摩擦学原理-边界和分子膜润滑
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结合键具有电子交换，此种吸附称为化学吸附。
如极性分子与金属表面形成金属皂，
CnH2n+1COOM
金属
特点： 化学吸附是不可逆的。
3. 边界润滑模型
• 自1922年Hardy提出边界润滑的概念以来边界 润滑理论已有了较大的发展；
• 先 后 出 现 了 Bowden 模 型 、 Adamson 模 型 、 Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模 型、混合模型等；
存在问题： • 没有考虑压力对润滑分子的影响; • 没有考虑吸附分子排列方式的影响; • 没有考虑结构影响，如分子长链、大小等。
3.5 Cameron模型
英国三大家： ➢建桥：Bowden, Tabor, Jonhsm, 结合（固体润滑） 流变特性； ➢理国理工：Cameron, Spikes, EHL测试； ➢Leads, Dowson, Talyer 计算。
2. 物理吸附与化学吸附
物理吸附：
当固体表面依靠范德华（Van der Waals）力与介质 中的液体或气体分子相结合而形成定向排列的吸附 层，这种吸附称为物理吸附。
特点： • 吸附分子与固体表面间不发生电子交换； • 物理吸附是可逆的。
2. 物理吸附与化学吸附
化学吸附: 固体表面与液体求气体中的吸附分子间的
一、边界润滑
1. 边界润滑定义 2. 物理吸附与化学吸附 3. 边界润滑模型
1. 边界润滑定义
• 采用不具有流体效应的表面膜进行润滑的 工况叫边界润滑。
• 表面吸附膜或反应膜进行润滑的工况叫边 界润滑。
• 由于润滑分子与固体表面的相互作用而形成 一层具有润滑作用的界面膜在摩擦过程起主 要润滑作用，该种润滑状态叫边界润滑。
• 存在问题： ➢没有考虑吸附分子的动态效应； ➢ 没有考虑吸附分子与基体的作用力大小。
3.4 Kingsbury模型－1958年
1958年，Kingsbury [另一个Kingsbury (1863-1993)研究 轴承]针对Bowden模型的缺点，提出了新的动态模型。 将Bowden模型中的α定义为膜的破裂率：
擦系数与粘度关系不大等现象。
3.1 Hardy模型
存在的问题是：
1. 未能考虑摩擦副的真实接触状态。 2. 有许多现象不能解释：
• 小载荷时摩擦系数随载荷的增加而降低； • 在正常的边界润滑条件下，仍存在金属的接触。
3.2 Bowden模型－1950年
• Bowden (1903－1965)，6个孩子中排行为第五，14岁时 母亲去世，主要靠父亲培养，他的学习成绩比较差，以 至于高考未中，后来在私人教师的培养下，考上澳大利 亚的大学，然后又到剑桥读硕士，主要研究电化学和物 理化学。
• 不能解释电导现象。即小负荷时，电导很小，电 阻很大。但负荷加大，摩擦系数处于边界润滑范 围，即远小于干接触的摩擦系数，但是电导却升 到大致和非润滑表面一样，电阻很小。因此，出 现了相互矛盾的结果。
• 没有考虑动态效应，只是静态模型。
3.3 Adamson模型－1960年
• Adamson在Bowden模型的基础上，考虑了压力的影 响，给出了润滑膜的加压模型。
• 最近已发展到分子行为和分子膜润滑研究， 并有重要应用价值。
3.1 Hardy模型－1922年
Hardy，1864－1934，是生命学家，毕业于剑桥，是英 国皇家学会生物方面的秘书，在研究胶体稳定性和行 为时，发现有一层极性吸附膜。
特点：
➢ 给出了边界润滑的基本概念及吸附方式。 ➢ 提出了单分子层吸附膜的重要性。 ➢ 可以解释边界条件下摩擦系数仍比较小以及摩
• v ∞，tz 0, α 0 速度很大，表面分子未逃逸就滑过去了。
• v 0，tz ∞，α 1 速度很低时，分子一旦离开，粗糙峰与基体的接触就 不会再分开。
3.4 Kingsbury模型
tr t0 exp( E / RT )
其中：E为吸附热；R为气体常数；T为绝对温度；t0为 与表面方向垂直的振动周期。
特点：
