使用摩擦学改善产品生活

密歇根州Michigan Metrology / Bruker博士谈论他在摩擦和穿着世界的经验如何看待他努力在汽车和医疗行业中做出更好的更持久的产品。

首先，你能告诉我们一些关于摩擦学史吗？它周围多久了？

它开始了一百万年前，当第一个洞穴人一起敲了两块石头，突然存在摩擦学，因为分钟人们开始摩擦东西，他们已经研究了摩擦摩擦。他们很快意识到润滑是一个好主意，因为他们可以把水放在物体上，看看更平滑的过境。摩擦学是人类参与的根本效果。在历史意义上，洞穴人们开始用石头和石材工具以及形成石材工具，这是关于摩擦学摩擦。敲打石头最终使用摩擦来创造火灾。

《摩擦学:追求长寿》(AZoNetwork on Vimeo)。

在一个更现代的意义上，至少在历史书籍中，人们总是回到埃及人，他们展示埃及人的照片移动这些巨大的石雕象和石块，而且它们显然弄清楚了很多关于摩擦，如何移动大的东西。他们开始揭示滑动摩擦的问题，并且它们能够通过使用润滑剂来减轻滑动摩擦。有些人的草图倒入润滑油，通常是流体，动物脂肪或石头下方的东西，以便移动它。他们最终意识到了他们把东西放在滚动元件上，即滚动摩擦比滑动摩擦在滑动摩擦那么古代人真正正在处理摩擦学的情况下。

Da Vinci是第一个绘制两个曲面互相摩擦的人，他发现摩擦学是什么？

达芬奇是他开始系统化和研究我们称之为摩擦规律的先驱之一。当然，他们不是真正的法律，如牛顿的引力定律。它们只是经验观察，当你一起摩擦身体时，存在某种行为，并且这些物体之间的力越大，摩擦力越高。达芬奇也观察到了一些奇怪的东西，这是他所谓的对象的范围，它似乎并没有影响摩擦力。如果我拿一个街区并将其放在宽敞的一侧或者我拿着同一个块并把它放在狭窄的一面，摩擦力是一样的，这是一个奇怪的事情，摩擦力似乎没有依赖在物体的程度上以及它触摸表面的程度。Davinci的两项法律是：

• 接触区域对摩擦没有影响
• 如果一个物体的负荷增加一倍，它的摩擦力也会增加一倍

这导致了对摩擦的很多不确定性和对科学的理解，直到法国人纪劳姆·阿蒙顿斯(Guillaume Amontons, 1663-1705)重欧洲杯线上买球新发现并发展了这些摩擦定律。当时，有很多误解，或者说是各种各样的理解，我应该说，因为事实证明，他们对于摩擦的来源都是正确的。两个滑动对象,反对另一个,导致摩擦,有些人想,“嗯,这与表面粗糙度,这样作为一个表面滑动,这些小山脉和山谷,造成某种交互,说,干扰,这样的阻力。”其他人认为更多的摩擦来自于表面之间的粘附，表面粗糙度是多少并不重要。如果表面非常光滑，摩擦力往往来自于附着力。如果你有一个非常非常粗糙的表面，那么摩擦力确实可以来自于一个物体在另一个物体上滑动并剥离到另一个物体上，然后在所有这些中间你会得到有趣的科学。欧洲杯线上买球直到60年前人们才真正了解到这一点，这就是这个领域的现状。这个领域真正的关键人物，鲍登和塔博尔，提出了一个新想法。他们的论点是，也许摩擦与接触的真实面积和粘附有关，所以它把表面纹理和粘附这两种观点联系起来，结果证明它们都是正确的。这引发了摩擦和摩擦学的革命，以及扫描电子显微镜和触笔轮廓仪等新技术，使我们能够更详细地观察表面纹理。

这项新技术是如何帮助的？

这些科学家现在能够更详细地查看表面，并意识到这一点是有道理的。当你把两个表面带到一起试图了解他们的摩擦界面时，什么是真正的联系方式？他们意识到，一旦我知道真正的接触区域，乘以通过某种类型的接触区域之间的粘合，然后我可以在摩擦来自哪里的手柄。事实证明，模特效果很好。如果你带领极端，如果表面变得超级，超级光滑，那么真正的接触区域非常非常宽，摩擦变大。另一方面，如果表面变得非常非常粗糙，则初始的接触区域可能很小，因为小山脉坐在彼此顶部。但在那一点上，你不是在这种粘合机制中，你更进一步，在一个表面耕作另一个表面，所以在非常粗糙的表面上，摩擦也可以变大。实际上，涉及摩擦和表面纹理时有三个制度。如果它太光滑，你可以有高摩擦，太粗糙，你可以有高摩擦。在一些最佳的表面纹理，您可以获得最小的摩擦量。

