摩擦学材料研究方法高分子材料摩擦学 第2章 表面和接触
高分子材料与材料摩擦学的研究
高分子材料与材料摩擦学的研究摩擦是一种常见的物理现象，它发生在两个物体表面接触时，由于相对运动而产生的阻力。
在工程应用中，摩擦现象的控制和减少是至关重要的，特别是在高分子材料与材料摩擦学的研究中。
本文将探讨高分子材料与材料摩擦学的研究成果和应用前景。
高分子材料是一类由重复单元组成的大分子化合物，具有独特的物理和化学性质。
它们广泛应用于各种领域，如塑料、橡胶、纤维等。
在实际应用中，高分子材料摩擦产生的摩擦力和磨损率是需要考虑的关键因素。
因此，研究高分子材料的摩擦学特性对于合理设计和改进材料性能具有重要意义。
在高分子材料与材料摩擦学的研究中，研究者主要关注以下几个方面：首先是摩擦与磨损机制的研究。
高分子材料的摩擦与磨损机制与传统材料有所不同。
高分子材料由于其特殊的结构和性质，在摩擦过程中会发生切削、磨粒磨损、热磨损等现象。
研究这些机制有助于深入理解高分子材料摩擦学的本质，并为减少摩擦和磨损提供依据。
其次是改善高分子材料的摩擦性能。
通过添加润滑剂、强化材料表面以及优化制造工艺等方法，可以改善高分子材料的摩擦性能。
例如，在塑料制品中添加润滑剂可以降低摩擦系数，减少磨损率。
此外，采用聚合技术和复合技术等新方法，可以增强高分子材料的摩擦特性，提高其使用寿命。
第三是利用高分子材料的摩擦性能开发新的应用。
高分子材料的摩擦学特性广泛存在于工程应用中。
例如，在汽车制造领域，高分子材料被广泛应用于制动系统的制动片、轮胎的胎面、传动系统的密封件等部件中，其良好的摩擦性能可以提高系统的可靠性和效率。
类似地，高分子材料的摩擦学特性也在润滑油、塑料制品、医疗器械等领域发挥着重要作用。
总体而言，高分子材料与材料摩擦学的研究具有重要的理论和实际意义。
在未来，随着高分子材料的不断发展和应用领域的扩大，对其摩擦学特性的研究将变得越来越重要。
通过深入研究高分子材料的摩擦学特性，可以为现代科技和工业的进步提供新的方向和方法。
然而，高分子材料与材料摩擦学的研究仍存在一些挑战和难题。
摩擦学知识点总结
摩擦学知识点总结摩擦是指两个表面之间的相对运动受到的阻力。
摩擦学是研究摩擦现象的科学，涉及到力学、材料学、表面科学、润滑学等多个学科的知识。
摩擦学的研究对于工程和日常生活都有着重要的意义。
本文将就摩擦学的一些重要知识点进行总结，包括摩擦力的产生机制、摩擦系数、摩擦的影响因素、摩擦的应用以及摩擦的减小等内容。
一、摩擦力的产生机制摩擦力的产生是由于两个表面之间的微观不平整的凸起和凹陷之间发生了相互作用。
当两个表面接触时，由于其不光滑的表面，导致表面之间存在着局部的微小接触点。
在这些接触点处，由于原子和分子之间的相互吸引力和斥力，产生了摩擦力。
这种微观不平整的表面结构导致了摩擦力的产生，这也是为什么光滑的表面摩擦力更小的原因。
二、摩擦系数摩擦系数是用来描述两个表面之间摩擦性质的参数。
通常用符号μ来表示。
摩擦系数的大小取决于两个表面之间的物理性质以及表面之间的状态。
通常来说，摩擦系数分为静摩擦系数和动摩擦系数。
静摩擦系数是指在两个表面相对静止的情况下，需要克服的摩擦力与正压力之比。
而动摩擦系数是指在两个表面相对运动的情况下，需要克服的摩擦力与正压力之比。
摩擦力与正压力之比就是静摩擦系数或者动摩擦系数。
摩擦系数是一个重要的物理量，不同材料之间的摩擦系数差异很大，所以在工程设计和实际应用中需要根据具体情况来选择合适的摩擦系数。
三、摩擦的影响因素影响摩擦的因素有很多，主要包括：1. 表面形状和粗糙度：表面的形状和粗糙度对摩擦力的大小影响很大。
通常来说，表面越光滑，摩擦力就越小。
2. 正压力大小：正压力越大，摩擦力也就越大。
正压力是指两个表面之间的垂直于接触面的力。
3. 材料的性质：不同材料之间的摩擦系数是不同的，材料的硬度、弹性模量、表面粗糙度都会影响摩擦力的大小。
4. 温度：温度的变化也会对摩擦力产生影响。
一般来说，温度升高会使摩擦力减小。
5. 润滑情况：润滑剂的使用会减小摩擦力，从而减小磨损和能量损失。
四、摩擦的应用摩擦力是一种普遍存在的力，它在我们的日常生活和工程实践中都有着广泛的应用。
第二章--高分子材料的表界面
在晶体熔化过程中，表面张力要发生突变。
玻璃化转变：二级相变
在玻璃化转变中，表面张力不发生突变。
12
σ与T关系外推法缺点
没有考虑聚合物相变的影响。随着温度的升高，非晶态的聚合物可以 从玻璃态转变为高弹态，晶态高聚物可从结晶态转变为熔融态。在相 变的过程必然会影响到表面张力的变化。
13
●麦克劳德（ Macleod ）方程：
0n
ρ为密度，n为常数
lognlog A
14
0n
微分
dn0n1d
dT dT
n0d nd T
1 V
V1(V/T)p
dn
(6-6)
T
α为等压热膨胀系数
15
3.1.2 表面张力与分子量的关系
●高聚物的性能与分子量的关系 性能：如玻璃化转变温度、热容、比热、热膨胀系数、折射 率、拉伸强度等。
6
● Ramsay和Shields的修正： 以（ TC -6 ）来代替TC ，即：
V 2 /3 K (T C T 6 ) (6 -2 )
对于许多液体来说，常数K基本上不变，其值约为 2.1×10-7J/℃
对于液态聚合物，σ与T的关系？
