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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

更新時(shí)間:2024-05-06      點(diǎn)擊次數(shù):485

應(yīng)該來說,人們在高分子材料摩擦學(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。RothDriscollHolt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。

高分子材料滾動(dòng)摩擦磨損學(xué)研究里程碑式的簡史

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,ShooterThomas對(duì)4種高分子材料(PTFE、PEPSPMMA)之間以及它們與鋼之間的摩系數(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BowdenTabor有關(guān)金屬的摩擦學(xué)說;此工作確定了PTFEPE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摩擦系數(shù)比較。

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

摩擦

油潤滑

鑄鐵

鑄鐵

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

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)

塑料滑動(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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