现高效传动润滑控制提出了新的应用前景。该工作以“Magnetic-Manipulation of tribofilm for Si3N4/1045 steel contact toward sustainable reduction in friction and wear”为题发表在《Journal of Cleaner Production》上。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图1. 磁控摩擦膜的生长以及抗摩减磨损原理示意图
首先，作者展示了磁场对磨损表面磁性颗粒分布及摩擦膜形成的影响。图2(a)为在不同强度的磁场刺激下，磨损表面磁感应强度的分布情况，随着磁场强度的增加，表面凸起处的磁感应强度（Bt）明显增强，而基体表面（Bs）则保持较为均匀。图2(b)量化了不同磁场条件下的磁场梯度（ΔB），并表明磁场强度越高，ΔB越大，尤其是表面粗糙度增加时，磁场梯度更为显著。图2(c)则展示了在不同磁场梯度下，磨损颗粒聚集在表面凸起处的情况。随着磁场梯度的增强，颗粒在凸起尖端的聚集变得更加明显，形成链状结构，最终颗粒在反复摩擦中填充磨损轨迹，形成致密的摩擦膜，有效隔离摩擦对基体的磨损。
图2.(a) 磨损表面磁场分布三维可视化，(b) 磨损表面磁场梯度（ΔB），(c) 磨粒表面磁场梯度及磁粒分布示意图。
接下来，作者揭示了不同磁场强度和法向载荷下样品的摩擦系数和磨损体积变化，如图3所示。随着磁场强度的增加，摩擦系数呈现持续下降的趋势，达到MT-4刺激下的阈值。磁场的应用促使磨损状态从严重磨损向轻度磨损的早期转变。通过计算不同条件下的平均摩擦系数（AFC）和磨损体积（Wv），结果显示在较高磁场强度下，AFC和Wv均有显著下降，分别减少了22%和28%。该现象与氧化膜的形成有关，磁场能够促进保护性摩擦膜的生成或改变滑动界面的化学反应，从而降低摩擦和磨损率。图中还展示了磁场强度、法向载荷与AFC和Wv之间的联系，表明磁场与法向载荷的协同作用有助于细化表面磨损颗粒并形成致密的摩擦层，进而降低表面粗糙度和摩擦系数。此外，较高的磁场和较小的法向载荷能够减少磨损体积，说明磁场刺激了表面凸起部分的重组和对准，进而引发基材去除和表面退化。
图3. (a) 磁场强度对摩擦系数的影响，(b) 不同磁场刺激下的AFC和Wv，(c) 磁场和法向载荷协同作用下的AFC变化，(d) 磁场和法向载荷协同作用下的Wv变化。
此外，在不同外部刺激条件下，磁场显著影响了磨损颗粒的形态，如图4所示。随着磁场强度的增加，磨损颗粒逐渐聚集并排列形成致密的结构，颗粒间的相互作用增强。特别是在强磁场下，磨损颗粒的尺寸明显减小，最大直径从3.10微米降至1.78微米，减少了42.6%。磁场不仅促进了颗粒的聚集，还引发了颗粒之间的剪切变形，导致颗粒更易碎裂并进一步精细化。这些结果表明磁场在控制磨损颗粒形态方面具有重要作用，有助于减少磨损并优化摩擦性能。
图4. 磁控作用下磨屑微观形貌的演变过程. (a) NT, (b)MT-1, (c) MT-2, (d) MT-3, (e) MT-4, (f)磁场刺激下磨屑细化示意图。
最后，作者通过图5展示了不同磁场强度下磨损表面的截面形态及元素分布变化。在无磁场作用下（图a），磨损轨迹中充满不规则的碎屑，且未出现明显的分层现象。随着磁场强度的增加（图b-e），氧化层的厚度显著增加，从2微米增加至3微米，且碎屑的体积减小，变得更加精细。磁场刺激促进了碎屑的氧化，形成了致密的氧化膜，增强了表面硬度和耐磨性，有效保护了基体表面，减少进一步的磨损。这些结果表明，磁场不仅能细化碎屑，还能通过促进氧化膜的生成来提高抗摩擦和耐磨性能。
图5. 不同磁场刺激条件下磨损轨迹的截面形态和元素分布。
本研究揭示了磁场在减少摩擦与磨损中的关键作用，助力低能耗生产进程。通过深入分析磁场诱导摩擦膜形成的机制，研究指出磁场能够有效改变摩擦界面的摩擦学行为，增强机械耐久性。实验结果表明，磁场不仅能通过调控磨损颗粒的氧化和摩擦膜的结构提高抗磨性能，还能显著降低摩擦系数和磨损体积。磁场强度的调控为摩擦界面的摩擦与磨损行为提供了一个环保、可控的解决方案，展示了磁场与摩擦学之间复杂而密切的相互作用，为未来的摩擦学系统设计和优化开辟了新的方向。
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https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143766