7
液态高聚物的表面张力随温度的变化也呈线性关系
8
● Guggenheim曾提出表面张力与温度的关系的经验式：
●接枝共聚物情况与嵌段共聚物相似，但表面张力减少的程度则轻一 些
35
36
3.1.6.3 共 混
在均聚物共混中，低表面能的组分在表面上被优先吸附， 使体系表面张力下降。氧化乙烯和氧化丙烯均聚物的 共混结果如图6所示，
随低表面能氧化丙烯 均聚物的增加，共混 体系的表面能明显下 降，而且这种行为随 分子量的增加而加剧。
摩擦磨损原理 2 固体表面接触
固体表面的接触力学
根据固体表面的接触特点，通常可将固体 表面的接触问题分为点接触和线接触两种情况 加以讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否 可逆，固体表面的接触又有弹性接触和塑性接 触之分。此外，还可根据外加载荷的方向，将 固体表面的接触问题分为单一法向载荷、单一 切向载荷和法向 -切向载荷联合作用等情况加以 讨论。
2 2
2R2 0.407 ln a
小结
1、定义了表面粗糙度的指标Ra、Rq、 Rz、Ry；
2、轮廓高度分布的概率密度函数和轮 廓的支承面积曲线；
3、固体表面接触——Hertz公式 4、分析了实际粗糙表面的接触。
2 固体表面接触
摩擦、磨损及润滑是在金属的表面进行的，
因此了解和研究固体表面的接触及其基本原理
是解决摩擦学各种问题的基础。例如，在计算
摩擦力时要知道实际接触面积的大小，在进行 摩擦和磨损机理的探讨时要考虑到接触的性质。 如果不了解两个固体表面接触时的情况，就无 法搞清摩擦和磨损的实质。
固体表面的接触过程
接触区为圆形，其半径为 ：
3WR a 4E
2
1 3
W
3WR Ae a 4E
2 3
Ae kW
2 3
W
其中：
R----当量曲率半径；
E----复合弹性模量。
1 1 1 R R1 R2
1 1 1 E E1 E2
P( z d ) f ( z )dz
d
设表面单位名义面积上具有η个微凸体，则接触点数量 n 可表示为：
n f ( z )dz
d
由于任何微凸体的法向接近量为(z-d) ，总的实际接触 面积 ：
摩擦学与表面技术研究
摩擦学与表面技术研究第一章概论摩擦学与表面技术是机械设计与制造中非常重要的一个领域。
摩擦学研究了物体间的摩擦、磨损及润滑等现象，而表面技术则探讨了如何通过表面工艺的改变来提高材料的性能。
在机械制造中，这两个方面的研究对于提高机件效率、延长机器寿命、节约能源等方面有着至关重要的作用。
在本文中，我们将分别介绍摩擦学和表面技术的相关知识。
第二章摩擦学摩擦学是研究两个物体接触后互相阻碍相对运动，并伴随着能量的损失的现象及其机制。
摩擦学主要包括三个方面：实验摩擦学、理论摩擦学和应用摩擦学。
实验摩擦学是通过实验手段来研究摩擦学现象的一门学科。
实验摩擦学经常需要进行的试验包括摩擦系数测定、磨损实验、润滑实验等。
在试验摩擦学中，科学家们研究了很多现象，如摩擦系数的变化规律、表面形貌的影响、润滑膜的形成及断裂等。
这些实验研究为发展理论摩擦学打下了坚实的基础。
理论摩擦学是指通过数学和物理方法来研究摩擦学现象的一门学科。
理论摩擦学可以分为微观和宏观两个方面。
微观理论摩擦学主要研究物体表面的原子层级接触和摩擦机理，包括材料的力学性质、表面电荷的分布、几何形态等。
而宏观理论摩擦学则侧重于宏观力学现象的研究，如不同材料之间的摩擦现象、低温下的摩擦等。
应用摩擦学是通过理论和实验研究来解决实际工程问题的应用研究。
应用摩擦学涉及的范围很广，如机械制造、摩擦密封、磨料磨损、润滑和摩擦材料等。
应用摩擦学在实际中有着广泛的应用，提高了机械制造的效率和质量。
第三章表面技术表面技术是指通过表面工艺对材料表面进行改进的一门学科。
表面技术的目的是改善材料表面功能，提高其机械性能和化学性能，从而满足不同的工程需求。
表面技术包括表面涂层、表面改性和表面管理。
表面涂层是指在材料表面形成一层功能涂层，以提高材料的性能。
表面涂层可以是金属涂层、陶瓷涂层或者有机涂层等。
例如，通过表面涂层可以增加零件的抗磨损性、耐腐蚀性和防护性等。
表面改性是指通过物理或化学方法改变材料表面的物理结构和化学成分，以提高材料的性能。
第二章_高分子材料自润滑减摩机理和耐磨机理-2
第二章_高分子材料自润滑减摩机理和耐磨机理-2第二章高分子材料的磨损与耐磨机理一、高分子材料的磨损形式高分子材料的磨损十分复杂，关于磨损的分类并不统一，我们主要可以概括为以下几种磨损形式：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和塑性变形磨损。
常常一种磨损发生后诱发其它形式的磨损，在实际磨损中通常是几种类型的磨损同时存在。
1．粘着磨损（Adhesive Wear）（1）粘着磨损理论上世纪八十年代，一系列关于高分子断裂及粘着的综述相继出版，这些研究成果使我们能够提出高分子脱离过程中的银纹（微裂纹）理论，从而使预测、关联相关试验结果成为可能，如在什么条件下高分子能够与一个坚硬的固体发生或强或弱的粘着。
这一理论可以用于高分子的磨损。
实际上，它可以同时用于解释磨损中的粘着及粘着中的磨损。
当紧密接触表面发生相对滑动时，在粘着表面产生许多银纹，银纹的空洞由原纤连接，其发展到一定程度会转换为裂纹。
