(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 廣東廣州 510640)

摩擦表面的接觸問(wèn)題和摩擦性能的影響因素一直是摩擦學(xué)的重要課題。在此之前，對(duì)影響摩擦因數(shù)因素的考慮，主要有摩擦副材料性質(zhì)、表面膜、載荷大小、加載速度、滑動(dòng)摩擦、靜止接觸時(shí)間和溫度等。從古至今，學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究已經(jīng)得出了許多摩擦理論，如：摩擦因數(shù)隨著加載速度增加而增加，這主要是由于摩擦表面處于彈塑性接觸狀態(tài)；一般情況下，摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)速度的變化而變化，這是由于滑動(dòng)速度引起了摩擦副表面層發(fā)熱、變形、磨損和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。這些研究成果一般都是在大氣環(huán)境下得出來(lái)的[1]。

隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)真空環(huán)境下摩擦規(guī)律的需求日益增大。當(dāng)前，學(xué)者們對(duì)于真空摩擦領(lǐng)域的研究主要集中在特定的摩擦副材料在真空環(huán)境下的摩擦性能，其中包括摩擦因數(shù)、磨損性能等。學(xué)者們大多都在力求發(fā)現(xiàn)或者制備在真空環(huán)境下有更好摩擦性能的材料,如李斐等人[2]研究Fe3Al/WS2復(fù)合材料在真空環(huán)境下的摩擦性能,得出向Fe3Al中添加一定量的WS2能降低其摩擦因數(shù)的結(jié)論；李浩等人[3]對(duì)真空環(huán)境下的MoS2/Ti復(fù)合材料進(jìn)行了摩擦分析，得出MoS2/Ti復(fù)合薄膜在真空環(huán)境下由于活性位點(diǎn)的黏滯作用容易失效；甄文柱和梁波[4]對(duì)MoS2/Cu基復(fù)合涂層真空摩擦磨損性能進(jìn)行了研究；喬誼正和王健琨[5]對(duì)聚四氟乙烯在真空條件下摩擦特性進(jìn)行了研究。此外，學(xué)者們?cè)谡婵窄h(huán)境下還對(duì)金剛石、碳化鎢、氮化硅等材料的摩擦性能進(jìn)行了研究[6-15]。由此可見(jiàn)，目前真空摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究方向主要是在具有一定真空度條件下各種特定的復(fù)合或者合成材料在摩擦、磨損等方面的摩擦性能。

著名的馬德堡實(shí)驗(yàn)證明了大氣壓的存在，并揭示了大氣壓對(duì)半球有巨大的法向載荷的作用。那么該實(shí)驗(yàn)中，將球切向拉開(kāi)需要多大的力，這些力在不同的真空度下有什么規(guī)律，這些問(wèn)題尚不明確。本文作者通過(guò)測(cè)量不同真空度下半球接觸面間的摩擦力，探索其摩擦規(guī)律。

1 理論模型

測(cè)量摩擦力最直接的方法是利用測(cè)力計(jì)推或拉動(dòng)物體，當(dāng)物體剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)力計(jì)的峰值即為摩擦力的大小。

如圖1所示的半球模型，以半球和有機(jī)玻璃平板接觸構(gòu)成摩擦副，將整個(gè)半球模型放在大氣壓下，半球內(nèi)是具有一定真空度的真空環(huán)境，則半球內(nèi)外會(huì)形成壓力差，壓力差和板的重力使得支撐面有正壓力W，在測(cè)量過(guò)程中，施加推力T推動(dòng)板，直到板剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。由模型的受力分析可得摩擦力F為

T=F

(1)

支撐面的正壓力W為

W=G+p0A0-p1A1-p2(A2-Ar)

(2)

式中：p0是大氣壓；A0是大氣壓的作用面積，即為半球外截面積；p1是半球內(nèi)的真空氣壓；A1是p1的作用面積,即半球的內(nèi)截面積;由于氣體可進(jìn)入到接觸面間隙，則在圓環(huán)接觸面間會(huì)有一些氣體，則在接觸面間隙會(huì)存在氣壓p2;A2是圓環(huán)的面積;Ar是圓環(huán)接觸面間的實(shí)際接觸面積。