这与当前挑战有关吗？

多年来，行业面临的挑战是，不同的表面表现不同。在现在的纳米世界里，一个全新的物理世界正在打开，我们称之为纳米摩擦学。因为现在，当我们看到物体如此之小以至于相互作用的力，粘附力，毛细力的作用方式使我们的基本摩擦定律失效。我们讨论的是在这些微电子机械结构中可能遇到的摩擦。这为使用扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学轮廓仪和其他类型的设备在纳米水平上理解摩擦学开辟了一个全新的领域。

多年来，您的客户群及其需求如何变化，或者他们有什么变化？

是的，他们肯定改变了。我有两个主要市场，我处理：汽车，当然还有医疗，很多医疗。在汽车方面，驾驶它的东西比任何事情都更多的是，人们只是要求永远的保证。我的意思是，如果你思考这一点，当我们曾经有真正的火花塞时，一个很好的例子是火花塞。我们曾经定期更改火花塞。改变火花塞并不大。您不再更改火花插头。这就是所有组件都会发生的事情。我们希望我们所有的汽车部件都必须改变。我们不希望他们打破。 We don't want things to wear out. We don't want things to start making noise. The quality demand that we have on our automobiles is enormous.

这越来越多地推动我们的行业。不仅仅是质量，还要感知。它会上班。例如制动行业。这辆车将停止。这不是问题。问题是，它停止时感觉如何？它停止时听起来如何？这是问题。消费者正在为我的公司受到这一点的这种高度质量来开车，因为人们不仅驾驶，而且说，在它使用时，新的部分如何发出新的部分，但这部分持续多长时间？ Both the initial, if you will, tribology, and then the wear rate and how long will it wear.

你的医疗客户呢？

对于医学行业也可以说同样的事情，因为我们正在成为这些仿生生物。我们觉得只需更换膝盖即可更换膝盖，就像它没有大不了的事。我必须得到一个新的轮胎，我必须得到一个新的膝盖，然后在新的膝盖上跑去20年。驱动器是获得可更换的部件，使它们易于安装。非常简单地，交付，以及使他们永远持续的需要，正在推动需要了解表面饰面，并与摩擦学的面对面，以优化磨损，表面纹理，表面涂层，甚至只是基材和/或设计。我猜，消费者的生活越来越长，想要驾驶不打破的汽车，让我能让我成为商业。

摩擦学与现代汽车的寿命有什么关系?

我们称之为保修可靠性，这是一个大问题，因为一辆车的零件数量是巨大的。想想看，每一辆造出来的车都没有经过测试。它建好了，运过来了，你买了它，你希望它能在成千上万英里的地方使用。与布鲁克实验室的设备相比。2020欧洲杯下注官网我们制造显微镜。我们要把他们测试到死我们在装配时很小心。我们的船。我们在野外建造它们。我们在测试时非常小心。 After we're happy with them, then we let the customers use them. Our equipment costs hundreds of thousands of dollars. A car costs 30 grand along with all the parts in it. Can you imagine? You just turn the key and you go and you expect it to go forever. That's the difference.

汽车中的每个部件都有主要的工程 - 你不会想象我所看到的那种东西。其中一个最奇怪的是遮阳板。遮阳板是非常重要的技术，有些人在汽车中花在遮阳板上的职业生涯。我们正在寻找光线和遮阳板之间的关系，遮阳伞的感觉，如果遮阳伞在移动时会产生噪音，无论是留下它的位置。这种摩擦学本身就是让许多人的职业生涯，因为遮阳板上的机制拥有你想要听到的所有摩擦学。你有滑动曲面。你想要一定的摩擦。您希望摩擦在移动时不会产生任何噪音。你希望它将它留在你放置它的位置，当你完成它时，能够将它移开，当然它应该持续200,000到300,000英里。那只是汽车的一部分。 The issue of noise for cars under warranty is enormous. When it comes down to it, most of my time is spent helping people solve problems related to either squeaks, leaks, friction, wear, appearance or adhesion. That's pretty much all the issues that I get involved in. Squeaks are noise. Noise is a phenomenal problem in the auto industry. We take for granted how much we hear. Noises affects our perception of the quality of that car.

