第五章-高分子材料表面摩擦磨损课件

第六章聚合物表面摩擦磨损1本章主要介绍:

聚合物表面摩擦性能聚合物表面磨损性能概念:黏着摩擦和变形摩擦磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和氧化磨损2聚合物的摩擦理论3摩擦是一种在生活和工作中常见的自然现象。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量

节省能源。摩擦学（tribology)是研究相对运动接触表面的科学和技术，包括摩擦(friction

)、磨损(wear)和润滑（lubrication）三个分支。（材料的三大失效：腐蚀、疲劳和磨损）摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。摩擦 是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；磨损 是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；润滑 是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。4摩擦（Friction）的定义相对运动（或有相对运动趋势）的物体，在接触表面上的阻碍相对运动的现象。当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力。5摩擦副(frictionpair)：接触表面作相对运动的两个物体组成的系统。摩擦面：和另外的表面处于运动状态接触或受到冲击或气穴作用的物体。每个摩擦组元可含一个或多个摩擦面。阿蒙顿定律：1）摩擦力与法向力成正比；2）摩擦力与两物体接触面积的大小无关。6摩擦有利也有害。在多数情况下是不利的。如机器运转时的摩擦，造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短，并降低了机械效率。因此常用各种方法减少摩擦，如在机器中加润滑油等。但摩擦又是不可缺少的，如人的行走，汽车的行驶都必须依靠地面与脚和车轮的摩擦。在泥泞的道路上，因摩擦太小走路就很困难，且易滑倒，汽车的车轮也会出现空转，即车轮转动而车厢并不前进。所以，在某些情况下又必须设法增大摩擦，如在太滑的路上撒上一些炉灰或沙土，车轮上加挂防滑链等。7关于穿什么样的泳衣游得更快，人们已探索了

许多年。泳者在水中遇到的阻力，与水的密度、泳者的正面面积、摩擦系数及泳者速度的平方

成正比，因此减少正面面积和摩擦系数是设计

低阻力泳衣的关键。8鲨鱼皮泳衣是人们根据其外形特征起的绰号，其实它有着更加响亮的名字：快皮，它的核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤。生物学家发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。快皮的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面制成的。实验表明，快皮的纤维可以减少3%水的阻力，这在

1%秒就能决定胜负的游泳比赛中有着非凡意义。9显微镜下的鲨鱼皮肤鲨鱼皮泳衣的结构，V字型可以减少游泳时水流带来的阻力。10人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类的钻木取火。对摩擦的科学研究始于十五世纪的达芬奇：1508年，达·芬奇（Leonardo

da

Vinci，1452-1519）使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量了水平和斜面上物体间的摩擦力，他得出了等重物体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论，并首先引入了摩擦系数的概念。该系数定义为摩擦力和垂直载荷的比值，即μ=F/P。他的结论是：“每一个摩擦物体所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一。”当时他使用的材料大多为硬木或铁与硬木的组合，他的结论对于这些材料来说还是比较符合实际的。111785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。121．凹凸啮合说：是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论，啮合说认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的。两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相碰撞，产生断裂、摩损，就形成了对运动的阻碍。2．粘附说：这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论。认为两个表面抛得很光的金属，摩擦会增大，可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将增

大来解释。13近代摩擦粘附论认为：两个互相接触的表面，无论做得

多么光滑，在原子尺度还是粗糙的，有许多微小的凸起；两表面接触时微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的部

分接触面间有10-8m或更大的间隙。接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力。如果这个压力很小，微凸