➢ 提出了润滑膜不连续的概念； ➢ 提出了摩擦力二项式，该式一直延用至今； ➢ 符合放射性示踪法的测试结果，解释了Hardy模型不
能解释的问题：①存在金属接触；②压力增加 接触处趋于变形 所需剪切能 摩擦系数
3.2 Bowden模型－1950年
存在问题：
• 未能给出金属接触面积与负荷的关系，即没有考 虑压力效应。
• 1931年开始摩擦学研究（接触问题），其主要贡献是对 Hardy模型的发展，与Tabor将一起，将Hardy的思想与 Holm的真实接触概念相结合，提出了Bowden模型、摩 擦粘着机理等。
• 后来转入PTFE和滑雪研究，组建了建桥大学摩擦研究 小组。
3.2 Bowden模型－1950年
F＝A[αSm+(1-α)Sf] A―表观接触面积； Sm－金属剪切强度； Sf―润滑膜剪切强度； α―金属的接触率； F―摩擦力。
• 认为只有在小负荷时，Bowden模型才能成立。在正 常压力下，金属接触区几乎不变化，金属的表面变 形不足以将润滑膜挤走。但却足以使其有些压缩， 即施加机械压力于膜上。
• 在压力作用下，液体的逃逸趋势和蒸气压的增加， 使一部分长链分子平躺着。
3.3 Adamson模型
• 特点： ➢考虑了机械压力的作用； ➢可以解释电导与摩擦系数矛盾的现象。载荷 间隙 分子平躺： ①减摩擦作用存在， ②电 击穿，电导率上升； ➢提出了凝聚态边界膜润滑效果中：
Ns－固体表面可以吸附的
分子总数；
v
N－实际摩擦过程中吸附
z
于表面的分子数量；
α－润滑膜的破裂率。
3.4 Kingsbury 模型
• 认为吸附分子在固体表面上是停留、脱离的动态平衡 过程。若粗糙峰以速度v 移动一个分子间距z的时间为 tz，吸附分子在固体表面的停留时间为tr，则有： α＝1－exp(-tz/tr) tz＝Z/v
当：
tz>>tr时，α
1 运动速度很慢或分子在表面停留 时间很短(如高温、分子活性大).
Tz<<tr时，α 0 运动速度很快，分子在表面停留 时间不长。
3.4 Kingsbury模型
特点： • 将吸附分子行为作为摩擦本质来理解。 • 综合考虑了吸附能、温度、滑动表面相对运动速
度的影响。
• 引入了分子吸附与解吸的动态平衡概念。
如极性分子与金属表面形成金属皂，
CnH2n+1COOM
金属
特点： 化学吸附是不可逆的。
3. 边界润滑模型
• 自1922年Hardy提出边界润滑的概念以来边界 润滑理论已有了较大的发展；
• 先 后 出 现 了 Bowden 模 型 、 Adamson 模 型 、 Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模 型、混合模型等；
存在问题： • 没有考虑压力对润滑分子的影响; • 没有考虑吸附分子排列方式的影响; • 没有考虑结构影响，如分子长链、大小等。
3.5 Cameron模型
英国三大家： ➢建桥：Bowden, Tabor, Jonhsm, 结合（固体润滑） 流变特性； ➢理国理工：Cameron, Spikes, EHL测试； ➢Leads, Dowson, Talyer 计算。
2. 物理吸附与化学吸附
物理吸附：
当固体表面依靠范德华（Van der Waals）力与介质 中的液体或气体分子相结合而形成定向排列的吸附 层，这种吸附称为物理吸附。
特点： • 吸附分子与固体表面间不发生电子交换； • 物理吸附是可逆的。
2. 物理吸附与化学吸附
化学吸附: 固体表面与液体求气体中的吸附分子间的
一、边界润滑
1. 边界润滑定义 2. 物理吸附与化学吸附 3. 边界润滑模型
1. 边界润滑定义
• 采用不具有流体效应的表面膜进行润滑的 工况叫边界润滑。
• 表面吸附膜或反应膜进行润滑的工况叫边 界润滑。
• 由于润滑分子与固体表面的相互作用而形成 一层具有润滑作用的界面膜在摩擦过程起主 要润滑作用，该种润滑状态叫边界润滑。
• 存在问题： ➢没有考虑吸附分子的动态效应； ➢ 没有考虑吸附分子与基体的作用力大小。
3.4 Kingsbury模型－1958年
1958年，Kingsbury [另一个Kingsbury (1863-1993)研究 轴承]针对Bowden模型的缺点，提出了新的动态模型。 将Bowden模型中的α定义为膜的破裂率：
