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高分子材料滾動摩擦磨損學(xué)研究里程碑式的簡史
閱讀：479發(fā)布時間：2024-5-6
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橡膠和彈性體類的探索，這是因為橡膠和彈性體在現(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和載荷條件下工作，而且其工作環(huán)境經(jīng)常會受不利的道路條件、污染物和水等共存影響。RothDriscoll和Holt最早在1942年報道了對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)卡文迪許實驗室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)行為也會相異，千變?nèi)f化的摩擦學(xué)系統(tǒng)就呈現(xiàn)出錯綜復(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)盡管對應(yīng)特定的條件，但我們可以通過這些數(shù)據(jù)從一個側(cè)面對材料的初步摩擦學(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 | 在鋼上滑動 | 鋼在高分子材料上滑動 | |
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)，因此人們對聚四氟乙烯的研究也最多。
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