起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过某一

数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性

限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，互相接触的两个

物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合。这时

要使两个彼比接触的表面发生相对滑动，必须对其中的

一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子）间的引

力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦。14摩擦学研究的对象很广泛：15在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海断层形成等。16聚合物的摩擦理论概述聚合物与另一种固体接触后相对滑动所产生的摩擦过程是一个复杂过程，其主要包括黏着摩擦和变形摩擦。当一个粗糙的刚性物体在聚合物上滑动时，摩擦功一般消耗在两个区域：界面区（与两者的真实接触面积相关，厚度大约100nm）和内聚区（与两者的宏观接触面积相关）17在界面区，由黏着作用产生的应力造成聚合物非常局限的界面剪切，引起黏着摩擦，在黏着摩擦过程中，剪切黏着接点消耗了能量。在内聚区，由几何齿合作用产生的应力造成聚合物相当大的体积变形，引起变形摩擦，在变形摩擦过程中，滞后作用消耗能量。18聚合物摩擦一般分别分析黏着摩擦和变形摩擦，然后用简单加和法求得总的摩擦力。19聚合物的摩擦系数的影响因素：负荷、速度和温度等滑动条件，以及环境气氛与介质等。若滑动速度高，生热多，散热不良，摩擦系数也可能突然增大。聚合物的黏弹性使其形变性质与速率有关，也使摩擦系数随速度的改变而改变。非晶态或交联聚合物的变化较小，部分结晶的热塑性聚合物变化较大。低负载下摩擦系数增大是由于摩擦生热，软化引起实际接触面积增大；在高负载下，由于局部表面熔化的润滑作用减小摩擦。20周围环境也影响滑动过程中形成的黏着接点的强度，但一般对聚合物的影响要比对金属的影响小得多。如：PE、Nylon等线性结晶热塑性聚合物的摩擦在空气中、惰性气体或真空中仅有很小的差异；但PS、PMMA等非晶态热塑性聚合物及交联热固性树脂的摩擦在真空中要比在空气中大50%左右。常用的有机界面润滑剂对聚合物的减小摩擦的作用不如对金属有效。21高分子基自润滑材料常见的减摩用聚合物有:聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)等。由于聚合物本身具有较低的摩擦系数，优良的机械性能及耐腐蚀性等优点，特别是各种填料的加入使其耐磨性显著提高，正在被广泛的应用到减摩领域。22聚酰亚胺(PI)

由于分子主链中具有十分稳定的酰亚胺的芳杂环结构,使它具有其他高聚物无法比拟的优异性能。如：耐热性和耐辐照性好，在高温、高真空及辐照下稳定，挥发物少。其中热塑性PI的长期使用温度一般在240-260℃，热固性PI的长期使用温度可达到300℃以上。PI的摩擦性能仅次于聚四氟乙烯(

PTFE)，在干摩擦下与金属对摩时，可以向对摩面发生转移，起到自润滑作用，并且静摩擦系数与动摩擦系数很接近，防止爬行的能力好。23对PI进行改性：24通过离子注入的方法对PI进行改性，来提高材料的耐磨性，如将Fe3+离子注入芳香PI薄膜，结果降低了钢对PI膜的摩擦系数。这是由于，离子加入可以有效的改善PI膜的自润滑性能，可以提高聚合物的硬度，增大交联度，降低其与钢摩擦时的粘着，从而提高聚合物的耐磨性。此外，离子注入过程中通常会在被注入物质的表面形成一层极薄的无定型碳膜，同时也起到一定的润滑作用。所得复合材料除了具有优异的摩擦磨损性能外，还具有良好的机械性能，常用来制作耐高温和高真空的自润滑轴承、压缩机活塞环、密封圈和齿轮等。聚四氟乙烯(

PTFE)

是研究较早的耐热性聚合物，其分子结构规整，静摩擦系数可达0.04，是已知的可实用的滑动材料中摩擦系数最小的。当PTFE与其它物体对摩时，由于PTFE大分子容易被拉出结晶区,因而在摩擦之初就向对摩面转移，以库伦力和范德华力在对摩面上形成一层20～30nm厚的薄膜，这层薄膜的大分子按滑动方向高度取向，从而摩擦系数很低。另外，在摩擦过程中还会发生摩擦化学反应，能够影响转移膜的生成及其完整性。25由于PTFE的表面能极低，其转移膜在对摩面上的附