通常认为裂纹扩散所需的能量由原纤的拉伸所消耗。
当原纤被拉断并回缩，会释放出弹性能，形成真正的裂纹。
银纹的增厚过程有两种机理。
一种认为是一定质量的原纤被拉伸引起（C Kramer认为这是一个蠕变机理）。
另一种是表面拉伸机理，认为高分子由高分子体中拉伸出来，构成原纤，使原纤的质量不断增加。
当银纹达到一定厚度时，增厚机理会由表面拉伸转化为一定质量下原纤的蠕变。
银纹的增厚机理由环境和高分子的组成及特性如分子量、分子链的缠结程度而改变。
（2）粘着磨损的基本特征及其影响因素作用在固体接触表面间的粘着是摩擦学领域中的一项重要内容。
具体来说，它对滑动摩擦、磨损以及润滑等起着很重要的作用。
粘着磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面其材料分子或原子间形成显微熔接和分离过程。
宏观光滑的表面，从微观尺寸看总是粗糙不平的。
当两个表面接触时，接触的将只是表面上的一些较高微突点。
它们承受着整个载荷，以致使许多微突点发生塑性变形，并更紧密地接触。
在这种条件下，这些紧密接触的微突点表面原子间将发生相互作用，使两个表面微突点粘着、焊合。
第二章 表面性质与表面接触
2.2 表面吸附与表面氧化 Surface Adsorption and Surface Oxidation
2.2.1 金属表面性质 The Metal’s property 金属及其合金都是由原子或分子组成的，金属的性能不但取决于其组成的原子的本性 和原子结合键的类型，而且还取决于原子的排列方式。 固态金属的规则排列的原子称为晶体结构，其基本排列形式有体心立方晶格、面心立 方晶格和密排六方晶格等三种，如表 2-4 所示。体心立方晶格的金属有铁（α-Fe） 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钨(W)、钒(V) 等。面心立方晶格的金属有铁（γ-Fe） 、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铅 (Pb) 等。密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、铍(Be) 等。 表 2-4 金属晶体结构与滑移系
2
校公共选修课《摩擦学》讲稿， 材料学院孙建林 Sun-jl@
波纹偏差又称波纹度， 是被加工金属表面周期性出现的几何形状误差， 通常用波距与波 高表示。 （3） 表面粗糙度 表面粗糙度又称微观表面粗糙度， 是指表面微观几何形状误差。 国家标准 GB/t131-1993 规定了表面粗糙度的代号、符号及其标注方法。 形状偏差 + 波度偏差 + 表面粗糙度 ‖ 实际表面形貌
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测量仪器
校公共选修课《摩擦学》讲稿， 材料学院孙建林 Sun-jl@
光学显微镜 干涉显微镜 反射电子显微镜 表面轮廓仪
0.25~0.25 0.25 0.005 1.35~1.5
0.18~0.35 0.025 0.005 0.005~0.25
图 2-4 为使用表面轮廓仪测量的不锈钢板表面轮廓图形，表 2-3 为该表面粗糙度各参数 测量结果。
图 2-1 金属表面显微形貌
摩擦学的研究与应用
摩擦学的研究与应用第一章摩擦学的基础概念摩擦学是机械工程的一个分支学科，研究物体之间相互作用力的特性和规律。
在现代工业生产和日常生活中，摩擦是不可避免的。
因此，理解和控制摩擦成为降低能量损失、提高机械效率和稳定性的关键。
摩擦可分为干摩擦、润滑摩擦和粘着摩擦三种。
干摩擦是指在无润滑条件下的摩擦，物体表面间直接相互接触而产生的摩擦力。
润滑摩擦则是在物体表面间插入合适的润滑剂，以使物体表面间接触，减小摩擦力的一种摩擦。
粘着摩擦则是指物体表面间出现的一种间接摩擦，例如吸附、化学反应过程等。
第二章摩擦学的研究方法摩擦学的研究方法主要有试验研究和理论研究两种。
试验研究是对不同材质、不同接触条件下作用力、摩擦力、表面变形、表面磨损等进行实验测量，从而研究摩擦学规律。
而理论研究则是采用数学模型，通过对摩擦力、表面变形、表面磨损等进行分析、推导，从而探究摩擦过程的本质规律。
常用的摩擦试验仪器有摩擦副试验机、转动摩擦试验机等。
然而，由于摩擦过程十分复杂，无法通过单一的试验方法完全揭示其规律。
因此，研究摩擦学必须综合应用多种试验方法，如红外光谱、电子显微镜、原子力显微镜等。
第三章摩擦学的应用摩擦学在生产和日常生活中有广泛的应用。
在工业生产中，研究摩擦学规律是提高机械制造工艺和产品质量的重要手段。
例如，在汽车工业中，人们通过涂覆表面润滑剂或使用液压升降器、减震器等装置，有效地降低了摩擦力、延长了试验机器的寿命。
在机械加工过程中，更是广泛应用于干式切削、高速切削、摩托车启动器、机械密封等领域。
此外，摩擦学还被应用于运动学领域。
在竞技运动中，摩擦与运动员体能、运动装备的接触有着密切的关系。
例如，针对冰上运动的摩擦力学研究，在保持足够附着力的同时减小空气阻力，从而提高滑行轨迹和速度。
总之，摩擦学作为一门交叉性强的学科，对于提高生产效率、保障生活安全、提升机械性能等领域都有着重要的意义。