擦系数与粘度关系不大等现象。
3.1 Hardy模型
存在的问题是：
1. 未能考虑摩擦副的真实接触状态。 2. 有许多现象不能解释：
• 小载荷时摩擦系数随载荷的增加而降低； • 在正常的边界润滑条件下，仍存在金属的接触。
3.2 Bowden模型－1950年
• Bowden (1903－1965)，6个孩子中排行为第五，14岁时 母亲去世，主要靠父亲培养，他的学习成绩比较差，以 至于高考未中，后来在私人教师的培养下，考上澳大利 亚的大学，然后又到剑桥读硕士，主要研究电化学和物 理化学。
• 不能解释电导现象。即小负荷时，电导很小，电 阻很大。但负荷加大，摩擦系数处于边界润滑范 围，即远小于干接触的摩擦系数，但是电导却升 到大致和非润滑表面一样，电阻很小。因此，出 现了相互矛盾的结果。
• 没有考虑动态效应，只是静态模型。
3.3 Adamson模型－1960年
• Adamson在Bowden模型的基础上，考虑了压力的影 响，给出了润滑膜的加压模型。
• 最近已发展到分子行为和分子膜润滑研究， 并有重要应用价值。
3.1 Hardy模型－1922年
Hardy，1864－1934，是生命学家，毕业于剑桥，是英 国皇家学会生物方面的秘书，在研究胶体稳定性和行 为时，发现有一层极性吸附膜。
特点：
➢ 给出了边界润滑的基本概念及吸附方式。 ➢ 提出了单分子层吸附膜的重要性。 ➢ 可以解释边界条件下摩擦系数仍比较小以及摩
• v ∞，tz 0, α 0 速度很大，表面分子未逃逸就滑过去了。
• v 0，tz ∞，α 1 速度很低时，分子一旦离开，粗糙峰与基体的接触就 不会再分开。
3.4 Kingsbury模型
tr t0 exp( E / RT )
其中：E为吸附热；R为气体常数；T为绝对温度；t0为 与表面方向垂直的振动周期。
特点：
➢ 提出了润滑膜不连续的概念； ➢ 提出了摩擦力二项式，该式一直延用至今； ➢ 符合放射性示踪法的测试结果，解释了Hardy模型不
能解释的问题：①存在金属接触；②压力增加 接触处趋于变形 所需剪切能 摩擦系数
3.2 Bowden模型－1950年
存在问题：
• 未能给出金属接触面积与负荷的关系，即没有考 虑压力效应。
• 1931年开始摩擦学研究（接触问题），其主要贡献是对 Hardy模型的发展，与Tabor将一起，将Hardy的思想与 Holm的真实接触概念相结合，提出了Bowden模型、摩 擦粘着机理等。
• 后来转入PTFE和滑雪研究，组建了建桥大学摩擦研究 小组。
3.2 Bowden模型－1950年
F＝A[αSm+(1-α)Sf] A―表观接触面积； Sm－金属剪切强度； Sf―润滑膜剪切强度； α―金属的接触率； F―摩擦力。
• 认为只有在小负荷时，Bowden模型才能成立。在正 常压力下，金属接触区几乎不变化，金属的表面变 形不足以将润滑膜挤走。但却足以使其有些压缩， 即施加机械压力于膜上。
• 在压力作用下，液体的逃逸趋势和蒸气压的增加， 使一部分长链分子平躺着。
3.3 Adamson模型
• 特点： ➢考虑了机械压力的作用； ➢可以解释电导与摩擦系数矛盾的现象。载荷 间隙 分子平躺： ①减摩擦作用存在， ②电 击穿，电导率上升； ➢提出了凝聚态边界膜润滑效果中：
Ns－固体表面可以吸附的
分子总数；
v
N－实际摩擦过程中吸附
z
于表面的分子数量；
α－润滑膜的破裂率。
3.4 Kingsbury 模型
• 认为吸附分子在固体表面上是停留、脱离的动态平衡 过程。若粗糙峰以速度v 移动一个分子间距z的时间为 tz，吸附分子在固体表面的停留时间为tr，则有： α＝1－exp(-tz/tr) tz＝Z/v
当：
tz>>tr时，α
1 运动速度很慢或分子在表面停留 时间很短(如高温、分子活性大).
Tz<<tr时，α 0 运动速度很快，分子在表面停留 时间不长。
3.4 Kingsbury模型
特点： • 将吸附分子行为作为摩擦本质来理解。 • 综合考虑了吸附能、温度、滑动表面相对运动速
度的影响。
• 引入了分子吸附与解吸的动态平衡概念。