固体材料滑动摩擦系数精密测定法
专利汇可以提供固体材料滑动摩擦系数精密测定法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是测定固体材料特别是 聚合物 材料在低速、低负荷及相对惰性 接触 面上精密滑动 摩擦系数 的一种方法。主要用于对固体 摩擦材料 的摩擦系数的准确测定。本发明的特点在于将复杂的摩擦过程减化为二点极值平均法，准确的给出材料在给定条件下的摩擦系数值。本发明为摩擦材料表面的 基础 和应用研究，提供了一种可信度高、重复性极好的摩擦系数精密测定方法；并为摩擦材料试验机的设计及利用提供了新的途径及理论依据。，下面是固体材料滑动摩擦系数精密测定法专利的具体信息内容。
1.一种固体材料滑动摩擦系数测定方法，其特征在于它包括 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或塑性形 变应力的条件下，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。
2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于圆弧曲率半径 R大于3毫米，对偶球曲率半径r为0.5～2.5毫米，负荷为0.1～ 1.5牛顿，滑动速度为0.1～2.0毫米/秒。
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μa＝Fa/G，而不是真实 值μo＝Fa/Na。所以在a点附近有：μa＝(fa sinθ-Na cosθ)/G由此 式还可看出，由fa、Na及θ的相互关系，μa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：μb＝(fb sinθ+Nb cosθ)/G从整个过程 来看，μa最小，μb最大。且摩擦系数连续变化。
设μ为材料的平面滑动摩擦系数，则根据数学推导可得到： 其中g为重力加速 度，yo是圆弧圆心到平面的高度。令
则有： ，利用该方程对μ求 解，并将负值去掉。
在低速、θ＞60°条件下，A→0，μ2cos2θ→0 则有：
根据这一原理可知，摩擦系数的测量只与a点及b点有关， 而与过程无关。当a点及b点由于受应力较大而发生塑性变形 后，只是圆弧边缘棱角钝化，该点附近的圆弧曲率并无明显变化， 其影响只是μa略增、μb略小，μ并不受影响。从a点及b点的特点 还可以看出，在该点附近，对偶球的运动形式是a点或b点沿球 面从底部向上有微小的相对滑动，所以可认为第一次滑动时的μa 及μb值反映的是对偶球新表面同样品的摩擦状况。
按上述原理及方法可绘出如图2所示的摩擦系数曲线图谱， 根据谱图上摩擦系数的最大值和最小值并乘以修正因子即可得到 被测样品的准确摩擦系数值。
由此可见，将微观无规粗糙面放大为宏观圆弧凹槽，并使摩擦 系数的测量影响因素降至最低。用二点极值法替代平均测量法，不 但真实地反映了材料对偶的摩擦特性，而且还提高了测量的准确 性和重复性。
实施例1：
按传统工艺成型PTFE+30％石墨的聚合物复合材料。聚合 物面上圆弧槽曲率半径为5mm，弧宽3.21mm。摩擦对偶球的半 径为1.5mm，材料为GCr15。摩擦条件为：日本协和静动摩擦系数 精密测量仪，滑动速度0.0295cm/s，负荷：0.5N，室温、干摩擦、单 向往复，相对湿度61％。
从曲线图2可以看出，每次往复的摩擦系数曲线非常重合，甚 至包括样品粗糙引起的摩擦系数跳跃。这说明，在该实验条件下各 种因素的影响很小，可以忽略不计。计算可知：A＝1.2×10-5， μ2cos2θ＜3.7×10-4，sin2θ＝0.90。二次循环所测摩擦系数均为 0.058。采用sin2θ修正，则样品摩擦系数为0.052。这种重复性是 常规测试所不能达到的。
实施例2：
在低速低负荷条件下测定聚合物摩擦系数同滑动速度的关 系。样品同上，摩擦条件为：日本协和静动摩擦系数精密测量仪，负 荷0.5N，室温，干摩擦，相对湿度61％，换向往复。速度分别为：0. 0295cm/s、0.0595cm/s、0.0895cm/s、0.1195cm/s、0.1495cm/s 测定值由表一列出 表一.不同滑动速度下PTFE+30％石墨的摩擦系数
(cm/s)速度： 0.0295 0.0595 0.0895 0.1195 0.1495 μ测： 0.058 0.060 0.062 0.070 0.072 μ 0.052 0.054 0.056 0.063 0.065
测定表明，PTEE+30％石墨复合材料，在低速负荷下，其摩擦 系数随速度的增加而增大。这同常规摩擦试验所测得的结果具有 相似性。
实施例3
低速低负荷下聚合物摩擦系数同负荷的关系。材料同上，摩擦 条件：日本协和静动摩擦系数精密测量仪，速度0.0595cm/s，室 温、干摩擦、相对湿度为61％，换向往复。负荷分别为：0.5N、1N、 2N、3N。 测定结果列于表二。
表二.不同负荷下PTFE+30％石墨的摩擦系数
负荷 0.5N 1N 2N 3N μ测 0.060 0.060 0.063 0.065 μ 0.54 0.54 0.057 0.059
在低速低负荷下，通常认为负荷对聚合物材料的摩擦系数没 有影响，只是在高负荷下，随负荷的增加聚合物摩擦系数会有所变 化。我们的测试结果表明，极低负荷下摩擦系数不变，而增大到一 定程度时摩擦系数略有增大。这说明聚合物相对较软，当负荷加大 时，球压入聚合物的深度增加明显，摩擦犁削分量也就有所增加。
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