第五章 高分子材料表面摩擦磨损

关于穿什么样的泳衣游得更快，人们已探索了 许多年。泳者在水中遇到的阻力，与水的密度 、泳者的正面面积、摩擦系数及泳者速度的平 方成正比，因此减少正面面积和摩擦系数是设 计低阻力泳衣的关键。


鲨鱼皮泳衣是人们根据其外形特征起的绰号， 其实它有着更加响亮的名字：快皮，它的核心 技术在于模仿鲨鱼的皮肤。 生物学家发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可 以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流 更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。快皮的超 伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面制成 的。实验表明，快皮的纤维可以减少3%水的阻 力，这在1%秒就能决定胜负的游泳比赛中有着 非凡意义。

1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合 概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人 提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年， 英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩 擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。

1．凹凸啮合说：是从15世纪至18世纪，科学家们提出 的一种关于摩擦本质的理论，啮合说认为摩擦是由于互 相接触的物体表面粗糙不平产生的。两个物体接触挤压 时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果一个物体 沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相碰撞，产生断 裂、摩损，就形成了对运动的阻碍。 2．粘附说：这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本 质的理论。认为两个表面抛得很光的金属，摩擦会增大 ，可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将 增大来解释。



摩擦副(friction pair)：接触表面作相对运动 的两个物体组成的系统。 摩擦面：和另外的表面处于运动状态接触或受 到冲击或气穴作用的物体。每个摩擦组元可含 一个或多个摩擦面。 阿蒙顿定律： 1）摩擦力与法向力成正比；2）摩擦力与两物 体接触面积的大小无关。


摩擦有利也有害。
随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入 微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领 域。

摩擦（Friction）的定义 相对运动（或有相对运动趋势）的物体，在接 触表面上的阻碍相对运动的现象。
当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有 相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有 阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力 。
显微镜下的鲨鱼皮肤
鲨鱼皮泳衣的结构，V字型可以 减少游泳时水流带来的阻力。


人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史 前人类的钻木取火。 对摩擦的科学研究始于十五世纪的达芬奇： 1508年，达· 芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519 ）使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量 了水平和斜面上物体间的摩擦力，他得出了等重物体之 间的摩擦力与接触面积无关的重要结论，并首先引入了 摩擦系数的概念。 该系数定义为摩擦力和垂直载荷的比值，即μ=F/P 。他的结论是：“每一个摩擦物体所具有的摩擦阻力等 于自身重量的四分之一。”当时他使用的材料大多为硬 木或铁与硬木的组合，他的结论对于这些材料来说还是 比较符合实际的。
特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高 真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润 滑剂稀释和防漏密封等。


此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚 皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑 机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜 的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等 。 地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆 发和地震，以及山、海断层形成等。
摩擦学研究的对象很广泛：
在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮 传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；
零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮 机转轮等； 机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加 工和超精加工等；
弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动 力渗漏等；
在多数情况下是不利的。如机器运转时的摩擦 ，造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短，并 降低了机械效率。因此常用各种方法减少摩擦 ，如在机器中加润滑油等。 但摩擦又是不可缺少的，如人的行走，汽车的 行驶都必须依靠地面与脚和车轮的摩擦。在泥 泞的道路上，因摩擦太小走路就很困难，且易 滑倒，汽车的车轮也会出现空转，即车轮转动 而车厢并不前进。所以，在某些情况下又必须 设法增大摩擦，如在太滑的路上撒上一些炉灰 或沙土，车轮上加挂防滑链等。

（材料的三大失效：腐蚀、疲劳和磨损）
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑， 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。

摩擦
是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；
磨损
润滑
是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；
是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。
关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。
第六章 聚合物表面摩擦磨损

本章主要介绍:
聚合物表面摩擦性能 聚合物表面磨损性能

概念:
黏着摩擦和变形摩擦 磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和氧化磨损
聚合物的摩擦理论

摩擦是一种在生活和工作中常见的自然现象。 世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦 。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大 量节省能源。 摩擦学（tribology)是研究相对运动接触表面 的科学和技术，包括摩擦(friction )、磨损 (wear)和润滑（lubrication）三个分支。
Байду номын сангаас

近代摩擦粘附论认为：两个互相接触的表面，无论做得 多么光滑，在原子尺度还是粗糙的，有许多微小的凸起 ；两表面接触时微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的 部分接触面间有10-8m或更大的间隙。接触的微凸起的 顶部承受了接触面上的法向压力。如果这个压力很小， 微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过 某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的 弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，互相接触的 两个物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的 范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合 。这时要使两个彼比接触的表面发生相对滑动，必须对 其中的一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子） 间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩 擦。