着性较差，导致PTFE做摩擦材料时具有严重的磨损。同时，由于PTFE的弹性模量小，线膨胀系数大，承

载能力低，使其作为摩擦件使用受到了限制。目前对PTFE 进行改性的方法主要有两个方面：一方面，通过碱金属溶液、辉光放电以及等离子体对PTFE材料表面进行改性处理；另一方面，通过向PTFE内填充纤维、无机粉末和有机高分子填料完成改性。这些填料的加入，除了提高了PTFE 的耐磨性以外，还可以提高其硬度和刚度，使制品具有良好的抗蠕变性和尺寸稳定性。26聚四氟乙烯自润滑复合材料在常规环境下具有较优异的摩擦磨损性能，因而它的应用范围比较广泛，可以作为轴承、导轨、滚动轴承保持架、活塞环和叶片等。需要指出的是，通常所说的PTFE的摩擦系数为0.04，是指PTFE自摩擦时，而且是在新打磨的表面上以低于0.011m/s 的速度进行滑移时才能获得的。在0.5-4m/s 的速度范围内，PTFE的摩擦系数为0.2左右，并不低。另外，PTFE基自润滑复合材料与金属相比，存在线膨胀系数较大、导热性较差的缺陷。27PEEK

(polyetheretherketone

)的应用28PEEK是继PTFE后又一类倍受欢迎的耐磨减摩材料，

与PTFE相比，其承载能力和耐磨性有了很大的提高，温度对其摩擦磨损性能及机械性能影响不大。这类

自润滑复合材料可用于制作飞机上的耐热、耐有机

溶剂的连接件，汽车轴承支架、活塞密封、发动机

的传动装置，精密电子设备等零部件。但由于PEEK本身的价格高且成型加工困难，在普通的工程应用

受到了很大的限制。PEEK 是一种半晶态热塑性聚合物，具有良好机械性能、抗化学腐蚀性和抗辐射性，显著的热稳定性和耐磨性。它可以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等恶劣环境下使用。为了改善其机械性能，尤其是摩擦学性能，常在其中添加聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN) 和碳纤维(FC)等材料，也可添加颗粒增强型材料，或进行特种表面处理(等离子体处理等)。当PEEK及其复合材料与金属材料相互对磨时，通常在金属表面形成聚合物转移膜，其结构、成分均与原有的聚合物及复合材料不同，其性能、厚度及连续程度均对摩擦副的摩擦学性能有重大影响。29超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)工程塑料具有优异的物理和机械性能，其机械强度高、硬度高、摩擦系数小、耐磨性能极佳，在欧美各国受到高度重视，有“惊异塑料”之称，能替代金属材料在离心泵和轴承等机械领域中广泛应用。在玻璃化温度以下，UHMW-PE的摩擦系数随温度升高而变大；在玻璃化温度以上，摩擦系数随温度升高而变小；当温度很高时，材料表层熔化导致摩擦系数很低。摩擦系数随相对湿度的增大而略有降低，这可能是由于UHMW-PE的吸水性很低，同时水对UHMW-PE具有润滑作用的缘故。30由于聚乙烯的耐热性不高，硬度低、对热较敏感、易蠕变，单一的聚乙烯材料往往难于满足受载、高速等特殊工况条件的要求，往往需要通过共混复合进行改性。采用填料对UHMW-PE进行改性，发现玻璃纤维等填

料的加入，不仅使UHMW-PE获得较高刚性,同时又降低表面剪切强度，因而能有效减小UHMW-PE的摩擦

和磨损。填料对UHMW-PE的摩擦磨损性能影响如下：①添加玻璃纤维使摩擦系数增大；②随着填料比例的增加磨损量减少；③添加碳纤维对摩擦系数几乎没有影响；④添加石墨、MoS2、聚四氟乙烯可使摩擦系数变小。31固体润滑剂的选择减摩性树脂基复合材料可以利用含油树脂或添加固体润滑剂来提高其减摩自润滑性能。常用的固体润滑剂有石墨、MoS2、WS2、PTFE、铅、氧化铅等无机物、有机物以及软金属。这些材料本身一般都具有低剪切强度和低摩擦系数，且容易在摩擦偶件的滑动表面形成牢固的固体润滑膜层。32材料的三大失效：腐蚀、疲劳和磨损33磨损是发生在作相对运动的相互作用表面上的一种复杂现象。由于材料的耐磨性不像力学性能、物理性能和化学性能那样属于材料固有的性能，而是受到摩擦学系统一系列接触条件、工况、环境、介质等多方面因素的影响，而成为一个系统的性能。材料磨损理论是专门研究材料的磨损失效形式、磨损机理、影响磨损的因素、磨损的监视与监控方法、耐磨材料以及耐磨表面技术的新学科，涉及到机械、物理、冶金和化学等诸多学科。但至今对它的认识基本上仍是经验性的.内容:磨损的定义和分类磨损评定参数粘着磨损磨料磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损就聚合物而言，除此之外还涉及蠕变磨损和老化磨损等。34磨损有益的：机器在跑合（Running-in）阶段的磨损、研磨、抛光、磨削等加工。有害的：材料（80%零件失效）损耗能源（1/3-1/2）消耗35磨损的定义和分类36磨损下一个严格的定义并非易事。英国机械工程师学会所下的定义是“由于机械作用而造成物体表面材料的逐渐损耗”，这似乎排除了电和化学作用所产生的作用。克拉孟尔斯基所下的定义是“由于摩擦结合力反复扰动而造成的材料的破坏”，显然过分强调疲劳的作用。较完善的定义：任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象，称为磨损（WEAR）。包括：Single-sided