高分子材料分析与检测技术：摩擦及磨耗性能
高分子材料在摩擦条件下使用
• 橡胶件——举例
1、轮胎
2、传动带
4 胶 鞋 底
3、传送带
• 塑料件
齿轮 轴 承
减摩耐磨性良好的塑料件 ？
优异的摩擦磨耗性能高分子材料
聚四氟乙烯 聚 乙 烯
尼龙 聚 甲 醛
• 摩擦性能
• 指材料的摩擦系数
• 磨耗性能
• 指在摩擦过程中，材 料的表面不断损失的 性能
摩擦系数计算
F1 Rp1 p2
F2
rF2
F1为作用于两试样的摩擦力 F2为向两试样施加的法向力
橡胶摩擦磨耗的影响因素
• 实际接触面积的影响
• 粘附阻力的大小与两表面的微观接触面积的总和成比例 • 在一定速度下，随着负荷的增加而产生的橡胶变形使橡
（2）拉伸式恒牵引力式摩擦仪 同塑料的摩擦系数的测定
Fmax s N FD D N
力学分析
（3）摆式摩擦仪 带橡胶试样的摆锤提升到一定高度后向下摆动，由于试样 和摩擦面产生摩擦阻力，而使摆锤的高度减小，测定摆锤 头部的起始高度和终止高度，计算出平均摩擦力
（二）橡胶的磨耗
• 橡胶的磨耗比金属的磨损要复杂的多
负荷的影响 速度的影响 配对材料
随负荷的增大而缓慢下降
中\低速,摩擦系数随速度的增加而增大 高速下，滑动摩擦系数随速度的增加而降低
与不同材料配对时，其摩擦系数有很 大差别
三、橡胶的摩擦及磨耗性能
橡胶和固体之间的摩擦
F= Fa+ Fn
粘附力 滞后阻力
高聚物受力产生的变形是通过调整内部分子构象实现的。由 于分子链构象的改变需要时间，因而受力后除普弹性变形外， 高聚物的变形强烈地与时间相关，表现为应变落后于应力
材料摩擦学的研究与应用
材料摩擦学的研究与应用随着人们对材料科学的深入研究，材料摩擦学越来越受到人们的关注。
材料摩擦学是研究固体在相互接触时的摩擦和磨损现象的一门学科，它是机械、电子、汽车、航空、能源等多个领域的基础性科学。
本文将介绍材料摩擦学的研究和应用。
一、材料摩擦学的基础理论材料摩擦学的基础理论主要包括两方面，即固体摩擦学和润滑学。
固体摩擦学是研究干摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦等现象的基础科学；而润滑学则是研究在接触面上加入润滑剂后所形成的润滑膜，以及液体摩擦学和气体摩擦学等问题的科学。
材料摩擦学的理论研究主要涉及两个方面，即材料的性质和表面几何形状，它们在相互接触时会产生接触形变和化学作用，从而影响摩擦性能。
例如，材料的硬度、抗磨损性和表面的粗糙程度都会影响摩擦学性能，而材料表面的温度、湿度、氧气含量和化学反应等因素也会影响摩擦学性能。
二、材料摩擦学的应用1. 机械领域在机械制造中，摩擦是一项非常重要的考虑因素。
因此固体摩擦学和润滑学的理论研究在这个领域是必不可少的。
例如在轴承、齿轮、链条等机械装置中，摩擦学的理论研究可用于预测耗能损失、角接触和平面接触等问题，从而优化机械结构设计和减少机械损失。
此外，在摩擦材料的选择方面，材料的摩擦系数、强度、耐磨性、温度和密度等因素是非常重要的。
例如在飞机零件制造中，有些部件需要选择摩擦系数较低的材料，以便减少磨损和能量损失，同时，材料强度和耐磨性也需满足要求。
2. 电子领域在电子材料制造方面，摩擦学的理论研究是十分关键的。
例如，半导体芯片生产过程中，需要进行大量摩擦接触以将薄膜固定在晶片表面，同时，晶片和薄膜的摩擦性能也会直接影响芯片的电气性能。
此外，在磁盘驱动器的制造中，摩擦学的理论研究也很重要。
原因是磁盘制造过程中，需要用一种液体来润滑磁头与磁盘之间的接触。
而液体会对磁盘表面造成化学反应及纹理留下痕迹，这些因素都会影响磁头的读取性能和磁盘寿命。
3. 能源领域材料摩擦学在能源领域也有很多应用。
摩擦学材料研究方法高分子材料摩擦学 第2章 表面和接触
轮廓峰的平均曲率 为取样长度!内全部轮廓峰顶处 半径（代号"#$%） 的曲率半径平均值
11
2.1表面形貌-典型测量方法
测量方法 光学显微镜 光轮廓 斜剖面 干涉显微镜 复光束干涉 反射电子显微镜 电子显微镜 表面轮廓仪 分辨率μm 横向 0.25~0.35 0.25 0.25 0.25 5 0.03~0.04 0.005 1.3~2.5 纵向 0.18~0.35 0.25 0.025 0.025 0.005 0.002~0.008 0.0025 0.005~0.25
2
第2章 表面和接触
表面：指两相间的边界物质，其中相的定义是“具有明 确的物理边界、区别于其他物质系的均一部分”。 实际存在的固体表面并不是象镜面一样简单的平面, 它具有复杂的形状和表面性质。 2.1 表面形貌 2.2 表面结构 2.3 接触和变形
3
illustration of a regular wavy surface texture
8
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
Ra、Ry、Rq比较 Ra和Ry是加工中直接用于控制表面质量的参数，Rq在 工程中很少用，但在轮廓的理论分析中有很重要的应用价 值。上图为两种支承表面的微观形貌，这两种表面的Ra相 同，而Rq值却能把好与差的表面差异反映出来，在塑性材 料磨损，特别是磨合过程中，这种表面形貌的变化是常遇 到的。
第二章摩擦及摩擦理论.
