干接触时的静摩擦力的测定

1 引言

目前的报告涉及静摩擦力的问题，即如果两个表面没有粘合在一起，则作用于两个表面之间相对运动起始点的力。

考虑坐在椅子上稍微向后倾斜的人。如果他的裤子材料和椅子材料之间的静摩擦力不够大，那么这个人就会直接从椅子的座位上滑下来。电脑键盘下面的橡胶垫和它所在的桌子表面之间的情况也是如此。想象一下，如果我们打字时键盘一直滑开，那会有多不舒服。相比之下，人们不希望鼠标与其鼠标垫之间的静摩擦力值更高。同样，正是静态摩擦阻力使我们能够抓握和举起物体。在其他应用中，静摩擦力的大小可能决定系统的成败。例如，如果输送带表面与输送物体之间的静摩擦力太低，后者开始在前者上滑动，则输送带的效率和功能将受到影响。另一个例子是轮胎和道路之间的静摩擦。

在这种情况下，静摩擦会抑制轮胎在道路上的滑动，从而促进车轮的旋转运动。

精确确定给定系统的极限摩擦力或脱离力是一项相当具有挑战性的任务。它涉及到具有纳米级分辨率的力和位移的高精度测量。在此，测量设备应能够在亚微米水平上精确控制一个物体在另一个物体上的运动，同时涉及纳米到微米尺度上的力和位移的精确测量。安东·帕尔的摩擦学测量系统提供了上述所有功能。

在以下章节中，介绍了一种简单而有效的方法来确定选定系统的分离扭矩。

基础

根据物体的相对运动，摩擦力可分为三种不同形式，即静态、动态或滚动。对于大多数系统，其大小可按以下顺序排列：静摩擦>动摩擦>滚动摩擦。

虽然附着力、内聚力等因素有助于摩擦，但对于大多数固体而言，静摩擦值高于动摩擦值可以用表面粗糙度来解释。这是一个共同的特点，即使在表面上似乎是光滑的人触摸。当在电子显微镜下观察时，即使是像头发一样光滑的表面也会显示出微凹凸，见图1。

图1：作者的一缕头发的扫描电镜显微照片。

两个物体在微观水平上的接触主要发生在它们的表面粗糙度之间，如图2所示。在静止状态下，这些微凸体可能互锁，并在运动开始时产生额外的摩擦阻力。在运动过程中，这些微凸体由于磨损和/或塑性变形而变得均匀，从而导致摩擦阻力降低。

图2：表面微凸体之间的接触示意图

根据牛顿第一定律，静止的物体将保持静止，除非受到不平衡外力的作用。因此，为了使静止的物体运动，施加的外力应足以克服其静态摩擦阻力。该量通常称为分离力，相应的摩擦力值称为极限摩擦力。如前所述，该值在许多应用中非常重要，包括摩擦涂层、触觉等。

2 试验设置

试验在Anton Paar的MCR上进行，三板球配置，见图4，温度控制为对流热辐射控温附件(CTD)，球固定在旋转轴上，当降低时，与固定在试验设备下部的板接触。在整个试验过程中，板保持静止。

图3：三板球附件示意图

图4：带有平板的样品架和带有球形样品的测量轴。

2.1 测试方法

分离力(在这种特殊情况下为分离扭矩)是通过振荡测量确定的。在此，当扭矩从10-3 mNm的起始值对数增加到50 mNm时，轴以恒定的Hz频率振荡。当施加的扭矩超过分离值时，可以观察到随后的移动，即偏转角度或滑动距离中的射程。一旦偏转角度超过20度，试验即停止。开始试验前，将钢球缓慢地与板接触。在初始接触期间，最大法向力限制为0.3 N。然后逐渐施加5 N的摩擦学法向力(FN，Tribo)。系统在此负载下保持15分钟。该步骤允许系统从施加的载荷引起的应力中放松。

表1：测试方法

2.2 样品

本研究中使用的样本列表如下表2所示。选择这些材料是因为它们的机械性能(如硬度、弹性模量等)差异很大，这将影响它们的摩擦学性能。试验前，用异丙醇冲洗试样表面，以去除异物和有机物。

表2：研究中测试材料列表

3 结果和讨论

当样品接触时，其表面微凸体互锁，并提供第2节前面提到的相对运动阻力。当扭矩在试验过程中逐渐增加时，会导致角挠度的相应变化。然而，只有当施加的扭矩超过限制运动的极限摩擦力时，才能观察到宏观喘振。这一现象如下图5所示。

图5：偏转角度w.r.t.扭矩的变化。

该图包含三对测试材料中的每一对的两个测试。在此，随着扭矩的增加，观察到偏转角的后续增加。然而，当施加的扭矩值接近10 mNm时，所有三个系统都会在偏转角度上出现大约三个数量级的突然射出。在这个特殊点上，系统从静态过渡到动态。相应的扭矩称为分离扭矩，它刚好足以克服系统的静态摩擦阻力，使球在板上滑动。图6中绘制了此处研究的三个系统的平均值。

图6：系统的平均分离扭矩和极限摩擦力

在图5中，我们看到，即使在系统到达其分离点之前，也存在一定量的偏转。了解为什么施加在轴上的扭矩会导致球在板上滑动。从图7中的数据可以看出，直到分离点，滑动距离在微米到亚微米范围内。

图7：滑动距离w.r.t.扭矩的变化，突出了宏观运动的开始。

在没有任何实际宏观运动的情况下，由于试样中的弹性/塑性变形，可能会发生该数量级的位移。此外，同样的逻辑可用于解释为什么钢与钢的曲线低于钢与聚合物的曲线。由于钢的硬度大得多，它的变形程度比聚合物小。

4 小结

干接触静摩擦的测定在许多实际应用中非常重要，如轮胎工业、摩擦涂层、触觉等。Anton Paar摩擦学附件为测定该量提供了独特的可能性，具有最高的精度和再现性。

本文介绍的试验是在一台配备了三板球附件的MCR上进行的，结果清楚地显示了三种不同系统的极限摩擦值之间的区别。