第6章--高聚物的摩擦与磨损.ppt

第6章 高聚物的摩擦与磨损 定义： ?摩擦：抵抗两物体接触表面发生切向相对运动的现象称为摩擦。? 磨损：物体相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。 高聚物经常用作轴承、摩擦件等，研究它们的摩擦与磨损性能有重要意义。 6.1高聚物的摩擦理论 当高聚物与另一种固体相互接触并相对滑动时产生的摩擦，摩擦是一个复杂的过程，但主要成分常常是变形摩擦和粘着摩擦。 当一个凹凸不平的刚性物体在高聚物上滑动时，需要克服摩擦力做功，即摩擦功，摩擦功往往消耗在两个区域： 为位于界面或靠近界面很薄的界面区，与刚性物体和高聚物之间真实接触面积相关，其厚度大约100Χ10-9m——粘着摩擦 在界面区，由粘着作用产生的应力造成高聚物非常局限的界面剪切，引起粘着摩擦，在粘着摩擦过程中，剪切粘着接点消耗了能量 为位于界面以下的内聚区，与刚性物体和高聚物之间宏观接触面积相关，其厚度与接触长度相仿——变形摩擦 在内聚区，由几何啮合作用产生的应力造成高聚物相当大的体积变形，引起变形摩擦，在变形摩擦过程中，滞后作用消耗了能量。 对于不同的材料来说，两种摩擦在摩擦中所占的比例不同，具体情况具体分析。 6.1.1变形摩擦（刨犁摩擦） 在内聚区，由几何咬合作用产生的应力造成高聚物相当大的体积变形，产生沟槽，这主要是由高聚物具有的粘弹性所决定的。 为了或略粘着摩擦的影响，习惯用滚动实验(不用滑动实验) 来研究变形摩擦。 当刚性滚柱滚过粘弹性的高聚物表面时，能量输入到滚动前面的高聚物中，引起高聚物变形，产生沟槽，其中一部分能量传递到球的后面的高聚物中，在把滚柱向前推进的过程中消耗掉，这部分能量作了摩擦功，显然，大部分能量消耗于沟槽的平复。 摩擦系数可根据此模型算出： μd＝KE-1/3tgδW1/3 E－高聚物的杨氏模量 tgδ－损耗角正切值（高聚物） W－载荷 K－当高聚物表面能（γ）与钢球尺寸（R）不变时，K为常数 因为高聚物具有粘弹性 所以它的损耗特性（tgδ）与杨氏模量的实数部分（E）有明显的温度与形变速率的依赖性。因此，μd也有类似的函数关系。 特别是在摩擦过程中生热（滑动速度越大，摩擦生热越多），高聚物热传导不良，所以表面温度上升，μd改变，所以在摩擦过程中，μd是一个变量。 当高弹态或玻璃态高聚物与刚性物体相对滑动时产生的形变超过可逆的弹性应变范围，就可以观察到各种各样的撕裂或干裂现象，滑动也从连续的平滑的运动变为粘－滑运动，每一个粘－滑周期对应着一个裂痕的生成，此时的摩擦已与磨损有关。 6.1.2粘着摩擦（界面摩擦） 在界面区，由粘着作用产生的应力造成高聚物非常局限的界面剪切，引起粘着摩擦。 高聚物与光滑刚性物体在滑动摩擦过程中，阻力主要来自于界面间分子间作用力，能量消耗在粘着接点，所消耗的能量集中在厚度为h（100nm）的界面区域。 界面作用力对高聚物产生剪切作用： 若高聚物的本体强度界面剪切强度： 断裂作用常发生在界面，称界面剪切，如PMMA作为滑动件在平滑表面上摩擦时常发生界面剪切。 若高聚物的本体强度界面剪切强度： 断裂作用常发生在与界面有一定距离的高聚物本体内，在此区中，最大能量消耗与热量聚集使高聚物遭到破坏，并向对摩面上转移上一层厚度为10-8~10-5m左右的高聚物薄膜，称为界面区剪切。转移膜的生成是界面区剪切的标志。 有时由于转移膜与对摩面发生物理或化学作用而得以保持，使两个表面间产生真正接触与粘着作用而使摩擦在高聚物本体与高聚物转移膜之间进行。 所以，高聚物与刚性物体之间的μ≈高聚物自身滑动的μ。如：PE（HDPE）、PTFE,在Tg以上滑动时常发生界面区剪切。 根据此模型可计算μ： μa ＝τ0/p0 +α τ0－剪切强度 p0－平均接触压力，随载荷W的增大而增大 α－能量损耗分数 一般来说，易发生转移（即界面区剪切）的高聚物μa较低，如HDPE、PTFE等，聚四氟乙烯是由于其摩擦系数低，是常用的一种固体润滑剂。 以上讲的两种摩擦对不同材料、不同场合下所占比例不同 对金属来说：粘着摩擦是主要因素，变形摩擦是次要因素。 对粘弹性高聚物来说：若接触面光滑： 粘着摩擦 主导 若接触面粗糙： 变形摩擦 主导