Wear，Double-sided

Wear。由于磨损的复杂性，不同学者提出了不同的分类方法，至今尚无统一的分类方法。1957年比尤维尔(Burwell)提出按照磨损机制进行分类。把磨损分成粘着磨损（Adhesive

wear）、磨粒磨损（Abrasive

wear）、腐蚀磨损（Corrosive

wear）与表面疲劳磨损（SurfaceFatigue

wear）等。371979年德国标准化协会(German

Institute

forStandardization)公布了磨损标准(DIN50-320“磨损”)。按下述几方面对磨损进行了分类：磨损中所包含的材料(固体、液体等)；摩擦学作用力的动力学类型(滑动、滚动、冲击等)；界面磨损的机制(粘着、磨粒、表面疲劳等)。根据DIN50-320，磨损机制主要分成四种：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳及摩擦-化学反应(Tribo—Chemical

Reactions)。38磨损研究的对象虽然只是材料表面层破坏失效的问题，但要把这个薄层内的问题研究清楚，是非常复杂和困难的任务。表面层的厚度只有几个纳米到几十微米的量级，对这个

薄层的组织和性能进行分析测定需要特殊的方法与手段；更主要的是它涉及到很多学科和一系列的影响因素：涉及到固体力学、流体力学、表面物理、表面化学、冶金学、材料学、机械学等学科；影响因素则包括载荷、速度、温度、润滑剂类型及特性、环境介质、结构设计、接触面粗糙度、所用材料类型、组织结构及性能等等。3940粘着磨损41粘着：当一固体材料在另一个固体材料表面上滑动或压

在其表面上时，由于分子力的作用使两个表面发生焊合，当施加的外力大于焊合点的结合力将两表面拉开时，剪

切一般发生在强度较低的固体材料一面，在强度较高材

料的表面将粘附有强度较低的材料。粘着磨损实际是相互接触表面上的微凸体不断形成粘着

结点和结点断裂并形成磨屑而导致摩擦表面破坏的过程。当两种聚合物材料滑动接触时，内聚力较弱的聚合

物会粘着转移到内聚力较强的聚合物上，产生粘着

磨损；当聚合物材料与金属对磨时，剪切强度远小

于金属的聚合物材料表面受到损伤，形成转移膜、

依附膜及磨屑。可以有效地保护金属材料不受磨损。粘着磨损与对磨材料的性质、温度、法向载荷等有关,当温度接近材料的玻璃化温度时，聚合物材料本体强度下降，甚至小于界面的剪切强度，可能有聚合物材料的团块转移到对磨面上，造成材料严重损伤。42粘着磨损分类：(根据摩擦表面的破坏程度)43轻微磨损：发生在摩擦初期，如机器跑合；程度决定于载荷和速度；剪切破坏发生在粘结点上端，表面材料的转移轻微；涂抹(Smearing)：金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面的现象；擦伤(Scratching)：沿滑动方向产生细小抓痕的现象；划伤(Scoring)：在滑动表面之间，局部产生固相焊合(Solidphase

welding)时，沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象；胶合(Scuffing)：在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部熔焊的现象；咬死(Seizure)：由于界面的摩擦使相对运动停止的现