由于接觸面間隙很小，進(jìn)入間隙的氣體分子較少，則可忽略間隙的氣壓p2的變化，并假設(shè)p2與半球內(nèi)真空的氣壓p1相同，即p2=p1。由于實(shí)際接觸面積占名義接觸面積很小一部分，占比在0.01%～0.1%之間[16]，則可認(rèn)為p2作用于整個(gè)圓環(huán)面，則式(2)可簡(jiǎn)化為

W=G+(p0-p1)A0

(3)

記Δp=p0-p1，由庫(kù)侖摩擦定律F=fW可得摩擦力：

F=fW=f(G+ΔpA0)

(4)

則可得出靜摩擦因數(shù)：

(5)

下面通過(guò)不同真空度下接觸界面氣體分子密度的差異對(duì)靜摩擦因數(shù)的變化進(jìn)行分析。

如圖2和圖3所示，模擬摩擦副接觸模型和圓環(huán)接觸面的微觀示意圖，在圓環(huán)兩側(cè)分別是大氣壓和真空，氣體分子可進(jìn)入間隙。

圖2和圖3顯示，在不同真空度下，接觸面間的氣體分子數(shù)有一些差異，真空度越大，圓環(huán)接觸面間隙氣體分子密度越小，氣體分子間及氣體與固體分子間的黏附作用減小，則摩擦副表面的摩擦力F要低于由于大氣壓力增大而同比例增大的理論摩擦力，由式(5)可知，靜摩擦因數(shù)會(huì)減小。而隨著真空度繼續(xù)增大，材料的變形程度會(huì)加大，使得固體分子間的黏附作用增大，這又會(huì)抑制其靜摩擦力減小，使得靜摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，甚至?xí)性龃蟮内厔?shì)。由此可以推斷出，隨著真空度的增大，靜摩擦因數(shù)先減小后趨于穩(wěn)定或有增大的趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品及儀器

由于有機(jī)玻璃平板上固定有真空表和閥門(mén)，不宜更換，實(shí)驗(yàn)中用2種不同材料的半球樣品，樣品所組成的摩擦副分別為鋁合金半球/有機(jī)玻璃平板、45鋼半球/有機(jī)玻璃平板，樣品的尺寸規(guī)格如圖4所示，其中圖4(a)所示平板上的2個(gè)孔是用來(lái)安裝真空表和閥門(mén)的。實(shí)驗(yàn)采用半球和有機(jī)玻璃平板接觸形成密閉空間，在板上安裝有閥門(mén)，利用真空泵將半球中的空氣抽出形成具有一定真空度的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量摩擦力，為了減小轉(zhuǎn)矩對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可利用一個(gè)鋁合金的托板將半球拖住，且托板沒(méi)有與有機(jī)玻璃平板接觸，并將托板放在墊塊上，保持水平。實(shí)驗(yàn)用的測(cè)力工具是量程為1 kN的數(shù)顯推拉力計(jì)，該測(cè)力計(jì)能測(cè)出測(cè)量過(guò)程中的峰值。在測(cè)量過(guò)程中，峰值即為半球和有機(jī)玻璃平板剛相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。為了便于測(cè)量；半球不易過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致摩擦力過(guò)大而難以測(cè)量；半球也不能過(guò)小，過(guò)小則操作不便，半球外徑在100～120 mm時(shí)較為合適。

2.2 測(cè)量原理與方法

測(cè)試原理如圖1所示，具體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物見(jiàn)圖5，將半球放在有機(jī)玻璃平板的下方(被遮擋)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有均勻分布的螺絲孔，利用定位螺絲釘將安放有半球的托板固定住，即在托板前面裝上兩顆螺絲釘。這樣在測(cè)量過(guò)程中只需推動(dòng)有機(jī)玻璃平板即可。將測(cè)力計(jì)固定在絲杠上，絲杠能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。另外，實(shí)驗(yàn)中，利用干燥劑干燥吸收測(cè)量環(huán)境周?chē)諝獾乃郑员ＷC接觸面屬于干摩擦類(lèi)型，排除其他黏附物的影響，直到濕度計(jì)達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值。測(cè)量過(guò)程中，只用轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿，絲杠會(huì)推動(dòng)固定在其上的推拉力計(jì)，直到有機(jī)玻璃平板剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)為止，實(shí)驗(yàn)保持真空泵打開(kāi)狀態(tài)維持半球內(nèi)的真空度，利用閥門(mén)的開(kāi)閉程度來(lái)控制密閉空間的真空度，記錄測(cè)力計(jì)中的峰值(峰值即為摩擦力)，多次測(cè)量取平均值。