定律三：静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘 弹性材料，尽管粘弹性材料究竟是否具有静摩擦 系数还没定论。 定律四：摩擦系数与滑动速度无关。严格的说第 四定律不适用于任何材料，虽然对于金属材料基 本符合，而对粘弹性显著的弹性材料，摩擦系数 则明显与滑动速度有关。 2. 修正摩擦定律：
对金属间的摩擦而言，主要是粘着作用,其次是
“犁沟”(变形)作用。而材料的弹性变形引起的
能量消耗很小，因而对总摩擦阻力的影响很小，
故可忽略不计，因此摩擦阻力可用下式表达：
F=F剪+F犁
F-摩擦力，F剪-摩擦力中的剪切阻力，F犁-摩擦力
中的犁沟阻力
(2)粘着理论基本要点：
摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占 名义面积很小部分，接触点处应力达到受压 屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不 再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加 的载荷。
事实上，许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可 达0.5，在真空中则更高。为此, Bowden 等人又 提出了修正粘着理论。
(3)修正粘着理论：
a.简单粘着理论中分析实际接触面积时,只考虑受压屈服 极限，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，对静摩擦 是合理的。对于滑动摩擦状态，由于存在切向力，实际接 触面积和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生的压应 力和切向力的联合作用。实际接触面积要大于只考虑法向 载荷时的接触面积。
一般来说，表面膜的剪切强度τf比金属剪切强度 τb小, 且τf=cτb, 系数c小于1。
摩擦材料表面摩擦性及其接触力分析研究
摩擦材料表面摩擦性及其接触力分析研究摩擦是各行各业中无法避免的物理现象，在机械制造，汽车工业，精密仪器等领域，摩擦力的大小和摩擦性能是重要的考虑因素。
在工作条件下，摩擦材料表面的摩擦性能是实现机器设计和运行的基本条件，它直接关系到机械的效率和寿命。
因此，摩擦材料表面摩擦性及其接触力的研究非常重要。
润滑剂对摩擦材料表面的影响润滑剂是控制摩擦的一种方法，润滑剂的作用是降低摩擦材料表面的摩擦系数。
但是，润滑剂的种类和特性对摩擦性能的影响是多样的。
在摩擦材料表面涂抹润滑剂后，摩擦材料表面摩擦系数的变化与润滑剂的物理特性有关，比如粘度、蒸发速率、表面张力、温度等，这些因素的不同组合对润滑剂性能产生不同的影响。
同时，也需要注意润滑剂的使用寿命和使用环境对摩擦性能变化的影响。
几何形状对摩擦性能的影响几何形状是影响摩擦材料表面摩擦性能的另一个关键因素。
表面几何形状会影响摩擦材料表面的接触力大小和分布，从而影响摩擦系数和摩擦力的大小。
表面几何形状的变化还会影响接触面积和表面表面之间的接触形状。
一方面，表面形状的变化会影响表面与周围环境的接触形态，对表面的润滑能力和过载能力产生影响；另一方面，表面形状也会影响表面间的摩擦性能，比如改变表面的光洁度和粗糙度，能够影响表面的油膜润滑能力和摩擦峰值力。
材料硬度对摩擦性能的影响材料的硬度也会影响其表面摩擦性能。
材料表面的硬度和材料的摩擦性能有一定的关系。
通常情况下，当材料表面的硬度增加时，摩擦系数和摩擦力会减小。
这是因为硬度的增加会使表面对硬度低的颗粒或润滑剂变得更为平滑，从而提高润滑性能和减少表面颗粒之间的摩擦力。
表面化学特性对摩擦性能的影响表面化学特性是影响材料表面摩擦性能的另一个关键因素。
不同类型的材料表面对各种性质具有不同的化学反应性。
这种化学反应性会影响表面的润滑性和摩擦峰值。
在机械制造领域，经常使用氧化、氮化、硼化等化学处理方法来改善材料表面化学特性，来达到降低摩擦并提高机械性能的目的。
高分子材料表面摩擦行为
导录高分子材料由于其柔性、轻量化、易加工和低生产成本等特点，广泛应用于国民生活各领域中。
大至航空航天材料、军事装备，小到纳米芯片和集成电路，高分子材料在其中扮演非常关键的作用。
在实际应用情况下，高分子材料不可避免的与空气、填充物等存在界面和表面的相互作用，呈现出一系列界面现象，例如摩擦、润滑、粘附、粘合、扩散和浸润等。
这些界面行为与高分子材料的应用密切相关，决定了材料的最终应用。
高分子材料表面摩擦行为（1）玻璃态高分子的界面摩擦行为由于高分子体系存在更强的相互作用以及独特的黏弹性响应，其表面摩擦相较于小分子更为复杂，且呈现出温度依赖性。
研究表明，当高分子体系处于橡胶态，表面体现出类液态性质，具有极低的临界速度(如聚丁二烯PBD等)，很难发生界面滑-移运动。
即使在超低的速度下也很难看到粘滑行为的产生。
但玻璃态高分子体系体现出类似于小分子体系的表面摩擦行为。
由于高分子体系的复杂性，玻璃态高分子的表面摩擦行为可能涉及了多个机制的共同作用。
玻璃态高分子的滑动摩擦表现出比小分子更复杂的行为，无法用单一的相变模型描述。
利用SFA系统研究了PS和聚(乙烯基苄基氯)(PVBC)在室温(远低于玻璃化转变温度)下的摩擦行为。
图1.4为两种玻璃态高分子表面摩擦力-时间曲线。
相比于小分子，高分子链间具有更强的相互作用，表面摩擦力具有更复杂的时间和速度依赖性。
当表面滑动速度较低时(图1.4a)，首先出现较大的粘着尖峰Fst，随后再发生粘-滑运动，且粘-滑运动过程中的最大静摩擦力Fs和动摩擦力Fk的差值AF，具有较强的时间依赖性，随时间延长逐渐降低。
随着滑动速度的增加(图1.4b)，粘-滑滑动的振幅(AF)变小，频率加快。
当滑动速度高于临界速度(V)时(图1.4c)，只发生平滑运动。
作者发现，玻璃态高分子表面摩擦与表面分子运动状态有关。
当速度低于V时，高分子薄膜界面随时间发生剪切变稀，表观粘度减小，表面分子运动加快，导致粘滑运动的AF随时间逐渐减小(图1.4a和b)。
