固體材料滑動摩擦係數精密測定法的製作方法

2023-05-03 08:09:26 1

專利名稱：固體材料滑動摩擦係數精密測定法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密測定固體摩擦材料摩擦係數的方法。它適用於各種固體材料，尤其適用於聚合物類材料。
摩擦係數作為摩擦材料的一個重要參數，是評價材料減摩自潤滑性能的唯一標準。但由於摩擦係數受接觸面溫度、接觸應力、相對滑動速度、表面粗糙度以及接觸表面間相互物化反應等因素的影響，因而，根據現有摩擦試驗機的測試條件及對樣品形狀的要求，其測定的均是摩擦係數的平均值。該值通常是材料摩擦係數的穩態平均值且在摩擦曲線圖上呈一定寬度，它所反映的是界面溫度、應力、相對滑動速度、表面粗糙度及二體表面物化反應等綜合作用結果。當不同材料進行摩擦性能相互比較時，由於上述諸因素的作用程度不同，因而所比較的量只是在一定條件下多種因素綜合影響結果。因此，摩擦係數還不能完全作為材料的真實特性來評定。
為得到可相互比較的摩擦係數，則必須將上述因素的影響降至最低，甚至可忽略不計的程度。在極低速度和低負荷條件下測定材料的滑動摩擦係數，Tabor等認為可將溫度效應、應力應變效應、相對滑動速度的影響忽略不計。許多研究結果均表明，當負荷及速度很低時，對偶面會形成一極薄的轉移膜，轉移膜的厚度在納米(nm)量級，例如PTFE在不鏽鋼的表面上的轉移膜厚度僅為0.06～0.08nm。因而，可以認為接觸表面上很快達到物化反應平衡。此時對摩擦係數影響的關鍵因素則在於材料表面粗糙度。在低速、低負荷及低溫條件下測定的材料摩擦係數是材料真實摩擦係數同粗糙度影響因子之和。由於材料表面起伏無規律，微凸體形狀無規律，當摩擦對偶滑過或跨過微凸體時就造成了摩擦係數的起伏變化無常。因而用平均值方法來計算呈一定寬度的摩擦係數在某種程度上講是不精確的。
本發明的目的在於提供一種能夠精確反映材料性能的摩擦係數測定方法。
本發明的目的是通過下述方法來實現的一種固體材料滑動摩擦係數測定方法，它包括下列步驟(1)在被測樣品的被測面上，原始成型或加工出凹弧槽，凹弧槽的寬度應小於弧槽曲率半徑，即弧槽邊緣到弧的圓心與到另一邊緣的夾角θ應滿足60°＜θ＜90°；(2)用對偶球作為上試樣，其半徑小於凹弧槽曲率半徑；(3)在保證所加負荷的應力小於被測樣品成型應力(對聚合物材料而言)或塑性形變應力(對彈性材料而言)的條件下，使球以低於1.0釐米/秒的水平速度從樣品平面運動到弧面再進入平面進行接觸滑動；(4)通過單向或雙嚮往復運動，在能夠保持恆定水平速度的測定樣品滑動摩擦係數的試驗機上，雙向完整的記錄摩擦係數變化。
(5)計算測量結果上述測試方法的優選測試條件為凹弧槽曲率半徑R＞3毫米對偶球曲率半徑r0.5～2.5毫米負荷 0.1～1.5牛頓水平滑動速度 0.1～2.0毫米/秒