象。

磨料磨损44在欧洲合作与发展组织(OECD)编定的摩擦学术语对磨料磨损下的定义为：“由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损”。对磨料磨损的分类方法也很多。许多文献经常引用的是

Avery和Rigney的分类方法（表2-6）；也采用不同的系统特性来分类（表2-7）。磨料磨损很少是一种单一的磨损机制所引起，而经常是多种磨损机制综合作用的结果。而且，随着磨损条件的变化，可以从一种磨损机制转化成另一种磨损机制。在工业领域，磨料磨损是最主要的一种磨损类型，约占50％。在磨料磨损过程中，形成磨屑的机制主要有两种：45一．由塑性变形机制引起的去除过程。当磨料与塑性材料表面接触时，主要会发生两种主要的材料去除过程(图2-9)。犁沟：材料受磨损的挤压向两侧产生隆起。并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次切屑。微观切削：材料在磨料作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可直接造成材料去除，形成一次切屑。46二．由断裂机制引起的去除过程。47这种过程在脆性材料中显得特别重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它们对于断裂破坏十分敏感。图2-11表示由于断裂机制形成径向、中间及横向裂纹的示意图。当施加载荷较大、磨料尖锐以及材料的断裂韧度与硬度的比值愈低时，材料愈趋向于压痕断裂。材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度。如果压痕深度大于产生断裂的临界深度时，材料因断裂机制产生的去除过程就会优先发生。48三. 在磨料磨损过程中两种机制的转换无论是塑性材料或脆性材料，都可能发生塑性变形及断裂两种机制。只是由于磨损环境条件及材料特性不同，某一种磨损机制会占主导地位，而且常常随条件的变化发生一种磨损机制向另一种磨损机制的转换。应当指出，断裂机制要比塑性交形造成的材料损失大得多。49实际的磨料磨损过程是一个复杂的多种因素综合作用的摩擦学系统。利用系统分析方法可以较为清楚地考察各个组元及其相互作用以及环境条件的影响。图2-13表示了在磨料磨损系统结构中各种影响因素及其主要参数。5051磨料形状(尖锐度)对磨料磨损过程也有明显的影响。由于各种磨料的形状难以测量和定量区别，一般仅定性的将磨料形状分为三种典型类型：即尖锐型、多角型和圆型。52表面疲劳磨损53由于交变应力使表面材料疲劳而产生物质的转移称为疲

劳磨损，也定义为“当两个接触体相对波动或滑动时，

在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以上的材

料断裂剥落下来的磨损过程”。疲劳磨损的最普遍形式是出现在呈波动接触的机器零件表面上，如滚动轴承、齿轮、轧辊等，其典型特征为点蚀及剥落，这种形式的磨损也常称为接触疲劳。疲劳磨损有点蚀、剥落、剥层与擦伤。也有人根

据疲劳磨损的表面特征及磨损的发生、发展过程，将疲劳磨损分为点蚀、浅层剥落和硬化层剥落。点蚀与剥落是机器零件表面上接触疲劳损伤的典型特征。点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展(与表面成10-30度角)，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即成点蚀，因此单个的点蚀坑的表面形貌常表现为“扇形”或“贝壳形”。54剥落裂纹一般起源于亚表居内部较深的层次(如可达几百微米)，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑。一般认为，剥落裂纹是由亚表层的循环切应力引起的。55腐蚀磨损56腐蚀磨损是指在磨损过程中物体表面与周围环境的化学或电化学反应起主要作用时的磨损现象。强烈变形区往往具有较高的位错密度和腐蚀活性，在电化学腐蚀过程中将成为阳极而其余部位成为阴极，构成所谓“应变差电池”。这种塑性变形可使腐蚀速度提高两个数量级左右。根据腐蚀介质的性质，可将腐蚀磨损分为两大类：

1．化学腐蚀磨损2．电化学腐蚀磨损机械磨损部件在同一摩擦过程中，摩擦磨损与摩擦修复往往同时存在，两者不平衡时表现为磨损或负磨损,平衡时则表现为“零磨损”，而极不平衡时则表现为熔焊或胶合。摩擦磨损的自适应、自修复是材料学和摩