2.3 實(shí)驗(yàn)樣品的表面形貌與硬度范圍

圖4中的半球接觸區(qū)域的表面形貌用表面輪廓儀進(jìn)行測(cè)量，如圖6和圖7所示。其中，圖6、圖7分別為鋁合金半球、45鋼半球接觸區(qū)域表面形貌圖。

從兩摩擦副材料的表面形貌圖可以明顯看出，鋁合金的微觀幾何形狀誤差較45鋼更大[1]，即表面更粗糙。通過(guò)分析，得出2種金屬的粗糙度分別為：鋁合金Ra1=6.122 7 μm，45鋼Ra2=6.098 2 μm。鋁合金的表面粗糙度更大，則在其他條件相同的情況下，鋁合金/有機(jī)玻璃摩擦副的摩擦力會(huì)更大。

表1給出了半球所用的材料的硬度范圍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得有機(jī)玻璃板的重量G=14.2 N，半球的外截面直徑D=115 mm，從真空度為-0.095 MPa到大氣壓的各摩擦力的大小F。再由式(3)可計(jì)算出不同真空度下大氣壓對(duì)支撐面的法向載荷，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

圖8和圖9顯示不同真空度下2種摩擦副表面的法向載荷、摩擦力及靜摩擦因數(shù)曲線(xiàn)圖。

如圖8和圖9所示，從右往左看，隨著真空度的增大，2種摩擦副表面摩擦力和靜摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)相似，摩擦力都是近似呈現(xiàn)線(xiàn)性增大，靜摩擦因數(shù)都呈現(xiàn)先減小，后趨于穩(wěn)定，再有回增的趨勢(shì)，這與前面理論分析相符。

根據(jù)前面理論模型分析，靜摩擦因數(shù)變化的原因可總結(jié)為：隨著真空度的增大，摩擦副圓環(huán)接觸面間隙的氣體密度減小，產(chǎn)生摩擦的氣體分子與固體分子數(shù)減少，導(dǎo)致靜摩擦因數(shù)減小;當(dāng)真空度繼續(xù)增大時(shí)，壓力差增大，摩擦副材料的變形程度有所增大，導(dǎo)致靜摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定；當(dāng)變形程度繼續(xù)增大，靜摩擦因數(shù)開(kāi)始有回增的趨勢(shì)。

由前面分析得出：靜摩擦因數(shù)變化過(guò)程中會(huì)有最小值。下面對(duì)2組摩擦副材料靜摩擦因數(shù)最小值進(jìn)行分析。

隨著真空度的增大，半球內(nèi)外的壓力差增大，這會(huì)導(dǎo)致接觸物體的材料變形增大，材料變形會(huì)抑制靜摩擦因數(shù)減小，所以靜摩擦因數(shù)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定甚至有回增的趨勢(shì)。從圖8、圖9可以得出，鋁合金半球/有機(jī)玻璃板摩擦副的靜摩擦因數(shù)大約在真空度為-0.06 MPa的位置趨于穩(wěn)定；45鋼半球/有機(jī)玻璃板摩擦副的靜摩擦因數(shù)大約在真空度為-0.07 MPa的位置趨于穩(wěn)定，即45鋼/有機(jī)玻璃板摩擦副的靜摩擦因數(shù)取得最小值所對(duì)應(yīng)的真空度較鋁合金半球的更大。這主要是圓環(huán)接觸界面間氣體密度變化和摩擦副材料變形程度對(duì)靜摩擦因數(shù)共同影響的結(jié)果，材料的變形程度與其硬度有關(guān)。從表1可以看出，45鋼的硬度比鋁合金的大，則使得鋼變形所需的大氣壓力比鋁合金要更大，則其對(duì)應(yīng)的真空度越遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

4 結(jié)論

(1)在大氣作用下，粗糙接觸摩擦副表面的摩擦力隨著真空度的增大近似呈現(xiàn)線(xiàn)性增大。

(2)對(duì)于具有壓力差的內(nèi)外粗糙接觸表面，靜摩擦因數(shù)隨著真空度的增大先減小，再趨于穩(wěn)定，后有回增的趨勢(shì)。

(3)一般情況下，對(duì)于具有壓力差的內(nèi)外粗糙接觸表面摩擦副，在不同真空度環(huán)境下，材料硬度越大，靜摩擦因數(shù)取得最小值所對(duì)應(yīng)的真空度越大。