圖1為摩擦原理2為摩擦係數譜圖下面結合各附圖詳細說明本發明的實施方案。
圖1為本發明的測量原理圖。在被測固體表面成型一曲率半徑為R的水平圓弧槽，槽寬為L。上試樣為球，其曲率半徑為r，且有R＞r，圓弧槽與被測樣品表面的邊界線為a和b。N為弧面對球r的支承力，G為所加載荷，f為摩擦力。當球r滑動到圓弧邊緣a點時，球面與a點發生相對滑動，可以看作是a在球r表面滑動，此時摩擦力的方向及大小均發生連續變化，也就是正壓力N的方向向圓弧的圓心逐漸傾斜且大小隨傾斜程度的增加而變小。當圓弧圓心、球r的球心及a點三點成一條線時，此時N最小，f也最小。按受力分析可知Fa＝fa sinθ-Na cosθ。
F是儀器顯示摩擦係數的依據。這是因為水平方向上為勻速直線運動，該方向上合外力為O。水平條件時F＝f，進入圓弧後又出現了N cosθ分量。儀器測量值實際上是μa＝Fa/G，而不是真實值μo＝Fa/Na。所以在a點附近有μa＝(fa sinθ-Na cosθ)/G由此式還可看出，由fa、Na及θ的相互關係，μa有可能出現負值，即反向摩擦力，這已在試驗中得到證實。
當球滑動到b點時則有μb＝(fb sinθ+Nbcosθ)/G從整個過程來看，μa最小，μb最大。且摩擦係數連續變化。
設μ為材料的平面滑動摩擦係數，則根據數學推導可得到Fa+Fb2G=(1+(R-r)2Vo2(yo-rsin)3g)sin2-2cos2]]>其中g為重力加速度，yo是圓弧圓心到平面的高度。令 則有Fa+Fb2G=a+b2=(1+Asin2-2cos2)]]>，利用該方程對μ求解，並將負值去掉。
在低速、θ＞60°條件下，A→0，μ2cos2θ→0則有a+b2=sin2]]>=a+b2sin2]]>根據這一原理可知，摩擦係數的測量只與a點及b點有關，而與過程無關。當a點及b點由於受應力較大而發生塑性變形後，只是圓弧邊緣稜角鈍化，該點附近的圓弧曲率並無明顯變化，其影響只是μa略增、μb略小，μ並不受影響。從a點及b點的特點還可以看出，在該點附近，對偶球的運動形式是a點或b點沿球面從底部向上有微小的相對滑動，所以可認為第一次滑動時的μa及μb值反映的是對偶球新表面同樣品的摩擦狀況。
按上述原理及方法可繪出如圖2所示的摩擦係數曲線圖譜，根據譜圖上摩擦係數的最大值和最小值並乘以修正因子即可得到被測樣品的準確摩擦係數值。
由此可見，將微觀無規粗糙面放大為宏觀圓弧凹槽，並使摩擦係數的測量影響因素降至最低。用二點極值法替代平均測量法，不但真實地反映了材料對偶的摩擦特性，而且還提高了測量的準確性和重複性。
實施例1按傳統工藝成型PTFE+30％石墨的聚合物複合材料。聚合物面上圓弧槽曲率半徑為5mm，弧寬3.21mm。摩擦對偶球的半徑為1.5mm，材料為GCr15。摩擦條件為日本協和靜動摩擦係數精密測量儀，滑動速度0.0295cm/s，負荷0.5N，室溫、幹摩擦、單向往復，相對溼度61％。
從曲線圖2可以看出，每次往復的摩擦係數曲線非常重合，甚至包括樣品粗糙引起的摩擦係數跳躍。這說明，在該實驗條件下各種因素的影響很小，可以忽略不計。計算可知A＝1.2×10-5，μ2cos2θ＜3.7×10-4，sin2θ＝0.90。二次循環所測摩擦係數均為0.058。採用sin2θ修正，則樣品摩擦係數為0.052。這種重複性是常規測試所不能達到的。
實施例2在低速低負荷條件下測定聚合物摩擦係數同滑動速度的關係。樣品同上，摩擦條件為日本協和靜動摩擦係數精密測量儀，負荷0.5N，室溫，幹摩擦，相對溼度61％，換嚮往復。速度分別為0.0295cm/s、0.0595cm/s、0.0895cm/s、0.1195cm/s、0.1495cm/s測定值由表一列出表一.不同滑動速度下PTFE+30％石墨的摩擦係數
測定表明，PTEE+30％石墨複合材料，在低速負荷下，其摩擦係數隨速度的增加而增大。這同常規摩擦試驗所測得的結果具有相似性。
實施例3低速低負荷下聚合物摩擦係數同負荷的關係。材料同上，摩擦條件日本協和靜動摩擦係數精密測量儀，速度0.0595cm/s，室溫、幹摩擦、相對溼度為61％，換嚮往復。負荷分別為0.5N、1N、2N、3N。測定結果列於表二。
表二.不同負荷下PTFE+30％石墨的摩擦係數<
>在低速低負荷下，通常認為負荷對聚合物材料的摩擦係數沒有影響，只是在高負荷下，隨負荷的增加聚合物摩擦係數會有所變化。我們的測試結果表明，極低負荷下摩擦係數不變，而增大到一定程度時摩擦係數略有增大。這說明聚合物相對較軟，當負荷加大時，球壓入聚合物的深度增加明顯，摩擦犁削分量也就有所增加。
權利要求
1.一種固體材料滑動摩擦係數測定方法，其特徵在於它包括下列步驟(1)在被測樣品的被測面上，原始成型或加工出凹弧槽，凹弧槽的寬度應小於弧槽曲率半徑，即弧槽邊緣到弧的圓心與到另一邊緣的夾角θ應滿足60°＜θ＜90°，(2)用對偶球作為上試樣，其半徑小於凹弧槽曲率半徑，(3)在保證所加負荷的應力小於被測樣品成型應力或塑性形變應力的條件下，使球以低於1.0釐米/秒的水平速度從樣品平面運動到弧面再進入平面進行接觸滑動，(4)通過單向或雙嚮往復運動，在能夠保持恆定水平速度的測定樣品滑動摩擦係數的試驗機上，雙向完整的記錄摩擦係數變化，(5)計算測量結果。
2.如權利要求1所述的測定方法，其特徵在於圓弧曲率半徑R大於3毫米，對偶球曲率半徑r為0.5～2.5毫米，負荷為0.1～1.5牛頓，滑動速度為0.1～2.0毫米/秒。
全文摘要
本發明是測定固體材料特別是聚合物材料在低速、低負荷及相對惰性接觸面上精密滑動摩擦係數的一種方法。主要用於對固體摩擦材料的摩擦係數的準確測定。本發明的特點在於將複雜的摩擦過程減化為二點極值平均法，準確的給出材料在給定條件下的摩擦係數值。本發明為摩擦材料表面的基礎和應用研究，提供了一種可信度高、重複性極好的摩擦係數精密測定方法；並為摩擦材料試驗機的設計及利用提供了新的途徑及理論依據。
文檔編號G01N19/02GK1137638SQ95105878
公開日1996年12月11日 申請日期1995年6月8日 優先權日1995年6月8日
發明者閻逢元, 薛群基, 劉維民, 楊生榮 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所