佩戴的组件怎么样？你能给个例子吗？

当然，我们不希望事情磨损，所以我们必须学习磨损。可能是磨损的更有趣的应用之一是在传感器中。我们的汽车充满了传感器，随着我们越来越多地向汽车和物联网移动而移动，我们到处都有传感器。传感器通常涉及相对于其他东西的东西。它们可以是非常基本的，就像一个小型机械对象滑动电阻，更先进，就像它们上具有不同结构的MEMS器件。他们还在搬家，我们仍然担心摩擦，但在纳米镜头上。再一次，这完全是关于摩擦，这都是关于磨损的全部;这些事情如何磨损，因为传感器磨损，不幸的是，它将给我们一个错误的信号。

这让我想到了几年前工作的案例。其中一辆汽车制造商召回了一个非常重大的回忆，因为他们的汽车耗尽了天然气，这些是全新的昂贵的汽车。客户在高速公路上驾驶，气罐会读半罐，突然间，汽车会停止，他们无法理解发生了什么。它结果传感器失败了。它告诉他们他们没有的气体。但是，当你在70英里的高速公路中间耗尽天然气时，这不是一件好事，政府参与其中。我和NTSA人一起走进见面，每个人都互相尖叫，试着尝试攻击问题。事实证明，人们在影响传感器和传感器制造的汽油上将其责备它。那些日子里的煤气罐正在从钢转移到塑料，所以他们也认为塑料导致问题。这是一个严重的召回项目，这是我真正削减牙齿的第一个。 I was able to see when the big leagues get involved how much they throw at a problem. It came down to a wear issue, and the sensor was wearing out prematurely. It took a lot to solve the problem, including literally building brand new cars off the line with sensors of different designs and then driving them around town on these special courses 24 hours a day, taking the car apart after every 5,000 miles and analyzing the sensor. This is the kind of stuff that goes on in Detroit day in and day out, and most people don't realize.

人们的寿命越来越长，需要能够使用20年的医疗设备，那么摩擦学的贡献是什么呢?

在医疗领域，摩擦的很多问题都上升了。当你考虑它时，这是现象的东西。在最后，说，50年来，我们称之为非侵入性手术的金额而不是打开它们，而且越来越大。他们实际上喂养导管通过你的动脉。嗯，这是摩擦学的角度来说是一个很大的挑战。他们采取非常薄的电线，它们通过动脉系统喂养。该电线具有非常光滑的表面光洁度，以及其他特性。我见过这个，这让你吹走了。它不像我们的动脉系统是一根直管，这是一个非常迂回的路径。这条线必须进入各种奇怪的方向，而不是穿过该动脉的刺穿。 Then you get that wire through your body into your heart and that's just a guide wire. Now, you slide a conduit over that wire. All that sliding, that's serious tribology. You want to make sure that there is obviously as little friction as possible, both on the metal guide wire on the inside, if you will, the lumen of that tube, and the exterior, which is sitting on your vessel wall. The actual physics that goes on in development of those surfaces, their surface texture, as well as the chemistry of the material, is phenomenal. The friction coefficients that these guys quote blow you away at how small it is, which as I'm getting older I'm glad to know because I might need these things.

你们还有其他医疗设备需要使用很长时间的例子吗?

好的，在医学行业发生的例行问题相当一点是一个特定的应用，其中有一种在某种电疗装置中使用的电极。它植入了某人的身体。它可能是一个心脏植入物或某物，但它是一个电极。电极必须具有非常特定的表面纹理，使其基本上变成肌肉组织。对于本项目的第一阶段，我们实际上实验了不同的表面纹理和不同的规格，直到客户指出他们所需的规格。然后他们投入生产。然后是，常规，每月一次或一次每六个星期一次，我会在释放到生产中之前衡量一系列零件。我们将这种测量和数据分析历史保持了多年的数年，因此他们可以判断他们是否在其生产中漂流并将其与设备的性能相关联。

那可能要持续20年的关节置换呢?

你一直在知道它在植入物业中回忆起来的新闻中。一个很好的例子可能是臀部植入物。突然间，臀部植入物材料没有粘合骨骼，它变得松动，这不是件好事。很多时候，这与部分的基本表面粗糙度有关，并且可以在表面纹理上再次进行规格。它通常是一个非常简单的测量。给我一个好的部分，给我一个糟糕的部分。只需要两个。如果他们真的，真的很好，真的，真的很糟糕，我只需要两个。然后你对那些进行测量。这通常很明显，一个人不是正确的质地。 Again, they might have met a spec but the spec was just improperly developed and then you start to get into lawsuits.

