滑動摩擦磨損試驗儀的干摩擦理論

一、聚合物材料的干摩擦理論

   圖1-2為聚合物材料與金屬接觸并摩擦原理模型。圖1-2 } a)為聚合物與金屬接觸前的微觀接觸截面放大圖形，都是由具有半圓形頂端的凸峰與半圓形凹谷相間組成。圖1-2 (b)為兩表面在載荷(或自重)作用下相互接觸時的狀況，可見兩表面只有少數(shù)高點正好相對而接觸。在摩擦過程中，聚合物凸峰一般會發(fā)生以下變化:順應(yīng)金屬凸峰的形狀變形;尺寸變低，變粗大;密度增大;沿載荷作用方向有某種程度的取向，因而發(fā)生與取向效應(yīng)相關(guān)的變化;高聚物復(fù)合材料在接觸的凸峰頂部的填充物被金屬凸峰頂入聚合物材料凸峰內(nèi)。金屬凸峰則可能發(fā)生彈性變形。兩表面發(fā)生切向運動時，通常不是沿AA'線剪切而分離，而是沿界面兩側(cè)的BB‘或CC'線。有些研究表明，如果金屬的強度低，則在界面上會發(fā)生真正的滑動;反過來，如果金屬的強度高，則在界面上，包括在聚合物表層一定厚度內(nèi)會發(fā)生剪切作用，這一表層的厚度可能有幾毫微米到幾微米。對聚合物一金屬配對摩擦副在干滑動摩擦理論的研究方面，己經(jīng)初步形成了幾個重要理論，下面做以簡單的介紹。

二、粘著理論

   一般來說，聚合物粘著的根源在于接觸表面有三種力存在:靜電力、范德華力、偶極的相互作用和氫鍵的作用力。從微觀來看，粘著是在界面上發(fā)生了鍵的結(jié)合，因而產(chǎn)生了范德華力或化學力。按照粘著理論，聚合物的摩擦主要取決于界面上形成的粘著點的剪切強度。該剪切強度接近于聚合物材料整體的剪切強度。影響摩擦的主要因素是接觸面積。如果摩擦的粘著分力很小，滑動的相當一部分阻力可能是由聚合物變形的滯后損失引起的。

三、分子一機械理論

   分子一機械理論認為工程實際中的摩擦表面總是粗糙的，而摩擦表面上真實接觸的部分，在很大的單位壓力作用下，表面凸峰相互壓入和嚙合。同時相互接觸表面的分子間有吸引力。因此，摩擦過程就是克服亞微觀表面凸峰機械嚙合和表面分子吸引力的過程。摩擦力也就是在摩擦面上所有接觸點由于機械嚙合作用和分子吸引作用產(chǎn)生的切向阻力的總和。這就是著名的摩擦二項式定律。分子一機械理論還可以用來解決真實接觸面積較大的摩擦問題，聚合物在摩擦中真實接觸面積較大。

四、轉(zhuǎn)移理論

  聚合物在摩擦中向?qū)ε急砻孓D(zhuǎn)移的論述被廣泛地引用作為聚合物的摩擦學行為基礎(chǔ)的一種理論。主要有以下一些論點:(1>定向纖維的形成，轉(zhuǎn)移物在沿運動方向，在對摩面上形成高度定向的纖維，從而使摩擦減小;(2>由范得華力和庫侖力作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜;(3>由粘著導(dǎo)致轉(zhuǎn)移，當聚合物與另一固體表面密切接觸時，界面上的原子或分子將發(fā)生交互作用，使兩接觸表面發(fā)生粘著。當粘著點發(fā)生切向斷裂時，斷裂總是發(fā)生在原子結(jié)合力較弱的聚合物內(nèi)，使一部分聚合物轉(zhuǎn)移到了與之配對的金屬表面。這個過程多次重復(fù)后，則會在金屬表面形成聚合物薄層，即轉(zhuǎn)移膜。相應(yīng)地聚合物本體則逐漸被磨損;(4>大分子的擴散與遷移，聚合物表層由于摩擦熱而熔融，大分子的支鏈、鏈段乃至大分子越過界面擴散與遷移至對摩面上。

五、轉(zhuǎn)移一依附理論

  轉(zhuǎn)移膜只能在金屬表面與聚合物直接接觸的微小點上才會有，而依附層鋪展于真實接觸點的周圍，厚薄不均，依附不甚牢固，可以隨時脫離又有新的屑充塞積聚。它的形成改善了對摩面的粗糙度，它的存在也為轉(zhuǎn)移膜的形成準備有利條件，改善了摩擦條件。這是人們在研究聚四氟乙烯((PTFE)與金屬對磨的摩擦規(guī)律時發(fā)現(xiàn)的特殊行為。

六、定向論

  這種理論認為，聚合物表面在摩擦時聚合物本體會沿著相對運動方向產(chǎn)生定向，從而使后來的運動阻力減小。由于高分子材料在無定形區(qū)存在缺陷，在摩擦過程中表面高分子鏈會發(fā)生斷裂，纏結(jié)部分在力的作用下容易解開，有利于進一步取向，從而有利于減小摩擦。

七、氣體潤滑說

  氣體潤滑說認為高聚物在高速高載荷下工作時，由于溫度高，表面軟化甚至熔融。這時摩擦與磨損都將隨著滑動速度升高而降低，這是因為聚合物表面分解產(chǎn)生一些氣體起潤滑作用，是摩擦磨損降低。

八、吸濕減摩論

  聚合物材料能夠吸收環(huán)境中的水分或者潮氣等，使之成為潤滑劑，使干摩擦變成了在潤滑情況下的摩擦。其中以尼龍最有代表性。尼龍吸收環(huán)境中水分后能夠同水形成氫鍵，極性基團的長鏈分子以單分子層方式吸附在尼龍表面上，成為邊界潤滑劑，使摩擦系數(shù)降低。但是否所有的聚合物都會吸濕而起潤滑作用，作用有多大，尚無系統(tǒng)的研究。

九、自潤滑說

   關(guān)于聚合物材料在干摩擦狀態(tài)下能夠自潤滑的說法，可能是關(guān)于它的摩擦特性傳播最為廣泛的一種提法，但卻又沒有一個完整、確切而又被普遍認識到的描述。

  摩擦行為包含一種或幾種摩擦機理，一種摩擦機理也不可能解釋所有的摩擦現(xiàn)象。摩擦力由三方面的影響決定，即表面凸峰的變形、磨粒及硬凸峰的犁切和平坦部分的粘著。摩擦系數(shù)不是一個固有的材料性質(zhì)。犁切及凸峰變形對摩擦系數(shù)的影響可能比粘著大。

  綜上所述，為了闡明摩擦的本質(zhì)，科學家們提出了各種各樣的理論，但至今未能形成一種統(tǒng)一的理論，而這些理論仍在進一步的發(fā)展與完善之中。