摩擦学及其在材料科学中的应用研究
摩擦学及其在材料科学中的应用研究一、引言摩擦学是力学的一个重要分支，研究物体在相对运动或相对静止时，所产生的摩擦力及其机理、运动学和动力学规律、摩擦副面材料的磨损性能等问题。
摩擦学与材料科学密切相关，是材料加工和使用的重要基础知识。
本文就摩擦学的研究现状以及在材料科学中的应用研究展开介绍。
二、摩擦学的研究现状摩擦学是力学研究的一个重要分支。
它是研究物体在相对运动或相对静止时所产生的摩擦力及其机理、运动学和动力学规律、摩擦副面材料的磨损性能等问题的学科。
从分子、微观、宏观三个不同角度对摩擦学进行了研究。
1.分子层面研究随着科学技术的不断进步，分子层面研究逐渐成为摩擦学领域的研究热点。
分子层面的研究表明，物体之间的摩擦力有很大程度上是由于不同物体表面之间的吸附作用而产生的。
此外，摩擦力的大小与物体表面质量、表面形貌等因素密切相关。
在分子层面的研究中，纳米技术和表面科学等技术的发展也为探究和设计不同材料的摩擦性能提供了很好的手段。
2.微观层面研究微观层面研究通常研究单个摩擦副面材料在摩擦过程中的磨损机理。
包括磨削、疲劳裂纹、氧化等诸多机理。
其中，氧化机理是摩擦头高温区内发生的氧化反应造成的磨损现象。
针对这些研究，通常使用扫描电镜、拉曼光谱仪等技术手段进行观察和分析。
3.宏观层面研究宏观层面研究是通过对大型试验设备进行摩擦实验，对不同摩擦副面材料间的摩擦力进行测试，分析摩擦力的大小及其影响因素。
在这方面的研究中，摩擦副面材料的硬度、温度、润滑条件等是研究的重要指标。
三、摩擦学在材料科学中的应用研究由于摩擦学的研究涉及很多材料科学问题，因此，在材料科学中应用摩擦学进行研究，可以帮助人们更好地理解和掌握材料的摩擦性能。
同时也能发现材料中存在的问题，并为材料的改进提供依据。
1.材料的磨损机制研究摩擦学的研究可揭示不同材料间的磨损机制，当对不同材料间的磨损机制有较全面的认识后，可通过改变材料结构和性能，优化材料，提高材料的防磨性能。
第二章摩擦及摩擦理论
第二章摩擦及摩擦理论两个物体作相对运动时，其接触界面上存在的切向阻抗现象，称为（外）摩擦。
同一物体（如流体或变形中的固体）各部分间作相对运动时，其分子间的阻抗现象称为内摩擦。
这里只讨论外摩擦。
两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动（或具有相对运动趋势）时, 在接触面间产生切向运动阻力，这阻力叫摩擦力，这种现象称作摩擦。
如图 2.1 所示，在外力P 的作用下，物体沿接触表面滑动（或具有滑动趋势）时，存在于界面上的切向阻力F就称作摩擦力。
摩擦副因结构不同和运动方式各异，摩擦可按以下分类：①按摩擦副运动形式分类a.滑动摩擦：当接触面相对滑动（或具有相对图2.1物体摩擦时的受力情况滑动趋势）时；b.滚动摩擦：物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时。
②按摩擦副运动状态分类a.静摩擦：物体受力后对另一物体具有相对运动趋势，处于静止临界状态时;b.动摩擦：物体受力后，越过静止临界状态而沿另一物体表面发生相对运动③按表面的润滑情况分类a.干摩擦：物体的接触表面上无任何润滑剂存在时；b.边界摩擦：两物体表面被一种具有润滑性能的边界膜分开时；c.流体摩擦：两物体表面被润滑剂膜完全隔开时；（摩擦发生在界面间的润滑剂膜内，即流体的内摩擦）；d.混合摩擦（半干摩擦和半流体摩擦）：半干摩擦是指在摩擦表面上同时存在着干摩擦和边界摩擦时；半流体摩擦是指在摩擦表面上同时存在着流体摩擦和边界摩擦时。
实际工程表面在摩擦过程中，可能出现一部分被流体膜分隔开，一部分覆有边界膜甚至同时伴有材料直接接触的混合摩擦。
为了要搞清摩擦的起因及影响摩擦的因素，以达到有效地控制摩擦，通常从干摩擦着手分析。
严格地讲，干摩擦是指两个纯净表面（除了材料本身以外，表面上不存在任何润滑剂膜、吸附膜、反应膜和污染膜等）的摩擦。
但在大气环境中很难得到纯净表面，所以人们通常把“大气环境条件下的无润滑摩擦”也称为干摩擦。
对于干摩擦的研究已经有过很多理论：经典的摩擦定律一一阿芒顿库仑定律最早由达芬奇、阿芒顿、库仑等对无润滑状态下固体间相对滑动的问题作过研究，并归纳出以下三条摩擦定律：①滑动摩擦力的大小与表观接触面积无关;②滑动摩擦力的大小与滑动速度无关；③滑动摩擦力的大小与接触面之间的法向载荷成正比：令F=迥（见图2.1 ）式中：卩摩擦系数；N法向载荷（作用力P的法向分力）但实际上库仑定律只是近似地反映了摩擦现象的规律。
摩擦磨损原理 2 固体表面接触共35页
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
摩擦磨损原理 2 固体表面接触
1、纪律是管理关系的形式行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
摩擦学第2章
流体/电学 法
SEM
半定量 仪器昂贵，数据有限， 要求表面导电，扫描 面积小
5
50
否
2.2 金属的表面性质 ◆金属的晶体结构：金属一般为多晶体，金属表面原子程有规则的排列——空间点阵。
空间点阵的形式（晶格）有三种形式：体心立方（bcc）、面心立方（fcc）、密排 六方（hcp）。
注意：现在金属类型包括非晶体（金属玻璃－MG）、晶体（单晶体、多晶体）
Veeco/Sloan公司的Dektak轮廓仪原理示意图
横电流模式
横高度模式
②扫描探针测量法 （a）扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，缩写STM）测量方法：它主要是 利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳
到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体
