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高分子材料滾動(dòng)摩擦磨損學(xué)研究里程碑式的簡史
閱讀：848發(fā)布時(shí)間：2024-5-6
應(yīng)該來說，人們?cè)诟叻肿硬牧?/span>摩擦學(xué)的科學(xué)研究活動(dòng)幾乎與摩擦學(xué)在工程應(yīng)用中的機(jī)械和材料領(lǐng)域一樣早得到重視。比較有份量的研究工作始于對(duì)橡膠和彈性體類的探索，這是因?yàn)橄鹉z和彈性體在現(xiàn)代汽車工業(yè)中所起的重要作用。這些材料主要被用于制作輪胎和剎車片，此類機(jī)械部件在苛刻的滑動(dòng)和載荷條件下工作，而且其工作環(huán)境經(jīng)常會(huì)受不利的道路條件、污染物和水等共存影響。RothDriscoll和Holt最早在1942年報(bào)道了對(duì)橡膠的摩擦方面的研究；1952年，Schal-lamach分別用針和球?qū)ο鹉z進(jìn)行劃痕和滑動(dòng)摩擦學(xué)方面的經(jīng)典研究，至今此工作仍然是橡膠和彈性體摩擦學(xué)研究方面的標(biāo)志性工作。
人們對(duì)非彈性體類高分子材料摩擦學(xué)的研究可以追溯到1949年，Shooter和Thomas對(duì)4種高分子材料(PTFE、PE、PS和PMMA)之間以及它們與鋼之間的摩擦系數(shù)的研究，他們還發(fā)現(xiàn)接觸面積與載荷成正比，因而證實(shí)了Bowden和Tabor有關(guān)金屬的摩擦學(xué)說；此工作確定了PTFE和PE的摩擦系數(shù)比較低，此研究成果為這兩種線性高分子在摩擦學(xué)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)；到20世紀(jì)50年代末，許多其他類型的高分子材料也由于其作為摩擦用材料的價(jià)值而得到認(rèn)可，并且人們已經(jīng)開始逐漸了解一些高分子材料的基本摩擦磨損機(jī)理。
關(guān)于高分子材料摩擦學(xué)的研究在20世紀(jì)60年代和70年代得到系統(tǒng)開展，許多目前關(guān)于高分子摩擦學(xué)的理解都可以追溯到英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室Tabor課題組的工作。這些早期工作使高分子材料在生物摩擦學(xué)和空間摩擦學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用，其中比較引人注意的是UHMW-PE在人工關(guān)節(jié)中的應(yīng)用，而且UHMW-PE目前仍然是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)人工假體摩擦接觸部位的主流材料。隨著高分子材料在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們隨后開始進(jìn)行相關(guān)材料的改性工作，加入高性能填料如增強(qiáng)纖維、納米粒子等可得到*高分子材料，相關(guān)的高分子材料膜、單層纖維織物等材料均已經(jīng)在裝備中起關(guān)鍵作用。
材料的摩擦學(xué)行為規(guī)律有強(qiáng)的系統(tǒng)依賴性與復(fù)雜的時(shí)空特性，其表現(xiàn)行為不但受系統(tǒng)所處的速度、載荷、溫度、氣氛等條件和組成摩擦副材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的制約，而且受摩擦磨損過程及所處的時(shí)間階段與空間位置的影響。同樣材料所組成的摩擦副在不同的摩擦磨損條件下有不同的表現(xiàn)行為；即使同樣材料所組成的摩擦副，在相同的磨損條件下，處于不同的摩擦階段，其摩擦學(xué)表現(xiàn)行為也會(huì)相異，千變?nèi)f化的摩擦學(xué)系統(tǒng)就呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜的摩擦學(xué)規(guī)律。因此，尋求共性的理論規(guī)律十分困難。
而對(duì)于具有黏彈性特征的高分子材料來說，情況更加復(fù)雜。盡管如此，人們通過幾十年的努力，通過大量的試驗(yàn)已經(jīng)獲得了一些可靠的數(shù)據(jù)；特別是，通過嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，獲得了在相同工況條件下的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)盡管對(duì)應(yīng)特定的條件，但我們可以通過這些數(shù)據(jù)從一個(gè)側(cè)面對(duì)材料的初步摩擦學(xué)行為進(jìn)行比較，這在材料開發(fā)與應(yīng)用方面具有重要作用。下面列出了一些典型的數(shù)據(jù)，表5-1為典型高分子材料聚四氟乙烯與幾種金屬的摩擦系數(shù)比較，表5-2為幾種常見高分子材料的摩擦系數(shù)比較。
表5-1典型高分子材料聚四氟乙烯與幾種金屬的摩擦系數(shù)比較
摩擦條件和 對(duì)摩材料 材料 | 干摩擦 | 油潤滑 | ||
鑄鐵 | 鋼 | 鑄鐵 | 鋼 | |
聚四氟乙烯 填充聚四氟乙烯 青銅 鑄鐵 | 0.079 0.076 0.260 0.350 | 0.087 0.110 | 0.046 0.075 0.150 0.142 | 0.079 0.087 0.098 0.123 |
表5-2幾種常見高分子材料的摩擦系數(shù)比較
摩擦條件 材料 | 摩擦系數(shù) | ||
在塑料上滑動(dòng) | 在鋼上滑動(dòng) | 鋼在高分子材料上滑動(dòng) | |
聚四氟乙烯 聚乙烯 聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸酯 | 0.04 0.10 0.50* 0.80* | 0.04 0.15 0.30 0.50* | 0.10 0.20 0.35 0.45* |
注：1.表中數(shù)字帶*者為已產(chǎn)生爬行； 2.數(shù)據(jù)是在低速低負(fù)荷下測(cè)定的 | |||
通過對(duì)表5-3中的數(shù)據(jù)比較可以看出，不論與金屬材料還是其他高分子材料相比較，聚四氟乙烯都具有非常低的摩擦系數(shù)，因此人們對(duì)聚四氟乙烯的研究也最多。
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