FDA是否参与了这些医疗设备问题？

是的，使用医疗器械，案例总是如此。大量材料是不同器件欧洲杯足球竞彩中使用的聚合物材料，体内很多塑料。公司将通过开发过程，并将确定该材料的测量协议，并在获得其设备批准时与FDA发布。然后他们有办法回去说，“好的。这是表面粗糙度，这是它为此特定设备测量的方式。”他们必须这样做，他们会证明，然后随着时间的推移，他们监控它以确保他们达到他们的规格。

回到汽车上。从摩擦学的角度来看，汽车行业的未来是什么?

所有这些运输工具的结果，都归结于材料科学，而这正是布鲁克所适合的，理解并帮助优化材料科学。欧洲杯线上买球这个行业的发展方向和周期的原因当然与经济有关。不是每个人每年都买一辆新车，就像我说的，我们试图让汽车永久化。随着我们越来越倾向于安全驾驶，我认为这可能是关键问题，我们将进入一个全新的电动和智能汽车的世界。我开始看到曾经是材料科学家的人们，他们仍然是材料科学家，但他们的名片上写着“材料科学电气化”。欧洲杯线上买球它们涉及到电气化材料。欧洲杯足球竞彩这可能是任何东西，从电池到发动机，再到任何东西，因为很明显我们正在向电动汽车发展。有一天，就像机械表被取代一样，我们也会拥有电动汽车，这很有道理。当电动汽车的基本问题得到解决，基本上是续航里程，电池储存等等，世界上就有了电动汽车。

我不知道你是否看过这些数据，但如果你看一辆机械车，每个人都疯狂地想在4秒内达到60英里每小时。一辆特斯拉在2。5秒内就能完成。这是直接驾驶汽车的一部分。你把加速度减了一半使动力系统完全不同。我们没有比这更好的了。毫无疑问，我们将走向电子化。随着电气化，将会有很多材料上的挑战。我们看到电池储存问题在那里有很大的应用。另一件发生在汽车行业的大事，我对电气化很感兴趣，那就是物联网的概念。有了人工智能，我们的汽车变得越来越智能，这个想法非常令人兴奋。 This means the autonomous vehicle everyone is talking about is very close. Driving a car is going to become very safe. That's very exciting to me.

我们的汽车已经可以在路上互相对话以避免事故，节省大量的资金和生命，这是一个非常令人兴奋的发展。想象有一天，我们的车里没有太多机械师。我的意思是，如果我们想想今天的汽车有多疯狂，它经过了如此高度的设计，这是惊人的。你从这个简单的内燃机开始，它有一个活塞和一个环，这个东西上下滑动，它连接到连杆，连杆连接到推杆所有这些小的机械装置都在运转，看起来一团糟。为了优化它花了150年，其中的机械工程和材料科学是惊人的。欧洲杯线上买球现在我们有电子设备来控制这些机械设备，进入变速器，然后忘记它。当然，另一种选择是你用一些电动马达替换它，直接在轮子上驱动，没有变速器和更少的运动部件。我们正走向电动汽车。我认为这是毫无疑问的，我只是不知道什么时候，从经济上来说，这将需要一段时间，但我们将实现电气化，这将再次推动材料研究和测试。欧洲杯足球竞彩我们发现制造汽车的大部分材料都是电子产品。欧洲杯足球竞彩 When you think about all the electronics and how many processors are in a car, how many sensors are in a car, it all comes back to Silicon Valley technology.

了解唐实验室的仪器

关于Donald K. Cohen Ph.D

科恩博士在亚利桑那大学的密歇根大学 - 迪尔伯恩大学的物理学和研究生学位的本科学位。欧洲杯线上买球在他的职业生涯早期，科恩博士在光盘驱动器开发上使用IBM。他后来加入了Wyko Corporation，担任产品曼结，终于副总裁，开发了3D表面纹理计量仪表。1994年，科恩博士建立了密歇根Metrology，LLC，帮助工程师和科学家解决与“泄漏，吱吱声，摩擦，磨损，外观，粘附和其他问题”相关的问题，使用3D表面微扫描测量和分析。