现代摩擦理论及机理与常用塑料摩擦系数

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摩擦系数μ是指两表面间的摩擦力F和作用在其一表面上的垂直力w之比值,即μ=F/w。它是和表面的粗糙度有关,而和接触面积的大小无关。依运动的性质,它可分为动摩擦系数μk和静摩擦系数μs。滑动摩擦力是两物体相互接触发生相对滑动而产生的。

一、现代摩擦理论:

1) 摩擦的分子理论:分子的引力和亲合力作用而引起摩擦。由分子理论可得:

材料塑性越大,变形越大,摩擦力越大;

材料硬度越大,变形越小,摩擦力越小。

2) 分子机械理论:  由于摩擦表面的微观不平,只有凸起点间接触,所以实际接触面积很小。接触点由于单位压力产生塑性变形,从而发生粘着。

接触点的实际正压力:w=Aσ

其中σ 为接触承载应力;A 为接触点面积;

拉开粘着点所需要的力为:F=Aτ

那么:μ=F/w=Aτ/Aσ=τ/σ=τ/H,

提高接触应力σ,即增大材料硬度H,可以减小摩擦系数μ;降低剪切强度τ可以降低摩擦系数μ。

机械分子说作用特点是:材料弹性挤压-塑性挤压-微观切削-氧化膜破损,以及由分子相互作用的粘着结果而发生的基本材料破损而失效。

3) 摩擦的能量理论

摩擦的表面能量理论认为,各种类型的摩擦和磨损现象都与表面能量之间有一定的关系,表面能对摩擦面实际接触区大小有影响,当两表面接触时,两表面粘着时,其粘着力可用粘着表面及系统能量 G 表示。由于粘着作用,总的表面能为:

G=Eab=Ga+Gb-Gab

其中:Ga-物体a的表面能,Gb物体b的表面能,Gab-a与b接触的表面能,

由公式推断(这里省略),粘着表面能Eab与材料硬度H比值越大,摩擦系数越大。

下图为:常见塑料的摩擦系数和表面能关系表:

现代摩擦理论及机理与常用塑料摩擦系数

4) 高分子材料影响摩擦性能内部因素

a. 分子的化学结构:对称性增加,摩擦系数降低,静摩擦系数与摩擦面的预取向有很大关系。特别地,带有环状结构的耐热性聚合物的摩擦系数与摩擦方向没有对应关系。

b. 凝聚态的结构:结晶度,结晶度对不同聚合物的摩擦系数、磨损影响不同,较高结晶度获得较高弹性模量,增强抗拉抗蠕变能力。

c. 分子链取向:同拉伸方向降低摩擦系数、垂直拉伸方向增加摩擦系数,不过影响较小。

5)高分子材料的磨损形式

a. 粘着磨损:高分子材料之间摩擦倾向于产生粘着磨损,高分子材料与金属或者玻璃之间摩擦,当高分子材料光滑到一定程度,也更容易粘着磨损。

b. 磨粒磨损:是由外界硬颗粒或者对摩擦表面上的硬硬突起物或者粗糙峰,在摩擦过程中引起的表面破坏,能分离出磨屑或形成划伤的过程。通常发生于高分子材料与硬度比较高的材料之间,容易产生磨粒磨损。磨粒磨损体积Vd可以用以下公式计算:

Vd=KwFμ/Hσε

其中:Kw-磨损因素,σ-断裂应力,ε-断裂伸长率

c. 疲劳磨损:是由于刚性微凸使高分子材料表面发生多次压缩、拉伸和剪切变形,当应力循环次数达到一定时产生疲劳裂纹,进而扩展形成磨屑,分离出微片或者颗粒的磨损。

d. 塑性变形磨损:应力超过高分子材料的弹性极限,产生的变形在外力去除后不能全部恢复,而残留一部分变形,这是不可逆的塑性变形。

二、摩擦与润滑

磨损是摩擦的结果,而润滑是减少摩擦和磨损得关键途径,因为润滑能降低磨损,减少摩擦功率损失。两摩擦表面直接接触,不加入任何润滑剂的摩擦,叫做干摩擦,干摩擦产生较大的摩擦功耗,就会导致严重的磨损,最佳的是2个摩擦材料之间达到液体摩擦,摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时,即形成了全液体摩擦,是理想摩擦状态。

小编注:根据以上理论,美特公司可爱的小吴攻城狮开发了TPV 1045DB-SC,TPV滑材料,用在汽车玻璃导槽密封条的耐磨涂层,可完全取代三井化学的TPV G4502BS(低摩擦规格)。

最后,特别感谢塞拉尼斯给予的技术支持!

三、下面是网络收集的一些常见高分子材料的摩擦系数表:
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下试样 上 试 样(钢) 上 试 样(塑料)
静摩擦 动摩擦 静摩擦 动摩擦
(塑料)   系数μs 系数μk 系数μs 系数μk
———————————————
聚四氟乙烯 0.10 0.05 0.04 0.04
聚全氟乙丙烯 0.25 0.18 - -
低密度聚乙烯 0.27 0.26 0.33 0.33
高密度聚乙烯 0.18 0.08-0.12 0.12 0.11
聚甲醛           0.14 0.13 - -
聚偏二氟乙烯 0.33 0.25 - -
聚碳酸酯       0.60 0.53 - -
聚苯二甲酸乙 0.29 0.28 0.27* 0.20*
二醇酯
聚酰胺(尼龙66) 0.37 0.34 0.42* 0.35*
聚三氟氯乙烯 0.45* 0.33* 0.43* 0.32*
聚氯乙烯        0.45* 0.40* 0.50* 0.40*
聚偏二氯乙烯 0.68* 0.45* 0.90* 0.52*
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注:*表示粘滑运动.

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