表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着 物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，
复合晶（非晶体＋晶体（微晶、超细晶、纳米晶））
fcc
bcc
◆晶体缺陷：金属晶体缺陷会影响金属表面的物理性能、化学性能和力学性能。金属
的晶体缺陷有三种： （1）点缺陷： ①空穴：金属中空间点阵的原子在平衡位置处振动，处于能量起伏状态，总有某 些原子振动能力较大，瞬时偏离其平衡位置，在原来位置处留下空位置，称之为空 穴。 ②间隙原子：晶格点阵平衡位置上原子偏离平衡位置，跑到了点阵内的间隙位置， 晶格内就在点阵间隙内多出了一个原子，称之为间隙原子。 ③夹杂：金属在制备或加工过程中会产生一些夹杂，夹杂会造成其周围晶体发生 奇变，影响金属的结构和性能。 G
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表面：指两相间的边界物质，其中相的定义是“具有明 确的物理边界、区别于其他物质系的均一部分”。 实际存在的固体表面并不是象镜面一样简单的平面, 它具有复杂的形状和表面性质。 2.1 表面形貌 2.2 表面结构 2.3 接触和变形
3
illustration of a regular wavy surface texture
轮廓峰的平均曲率 为取样长度!内全部轮廓峰顶处 半径（代号"#$%） 的曲率半径平均值
11
2.1表面形貌-典型测量方法
测量方法 光学显微镜 光轮廓 斜剖面 干涉显微镜 复光束干涉 反射电子显微镜 电子显微镜 表面轮廓仪 分辨率μm 横向 0.25~0.35 0.25 0.25 0.25 5 0.03~0.04 0.005 1.3~2.5 纵向 0.18~0.35 0.25 0.025 0.025 0.005 0.002~0.008 0.0025 0.005~0.25
断面曲线 波动起伏线
标准长度!
平均线
粗糙度曲线
➣沿着与测定面成直角的面将表面切断，切口的轮廓被称为断面曲线。 ➣除去断面曲线中的波长较长的表面起伏，即可得到粗糙度曲线。 ➣如果去除波长较短的表面粗糙度成分，则可以得到波动起伏线，这根线 直线化后即得到平均线。
7
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
29
3.1.1摩擦基本原理-摩擦的分类
分类方法 摩擦形式 内摩擦 静摩擦 运动形式 动摩擦（滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑摩擦） 干摩擦 润滑状态 边界摩擦 润滑摩擦 摩擦材质 工况条件 特殊工况（高低温、高低压、辐射、真空、腐蚀介质、失重等）
30
摩擦的分类 外摩擦
金属-金属、金属-非金属、非金属-非金属等 常见工况（常温、常压、环境介质等）
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2.2表面结构-与摩擦的关系
实例：边界润滑-极压添加剂原理
化学反应膜 润滑油中的极压、抗磨添加剂一定条件下与金属表 面起化学反应而生成的表膜，称为化学反应膜
添加剂必须具有化学活性，金属表面也必须为可反应型。与吸附膜不同，化学反应膜 是添加剂中的硫、磷等原子渗入金属表面，在表面一定深度范围内生成的硫化物、磷 化物等金属盐膜，而不是在表面以外以吸附方式覆盖的一层表膜
摩擦学材料研究方法 高分子材料摩擦学
第2章 表面和接触
吕仁国
2011-09-30
1
摩擦学（Tribology）：是研究相对运动的作用表面
之间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理 论与应用的一门学科。
氧化膜
金属
吸附分子
载荷
滑动
金属-金属接触
金属 Model of a boundary lubrication
20
2.3表面接触-Hertz接触
Hertz接触的前提条件： ❶发生接触的表面是无表面粗糙度的两曲面； ❷与两接触物体的全表面积相比，接触面非常小； ❸接触两物体是等质等大小； ❹负荷加在接触面的垂直方向上。
Hertz接触示意图(点接触下)
根据Hertz的应力解析理论，负荷W作用下曲率半径分别为R1、R2的两球(杨式模量分 别为E1、E2，波松比分别为ν1、ν2)接触时，接触部位为圆形且压力呈对称分布。 压力分布 接触圆半径 Hertz最大接触压力
金属
固体内部的 原子和分子 处于斥力、 引力的平衡 状态
➣与内部相比，表面原子和分子的周围有一半原子和分子被去掉，因而具有更高 的能量。 ➣加工过程会导致表面层的塑性变形，使其组织微细化，产生加工变质层。加工 变质层中存在很多错位、缺陷，且加工硬化(加工软化)过程也会产生残余应力， 因而表面处于化学不稳定状态。
3.1.1摩擦基本原理-摩擦的分类
摩擦形式
外摩擦：固体表面摩擦只与 接触表面的相互作用有关， 而与固体内部状态无关。 内摩擦：液体或气体中各部 分间的相对移动而发生的摩 擦。
滑动面上发生速度突变。 与滑动速度的关系随工况条件变化。 通 过 运 动 传 递 ， 发生能量转换。 滑动速为0，仍有静摩擦力。
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2.3表面接触
固体接触
接触状态
集中接触
!"#$% 提出以点接 触、线接触为代 表的集中接触下 的应力解析理论
面接触
!"#$%接触
分散接触
实际使用的工程表面都 具有一定的表面粗糙度， 不可能产生完全的直接 接触，即面接触状态在 实际中是不存在的，它 只是集中接触的分散存 在而已
接触问题不但与摩擦和润滑问题密切相关，也是热传导、电气接点、机械加工、塑性 加工等诸多实际工作中必须解决的一个重要课题。
两相互接触物体有相对运动或相对运动趋势必然导致摩擦。
摩擦力（Friction
force）：在外力作用下接触的两物体发生滑动和滚动
运动时,接触面上发生的阻碍这种运动的有方向性的力。
摩擦系数（Friction
荷)的比值。
coefficient）：摩擦力与垂直方向的作用力(负
