[发明专利]固体材料滑动摩擦系数精密测定法

说明书

本发明涉及一种精密测定固体摩擦材料摩擦系数的方法。它适用于各种固体材料，尤其适用于聚合物类材料。

摩擦系数作为摩擦材料的一个重要参数，是评价材料减摩自润滑性能的唯一标准。但由于摩擦系数受接触面温度、接触应力、相对滑动速度、表面粗糙度以及接触表面间相互物化反应等因素的影响，因而，根据现有摩擦试验机的测试条件及对样品形状的要求，其测定的均是摩擦系数的平均值。该值通常是材料摩擦系数的稳态平均值且在摩擦曲线图上呈一定宽度，它所反映的是界面温度、应力、相对滑动速度、表面粗糙度及二体表面物化反应等综合作用结果。当不同材料进行摩擦性能相互比较时，由于上述诸因素的作用程度不同，因而所比较的量只是在一定条件下多种因素综合影响结果。因此，摩擦系数还不能完全作为材料的真实特性来评定。

为得到可相互比较的摩擦系数，则必须将上述因素的影响降至最低，甚至可忽略不计的程度。在极低速度和低负荷条件下测定材料的滑动摩擦系数，Tabor等认为可将温度效应、应力应变效应、相对滑动速度的影响忽略不计。许多研究结果均表明，当负荷及速度很低时，对偶面会形成一极薄的转移膜，转移膜的厚度在纳米(nm)量级，例如PTFE在不锈钢的表面上的转移膜厚度仅为0.06～0.08nm。因而，可以认为接触表面上很快达到物化反应平衡。此时对摩擦系数影响的关键因素则在于材料表面粗糙度。在低速、低负荷及低温条件下测定的材料摩擦系数是材料真实摩擦系数同粗糙度影响因子之和。由于材料表面起伏无规律，微凸体形状无规律，当摩擦对偶滑过或跨过微凸体时就造成了摩擦系数的起伏变化无常。因而用平均值方法来计算呈一定宽度的摩擦系数在某种程度上讲是不精确的。

本发明的目的在于提供一种能够精确反映材料性能的摩擦系数测定方法。

本发明的目的是通过下述方法来实现的：

一种固体材料滑动摩擦系数测定方法，它包括下列步骤：

(1)在被测样品的被测面上，原始成型或加工出凹弧槽，凹弧槽的宽度应小于弧槽曲率半径，即弧槽边缘到弧的圆心与到另一边缘的夹角θ应满足60°＜θ＜90°；

(2)用对偶球作为上试样，其半径小于凹弧槽曲率半径；

(3)在保证所加负荷的应力小于被测样品成型应力(对聚合物材料而言)或塑性形变应力(对弹性材料而言)的条件下，使球以低于1.0厘米/秒的水平速度从样品平面运动到弧面再进入平面进行接触滑动；

(4)通过单向或双向往复运动，在能够保持恒定水平速度的测定样品滑动摩擦系数的试验机上，双向完整的记录摩擦系数变化。

(5)计算测量结果

上述测试方法的优选测试条件为：

凹弧槽曲率半径R：＞3毫米

对偶球曲率半径r：0.5～2.5毫米

负荷：           0.1～1.5牛顿

水平滑动速度：   0.1～2.0毫米/秒

图1为摩擦原理图

图2为摩擦系数谱图

下面结合各附图详细说明本发明的实施方案。

图1为本发明的测量原理图。在被测固体表面成型一曲率半径为R的水平圆弧槽，槽宽为L。上试样为球，其曲率半径为r，且有R＞r，圆弧槽与被测样品表面的边界线为a和b。N为弧面对球r的支承力，G为所加载荷，f为摩擦力。当球r滑动到圆弧边缘a点时，球面与a点发生相对滑动，可以看作是a在球r表面滑动，此时摩擦力的方向及大小均发生连续变化，也就是正压力N的方向向圆弧的圆心逐渐倾斜且大小随倾斜程度的增加而变小。当圆弧圆心、球r的球心及a点三点成一条线时，此时N最小，f也最小。按受力分析可知：Fa＝fa sinθ-Na cosθ。

F是仪器显示摩擦系数的依据。这是因为水平方向上为匀速直线运动，该方向上合外力为O。水平条件时F＝f，进入圆弧后又出现了N cosθ分量。仪器测量值实际上是μ_a＝Fa/G，而不是真实值μ_o＝Fa/Na。所以在a点附近有：μ_a＝(fa sinθ-Na cosθ)/G由此式还可看出，由fa、Na及θ的相互关系，μ_a有可能出现负值，即反向摩擦力，这已在试验中得到证实。

当球滑动到b点时则有：μ_b＝(fb sinθ+N_b cosθ)/G从整个过程来看，μ_a最小，μ_b最大。且摩擦系数连续变化。