摩擦化学过程及其模型① 宋心琦

（清华大学化学系北京 100084）一从钻木取火到摩擦化学

20 世纪初，W.Ostwald 提出，机械能对化学反应的影响和其他形式的能（如电、光、热等）对化学反应的影响一样，也属于物理化学的范畴，建议称为“力化学”（Mechanochemis-try）。并定义为：“力化学是化学中的一个分支，它研究各种聚集态的物质在机械能作用下发生的化学和物理化学变化”。但由于当时的条件和认识水平所限，对这个领域的主要研究对象和力化学过程的特点未能做出明确的阐述。

如果说钻木取火和火石火绒的应用是人类应用力化学的早期实践，那么雷管等一类引爆装置是近代普遍应用的力化学装置。但是对力化学本质的认识却经历了一个漫长的过程，至今在化学领域中还是一片待开垦的处女地。

18 世纪时就已经发现，摩擦金属的表面可以加速金属的溶解。19 世纪末，Carey-Lea 发现遇热升华但不分解的氯化高汞在研磨时竟可以分解；可熔化但不分解的卤化银，用不大的切应力就可使之发生部分分解。20 世纪初，Parker 实现了在摩擦应力作用下简单盐的复分解反应。除此以外，由大地构造运动导致的长石云母化过程，也归因于力化学的作用等等。但这都只能算是事实材料的积累阶段，对所谓的力化学过程缺乏定量的、理论的研究。

20 世纪 20 年代，Tamman 研究了机械加工对固体活性的影响，发现只有 5～15％的机械能转化为热能，其余部分则转变为金属材料的势能，化学势有明显的提高。说明力化学作用和热化学作用具有不同的机制，并可以很好地解释上述金属溶解速度加快的现象。50 年代初，Fink、Bowden 特别是 Tabor 研究了在滚动摩擦及滑动摩擦下金属的氧化反应及氧化物的分解反应。发现在滚动摩擦应力作用下，铁表面在几分钟内生

① 刊于 1989 年第 4 卷第 6 期第 1 页

长出来的氧化膜，在正常情况下大约要用去 10¹⁷ 年！同时期的 Staudinger 和 Hess 开始了机械能对高聚物作用的研究，观察到活性增高和分子量下降的现象，说明机械能使碳-碳键活化以致断裂。

50 年代开始，Peters 等系统地进行了机械能影响下无机化学反应的研究，包括碳酸盐的分解与化合；氧化还原反应；微量分析中的发色反应等。他明确指出：机械能对化学过程的影响不能归结为温度的作用，而应当以热力学为基础。1965 年 Heinicke 指出：并不是所有的力化学过程都可以用可逆过程热力学来阐明的，有时要用不可逆过程热力学。同时指出，机械能对化学过程作用的动力学和热活化反应也存在一定的差别。

近年来，在解释、阐明力化学过程方面提出了许多物理模型。但由于对力化学过程的认识还很不深入，这些模型都带有明显的“借用”的痕迹，对很多现象的定量描述误差往往很大。可是另一方面，这个领域和工业生产特别是高技术有着极其密切的关系，迫切要求化学家和机械学家、物理学家、力学家密切合作，迅速开拓这个领域的工作，开发新的研究方法和技术手段，建立更好的反映过程实质的理论模型，促使材料科学、机械工程学、表面物理学与化学等更好地适应生产发展与技术进步的需要。

摩擦化学是力化学中的重要分支之一。它研究由机械能作用而引起的固体的化学和物理化学变化。摩擦化学研究的体系中至少要有一种组分呈固态，机械能的注入主要通过研磨、摩擦、润滑和磨蚀等途径，和机械运转及加工过程关系最为密切。