➤严格意义上的干摩擦(dry friction)指的是完全洁净表面间的摩擦。 ➤在“表面”部分已经提到，存在于大气中的固体表面一般均覆盖有氧化物膜、吸 附膜、污染物膜等表面膜，无外加润滑剂条件下这种表面的摩擦也被称为干摩擦或 固体摩擦。
例如，在延性金属摩擦面下一般可以观察到向摩擦方向 的塑性流动和表面层硬度升高现象；高硬度材料的摩擦 面下一般观察不到这些现象，但在反复作用的摩擦力下 表面层内会聚集大量的残留应力。
摩擦除了造成材料表面物理特性的变化外，还会导致多种表面化学特性的变化， 例如活性点、晶格缺陷的出现、各种射线的放出等。这些化学特性的变化会导致 表面发生复杂的化学反应，从而进一步影响材料的摩擦和磨损特性。
接触中心变形量
平均接触压力
R和E
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2.3表面接触-Hertz接触
接触圆周围 产生最大接 触应力
接触圆
表面的应力状态分布
Hertz断裂
摩擦力作用下的表面应力分布类似于左图，伴随着滑动过 程，摩擦力在接触边缘处产生很高的拉伸应力，增加了脆性 材料断裂的危险性。
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2.3表面接触-分散接触
名义（几何）接触面积Aa：即接触表面的表观面积（Aa＝a·b）。
实际的摩擦面一般会受到反复不断的摩擦力作用。经过一段时间的跑合后，摩擦初期发 生塑性接触的摩擦面达到稳定状态，此后微凸体间的接触进入弹性变形范围，由微凸体 的弹性来支撑负荷，因此实际的摩擦磨损观察中必须要考虑表面粗糙度的影响。
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2.3表面接触-分散接触
粗面接触的解析 ➣粗面接触的基本问题是表面微凸体的变形特性和微凸体顶点的分 布状态。 ➣如果已知表面微凸体的变形特性及其顶点分布状态，则可以用数 学方法一定程度地解析粗面接触，计算出真实接触面积和变形量。 随着计算手段的不断发展，通过测出的断面曲线利用计算机的模拟 手段有可能直接解析接触问题。但对于实际接触表面，由于影响接 触的因素众多，控制粗面接触的主要因素依然不很清楚。
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2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
仅用高度特征来描述表面 轮廓对于摩擦学应用是不 够的，必须同时给出水平 特征的描述。如图所示， 四种表面粗糙度轮廓的 Ra，σ值都相同或接近， 但形貌完全不同，其摩擦 学特性也有很大不同
轮廓曲线的水平特征
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2.1表面形貌-轮廓曲线的水平特征
参 数 定 义 数学表达
increasingly magnified view of the fine scale roughness
4
2.1 表面形貌
工程上所使用材料的表面一般都是经过机械加工而形成的，因而根据 加工方法的不同而具有不同的特点。 从宏观到微观可以从下述的四个方面来表征表面特性： 轮廓形状(shape) 表面起伏(surface waviness) 表面粗糙度(surface roughness) 晶格结构(lattice structure) 摩擦表面的微观几何形貌对其摩擦磨损特性有重要影响。很多摩擦 学机理与表面形貌有关，对表面形貌的很多统计学参数将直接进入摩擦 学计算过程中，并成为表面加工质量的重要控制参数。当表面起伏相同 时，在工程上必须考虑的表面几何学特性是表面粗糙度。
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2.1表面形貌-实例(激光显微镜）
13
2.1表面形貌-实例(AFM）
硬盘表面粗糙度：Ra=9.8Å, Rq=11.7Å （2000）
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2.1表面形貌-粗糙度与摩擦的关系
机械啮合理论：
△W!
!!
△F!
认为摩擦起源于表面粗糙度。 摩擦系数 f=tanφ
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2.1表面形貌
粗糙度 波纹度 形状误差
形貌仪测得的摩擦表面二维形貌
在摩擦学中，特别关心的是粗糙度。因为，
真实形状
通常观察研究的是微区视野，在这视野内， 粗糙度是视区尺寸的同级几何量，是表面的 自然与工艺特征，而波纹度与形状误差则是 可被忽略或理想化的宏观因素。
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2.1表面形貌-表面粗糙度
表面的一维（直 线）特性
➣一般地，减小表面粗糙度可以 降低摩擦系数。 ➣但是超精加工表面的摩擦系数 反而剧增。
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2.2表面结构
反应膜的上面不可避 免地覆盖有来自气体 和液体的吸附分子膜
加工变质层103 nm 污染物膜> 30 nm 吸附分子层0.3~3 nm 氧化膜10~20 nm
和环境气氛发生反应 而导致表面 ( 由其是金 属表面 ) 存在氧化物膜 或者其它化学反应膜
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作
• •
业
请绘出金属表面结构的示意图 请阐述AFM测量表面粗糙度的工作原理
10.21 交
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摩擦学材料研究方法 高分子材料摩擦学
第3章 摩擦的基本原理
2011-10-08
27
3.摩擦的基本原理
➠ 摩擦及其分类 ➠ 摩擦理论 ➠ 摩擦温度 ➠ 滚动摩擦