在航空航天、高端装备等领域，基于“粘-滑（stick-slip）”机理的步进式摩擦驱动，凭借其高精度、无背隙、高保持、耐辐照等特征，已成为复杂服役环境下实现大行程与纳米分辨率兼具的可靠作动手段。这一技术被欧空局（ESA）、美国宇航局（NASA）列为下一代航天器超稳平台的核心技术路线。为保证粘滑摩擦作动长时服役可靠性，摩擦副匹配优化设计成为关键环节，其性能直接决定了粘滑摩擦作动的输出性能与耐久性。在实际工程应用中，接触面不可避免地呈现微纳粗糙纹理，这种跨尺度界面特征深刻影响着粘滑摩擦的微观力学机理与接触界面的动态演化过程，进而对作动器件的高精度控制能力、运行稳定性以及复杂环境适应性产生决定性影响。因此，如何在粗糙接触匹配条件下实现粘滑摩擦的精准、稳定调控，不仅是长期制约相关作动领域技的关键难点，粘滑摩擦更是力学、摩擦学、材料学、地震学、放生工程等多学科关注的前沿基础研究问题。

图1 不同粗糙度匹配水平下摩擦强度的变化规律。

针对这一挑战，麻豆app 徐明龙教授团队开展了双粗糙接触界面匹配对粘滑摩擦力学特性的影响规律机理和调控机制研究。研究团队基于普遍存在的高斯型起伏和分形表面形貌特征，设计并制备了一系列具有不同粗糙度的接触面。通过旋转上表面以改变两个粗糙接触面的配准角度，从而实现摩擦副界面匹配水平的连续调节（如图1A-C）。宏观摩擦实验结果表明，当两粗糙表面达到最佳匹配时，界面静摩擦强度相较于随机粗糙-粗糙接触显著提高，最大提升近一个数量级（如图1D），值得注意的是，动态摩擦系数几乎不受匹配角度变化的影响。这一发现揭示了静摩擦强度与界面几何互锁的内在关联规律，不仅为粘滑摩擦的静动摩擦临界转变载荷与形变的调控提供了实验依据，也为相关工程应用中的界面优化设计开辟了新的思路。

为揭示粗糙接触匹配设计的微观作用机制，研究团队利用三维X射线断层扫描（3DXRCT）测量技术，实现了摩擦副接触界面粘-滑过渡过程的原位、实时观测，并成功捕捉到亚微米尺度微接触结构的准静态演化特征。研究结果表明，在不同接触界面匹配条件下，微接触面积、形状、取向及变形等多类关键力学与结构参数均遵循广义极值分布（GEV），呈现出显著地跨尺度统计普适性（如图2）。这一重要发现不仅首次从微观层面揭示了粗糙界面粘滑摩擦行为的内在统计规律，突破了传统摩擦理论对界面行为的描述局限，更为发展高精度、普适性的摩擦预测通用模型提供了坚实的理论基础和实验数据支撑。

图2 微接触力学参数的统计分布及演化规律。

为阐明宏观摩擦响应与微观力学机制之间的跨尺度关联规律，本研究创新性地引入接触织构张量（fabric tensor）来精确量化摩擦副接触匹配水平。研究发现接触织构张量的各向异性指数可作为摩擦强度，即黏滑摩擦临界转变载荷的预测指标：摩擦副的高匹配度使得接触界面表现出更强的几何互锁与能量积累，从而增强了静动摩擦临界转变载荷。研究结果进一步表明，各向异性指数能够准确捕捉剪切过程中微接触取向分布的普适性特征。如图3所示，在界面进入完全滑动状态前，尽管经历了微滑移、弹塑性变形、材料屈服以及微接触突然断裂等一系列复杂力学现象，该指数保持相对稳定。

图3 接触织构张量的可视化与接触各向异性指数的演化。

本研究创新性地构建了基于接触织构张量和微接触取向统计信息的粘滑摩擦特性预测模型，首次揭示了接触各向异性指数与静摩擦强度之间强负相关线性关系（如图4A），并通过系统的实验验证该模型的可靠性。同时，所提出的模型能够准确解析不同粗糙匹配程度摩擦副的相对摩擦速率和接触预压时长对粘滑摩擦特性的影响规律，且与经典的速率-状态摩擦（RSF）理论预测结果一致：高匹配程度摩擦副表现出更为显著的速率弱化与界面老化效应。

图4 接触各向异性与静摩擦强度关系。

该研究不仅为复杂服役环境下的高精度摩擦作动器件提供了新的思路，同时在高精度设备加工与控制、精密光学仪器设计、地震孕育与滑移过程建模、以及仿生粘附系统开发等领域提供了全新的粘滑摩擦力学框架和解决方案。相关研究成果以《Frictional strength regulated by roughness alignment》为题，于近期在《科学进展》（Science Advances）上发表，麻豆app 为第一完成单位，博士生黄少琪和副教授张舒文为论文共同第一作者，翟崇朴教授和徐明龙教授为论文通讯作者。本文得到国家自然科学基金（No. 12472186, 12202342）的资助。同时感谢复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室冯勃老师和张丰老师、麻豆app 大型仪器分析与测试中心的任子君老师在摩擦测量和CT测试中提供的支持和帮助。

论文链接：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady6779