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高分子材料滾動摩擦磨損學研究里程碑式的簡史
閱讀：482發布時間：2024-5-6
應該來說，人們在高分子材料摩擦學的科學研究活動幾乎與摩擦學在工程應用中的機械和材料領域一樣早得到重視。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代汽車工業中所起的重要作用。這些材料主要被用于制作輪胎和剎車片，此類機械部件在苛刻的滑動和載荷條件下工作，而且其工作環境經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分別用針和球對橡膠進行劃痕和滑動摩擦學方面的經典研究，至今此工作仍然是橡膠和彈性體摩擦學研究方面的標志性工作。
人們對非彈性體類高分子材料摩擦學的研究可以追溯到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的研究，他們還發現接觸面積與載荷成正比，因而證實了Bowden和Tabor有關金屬的摩擦學說；此工作確定了PTFE和PE的摩擦系數比較低，此研究成果為這兩種線性高分子在摩擦學中的應用打下基礎；到20世紀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可，并且人們已經開始逐漸了解一些高分子材料的基本摩擦磨損機理。
關于高分子材料摩擦學的研究在20世紀60年代和70年代得到系統開展，許多目前關于高分子摩擦學的理解都可以追溯到英國劍橋大學卡文迪許實驗室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和空間摩擦學領域得以應用，其中比較引人注意的是UHMW-PE在人工關節中的應用，而且UHMW-PE目前仍然是髖關節和膝關節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工程領域的廣泛應用，人們隨后開始進行相關材料的改性工作，加入高性能填料如增強纖維、納米粒子等可得到*高分子材料，相關的高分子材料膜、單層纖維織物等材料均已經在裝備中起關鍵作用。
材料的摩擦學行為規律有強的系統依賴性與復雜的時空特性，其表現行為不但受系統所處的速度、載荷、溫度、氣氛等條件和組成摩擦副材料的結構和性質的制約，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，其摩擦學表現行為也會相異，千變萬化的摩擦學系統就呈現出錯綜復雜的摩擦學規律。因此，尋求共性的理論規律十分困難。
而對于具有黏彈性特征的高分子材料來說，情況更加復雜。盡管如此，人們通過幾十年的努力，通過大量的試驗已經獲得了一些可靠的數據；特別是，通過嚴格控制試驗條件，獲得了在相同工況條件下的數據，這些數據盡管對應特定的條件，但我們可以通過這些數據從一個側面對材料的初步摩擦學行為進行比較，這在材料開發與應用方面具有重要作用。下面列出了一些典型的數據，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比較，表5-2為幾種常見高分子材料的摩擦系數比較。
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比較
摩擦條件 材料 | 摩擦系數 | ||
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.表中數字帶*者為已產生爬行； 2.數據是在低速低負荷下測定的 | |||
通過對表5-3中的數據比較可以看出，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，因此人們對聚四氟乙烯的研究也最多。
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