滑动摩擦磨损试验仪的干摩擦理论

一、聚合物材料的干摩擦理论

   图1-2为聚合物材料与金属接触并摩擦原理模型。图1-2 } a)为聚合物与金属接触前的微观接触截面放大图形，都是由具有半圆形顶端的凸峰与半圆形凹谷相间组成。图1-2 (b)为两表面在载荷(或自重)作用下相互接触时的状况，可见两表面只有少数高点正好相对而接触。在摩擦过程中，聚合物凸峰一般会发生以下变化:顺应金属凸峰的形状变形;尺寸变低，变粗大;密度增大;沿载荷作用方向有某种程度的取向，因而发生与取向效应相关的变化;高聚物复合材料在接触的凸峰顶部的填充物被金属凸峰顶入聚合物材料凸峰内。金属凸峰则可能发生弹性变形。两表面发生切向运动时，通常不是沿AA'线剪切而分离，而是沿界面两侧的BB‘或CC'线。有些研究表明，如果金属的强度低，则在界面上会发生真正的滑动;反过来，如果金属的强度高，则在界面上，包括在聚合物表层一定厚度内会发生剪切作用，这一表层的厚度可能有几毫微米到几微米。对聚合物一金属配对摩擦副在干滑动摩擦理论的研究方面，己经初步形成了几个重要理论，下面做以简单的介绍。

二、粘着理论

   一般来说，聚合物粘着的根源在于接触表面有三种力存在:静电力、范德华力、偶极的相互作用和氢键的作用力。从微观来看，粘着是在界面上发生了键的结合，因而产生了范德华力或化学力。按照粘着理论，聚合物的摩擦主要取决于界面上形成的粘着点的剪切强度。该剪切强度接近于聚合物材料整体的剪切强度。影响摩擦的主要因素是接触面积。如果摩擦的粘着分力很小，滑动的相当一部分阻力可能是由聚合物变形的滞后损失引起的。

三、分子一机械理论

   分子一机械理论认为工程实际中的摩擦表面总是粗糙的，而摩擦表面上真实接触的部分，在很大的单位压力作用下，表面凸峰相互压入和啮合。同时相互接触表面的分子间有吸引力。因此，摩擦过程就是克服亚微观表面凸峰机械啮合和表面分子吸引力的过程。摩擦力也就是在摩擦面上所有接触点由于机械啮合作用和分子吸引作用产生的切向阻力的总和。这就是著名的摩擦二项式定律。分子一机械理论还可以用来解决真实接触面积较大的摩擦问题，聚合物在摩擦中真实接触面积较大。

四、转移理论

  聚合物在摩擦中向对偶表面转移的论述被广泛地引用作为聚合物的摩擦学行为基础的一种理论。主要有以下一些论点:(1>定向纤维的形成，转移物在沿运动方向，在对摩面上形成高度定向的纤维，从而使摩擦减小;(2>由范得华力和库仑力作用产生的转移膜;(3>由粘着导致转移，当聚合物与另一固体表面密切接触时，界面上的原子或分子将发生交互作用，使两接触表面发生粘着。当粘着点发生切向断裂时，断裂总是发生在原子结合力较弱的聚合物内，使一部分聚合物转移到了与之配对的金属表面。这个过程多次重复后，则会在金属表面形成聚合物薄层，即转移膜。相应地聚合物本体则逐渐被磨损;(4>大分子的扩散与迁移，聚合物表层由于摩擦热而熔融，大分子的支链、链段乃至大分子越过界面扩散与迁移至对摩面上。

五、转移一依附理论

  转移膜只能在金属表面与聚合物直接接触的微小点上才会有，而依附层铺展于真实接触点的周围，厚薄不均，依附不甚牢固，可以随时脱离又有新的屑充塞积聚。它的形成改善了对摩面的粗糙度，它的存在也为转移膜的形成准备有利条件，改善了摩擦条件。这是人们在研究聚四氟乙烯((PTFE)与金属对磨的摩擦规律时发现的特殊行为。

六、定向论

  这种理论认为，聚合物表面在摩擦时聚合物本体会沿着相对运动方向产生定向，从而使后来的运动阻力减小。由于高分子材料在无定形区存在缺陷，在摩擦过程中表面高分子链会发生断裂，缠结部分在力的作用下容易解开，有利于进一步取向，从而有利于减小摩擦。

七、气体润滑说

  气体润滑说认为高聚物在高速高载荷下工作时，由于温度高，表面软化甚至熔融。这时摩擦与磨损都将随着滑动速度升高而降低，这是因为聚合物表面分解产生一些气体起润滑作用，是摩擦磨损降低。

八、吸湿减摩论

  聚合物材料能够吸收环境中的水分或者潮气等，使之成为润滑剂，使干摩擦变成了在润滑情况下的摩擦。其中以尼龙最有代表性。尼龙吸收环境中水分后能够同水形成氢键，极性基团的长链分子以单分子层方式吸附在尼龙表面上，成为边界润滑剂，使摩擦系数降低。但是否所有的聚合物都会吸湿而起润滑作用，作用有多大，尚无系统的研究。

九、自润滑说

   关于聚合物材料在干摩擦状态下能够自润滑的说法，可能是关于它的摩擦特性传播最为广泛的一种提法，但却又没有一个完整、确切而又被普遍认识到的描述。

  摩擦行为包含一种或几种摩擦机理，一种摩擦机理也不可能解释所有的摩擦现象。摩擦力由三方面的影响决定，即表面凸峰的变形、磨粒及硬凸峰的犁切和平坦部分的粘着。摩擦系数不是一个固有的材料性质。犁切及凸峰变形对摩擦系数的影响可能比粘着大。

  综上所述，为了阐明摩擦的本质，科学家们提出了各种各样的理论，但至今未能形成一种统一的理论，而这些理论仍在进一步的发展与完善之中。