摩擦与润滑 — 见证古老文明奇迹的诞生
01 19世纪末期,一支英国考古队在埃及德尔贝尔萨(Deir el-Bersha)地区的发现了一座没有受到炸药破坏过的古埃及省长的陵墓 ——这就是著名的Djehutihotep陵墓。但最让这座陵墓被大众所关注,因为科学家们在这里发现了关于古埃及金字塔如何建造之谜的关键线索。在墓室中发现的一幅浮雕壁画中描绘了公元前1880年古埃及人搬运巨大石像的场景。 172名壮劳力用撬杠、滑板和绳子运送着一尊巨型雕像。在他们的前方站着一位做“特殊工作”的男子,正在往滑橇前方灌注某种液体。关于这种“液体”到底是什么,目前没有获得统一的说法,比较多的说法是“水”。有文献说古埃及人是在放置巨像的“雪橇”和下面的“木材”之间加入水来做润滑剂,摩擦系数可减低为0.23。 还有研究认为:古埃及人使用的是橄榄油、蓖麻油、桐油、菜籽油等植物油。 从壁画上我们能看出早在4000年前,古人们就开始运用“润滑”的概念和原理——通过“润滑”来减少“摩擦”。这给科学家们研究金字塔的建筑带来了关键性的思路。
润滑的“功”与“过” — 动植物油脂的广泛应用
02 人们往往是从自然界中认识和获取到新的知识和材料,“润滑剂”也不例外。 据记载,我们智慧的祖先就利用动物脂肪同石灰混合的润滑脂涂在车轴上,车轮可以旋转得更加自如,且不容易发热、烧焦,减少了磨损。 动物脂肪在润滑剂的历史长河中扮演了举足轻重的角色,因为它们简单易得,而且具有粘附性好的优点。动植物油脂很可能就是人类最早开始专门配置的润滑剂。 从16世纪到19世纪,欧洲、赤道、太平洋和北极地区,经历了疯狂的“捕鲸”风潮,除了食用、照明、化妆品原料等用途,鲸鱼油也成为了一种重要的工业润滑油,鲸鱼油中含有一种液体蜡,是产生耐高温、高压的润滑油不可缺少的添加剂,但这也是人类历史上对海洋生态平衡造成的一次极大规模的影响。 19世纪末,随着石油工业的兴起,部分取代了鲸鱼油在工业上的润滑油和照明剂的作用,捕鲸产业也随之衰落。
一个新里程 — 矿物油取代动物油 03 说到石油工业,中国是世界上较早发现、利用和开采石油的国家之一。石油在我国古代被称作“石漆”、“石脂”、“孟火油”等,西晋张华的《博物志》中也有记载:在距今1600多年前的东汉末年或西晋初年,甘肃酒泉一带就发现了石油,并能够开采加以利用,作为润滑的材料。北魏晚期郦道元撰写的地理名著《水经注》、唐代笔记小说集《酉阳杂俎》等古籍中都有“膏车”、“膏物”用来润滑车轴、水碓的轴等的记载。 可以看到,虽然很早以前人们就已经懂得使用脂膏进行润滑,在公元450~1450年的中世纪,润滑剂的使用也开始有了缓慢发展,但直到公元1750~1850年的第一次工业革命之前,润滑剂的作用还主要是与日常生活直接相关,且仅限于降低摩擦和磨损。 1859年8月27日,Edwin L. Drake在美国宾夕法尼亚州的Titusville钻出了第一口油井,位于地下69.5英尺,美国乃至世界都把这个时间看作世界石油工业的开端。
工业机械的血液 — 从生活实践到科学理论 04 随后几年,伴随着第二次工业革命的到来,制造业、交通运输、发电、通讯等行业迅速崛起,对于能源产生了巨大需求,油井如雨后春笋般涌现,各行各业都开始使用石油基润滑油。与此同时,科学研究者也开始通过科学实验,系统科学地研究润滑与摩擦理论。 1883年,英国人Beauchamp Tower使用特制的试验台架模拟了货车轮轴滑动轴承的润滑状态,发现摩擦系数与负载和轴承速度有很大关系,并且发现当让油涌到轴承盖上,可在轴承内部形成一层油膜层,能够承载很大的负荷,首次发现了流体动力润滑理论基础。 1886年,英国力学家、物理学家、工程师Osborne Reynolds提出了润滑理论的微分方程,成功揭示了流体膜产生动压的机理,为现代流体润滑理论奠定了基础。 1905年,Arnold Sommerfeld进一步发展了Tower和Reynolds的理论,正式形成了流体动力润滑理论。
不断创新开拓 —从矿物油到合成油到特种润滑剂 05 人类在各个领域都在不断追求更好的东西,润滑剂领域也不例外。石油工业发展还没满20年,人类便开始寻找更好的油品,合成油的探索之路由此开始。 传统的矿物油脂,润滑能力终究是有限的。在条件苛刻和具有特殊要求的摩擦应用场景中,逐渐发展出其它润滑手段,如采用合成润滑材料、层状固体润滑剂(如石墨、二硫化钼)、其它无机固体润滑剂(如一氧化铅、氟化钙)、塑料(如尼龙、碳氟化合物——聚四氟乙烯)、酚醛层压材料以及在硬的金属底层上覆盖一层软金属(如金、银、铅或其合金)等。 从1877年开始,法国、美国、德国的科学家们率先进行合成油的研究。1923年,德国人Frans Fischer和Hans Tropsch发明了天然气制油技术,把甲烷转化为高品质合成油,称为费托合成。费托合成为高品质合成油实现了商业化的可能。在此后的30、40年代,包括两次世界大战期间,各类合成油开始涌现。
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