温度对微界面摩擦影响的研究

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1、第59卷第8期2010年8月物理学报Vol.59，No.8，August，20101000-3290/2010/59(08)/5635-06ACTAPHYSICASINICA2010Chin.Phys.Soc.*温度对微界面摩擦影响的研究1)2)1)1)王亚珍黄平龚中良1)(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)2)(广东工贸职业技术学院机械工程系，广州510510)(2009年9月21日收到;2009年11月21日收到修改稿)以微观界面摩擦为研究对象，分析了温度变化对材料摩擦性能的影响.基

2、于Towle剪切强度-温度经验公式和晶格热动力学理论，推导出摩擦力与温度之间的理论计算公式.理论分析表明:当界面温度低于材料的德拜温度时，摩擦力随着温度的增加而降低.理论计算结果与原子力显微镜实验结果对比，发现二者趋势一致，表明本文提出的理论和方法可行.关键词:界面摩擦，真实接触面积，温度，摩擦力PACC:6220P，8140P和泊松比ν.首先在利用Bowden和Tabor理论研究1.引言摩擦的时候，学者们通常将τ处理为常数，但事实上［7］τ在温度变化时会受到较大影响.Towle等人很早摩擦是日常生活中最熟

3、悉的物理现象，由于其就提出了一个关于τ与温度以及压强之间关系的经在经济和生活方面的重要性，一直以来都是科学家验公式，该公式表明τ的自然对数与约化温度成正和工程师们的关注对象.对于摩擦，已经清楚其性比.这个公式经过实验验证发现适用于大部分晶体能决定于很多因素，如材料组成、力学特性、法向载材料，而且在较广的温度变化范围内都是能够满足荷、速度等.尽管人们在该领域付出了巨大的努力，实验误差要求的.其次，计算杨氏模量采用的一般但至今仍有很多问题尚未解决，其中一个很重要的步骤是先计算由于结构变形而产生的微观电子能［1］

4、问题是:温度是如何影响摩擦的.日常生活经验量的变化，进而根据其与经典弹性理论能量的关系和长期以来的研究都表明，摩擦本身是一热力耦合［8—10］［2］导出形变能，即可求出杨氏模量.对于杨氏模的复杂过程，一方面材料的力学特性对摩擦性能量E来说，由于其本质上来源于材料微观原子之间影响很大，而另一方面，材料的力学特性又受温度［3］的交互作用，当温度变化时，原子之间的振动状态变化的影响.通过推导出材料力学特性与温度的也会发生改变，从而改变原子间的相互平衡距离，关系，再根据摩擦力及摩擦系数与材料力学特性之间的关系，可以

5、得到摩擦力随温度变化的规律www.spm.com.cn.并最终影响到E的大小.这样，通过计算出温度变Bowden和Tabor［4］最早提出摩擦力与摩擦界面化对材料力学参数的影响，可以间接得到温度变化真实接触面积成正比，即摩擦力Ff可以表示为Ff=对摩擦力的影响.τA，式中A为真实接触面积，τ为黏着点的临界剪切为便于与原子力显微镜(AFM)实验比较，本文强度，定义为剪切单位面积界面所需的剪切力.两主要探讨了点接触干滑动摩擦情况.基于Hertz接个弹性固体之间的接触问题可以用Hertz，JKR，DMT触理论，同

6、时结合Towle等人的研究成果和晶格动［5.6］模型等经典接触理论来描述，通过这些模型可力学理论，推导出摩擦力与温度等参数之间的理论以计算出真实接触面积A的值，该值取决于法向载关系式，并将理论结果与超高真空AFM实验结果进荷Fn，探针半径R以及材料力学常数如杨氏模量E行了对比，以验证本文所提出理论的正确性.*国家自然科学基金(批准号:50675068，50875087)资助的课题.E-mail:yazhen.wang@mail.scur.edu.cn5636物理学报59卷2π(1－v)τcτ0=，(5)2

7、.单峰接触Hertz模型4G25/331/3232hNgGVB=－.(6)2()()根据Coulomb定律，摩擦力与法向载荷Fn成正9πkBC(1－ν)τcb比，即其关系可以表示为F=μF，式中μ定义为摩式中，h为普朗克常数，kB为波尔兹曼常数，N为阿fn伏加德罗常数，C为林德曼常数，对于大部分金属该擦系数.同时Bowden和Tabor的黏着理论则认为摩擦力与真实接触面积A成正比，法向载荷F和真实值约为125，g为无因次比例常数，其值≥1，τc为理n想晶体材料的最大剪切应力，G为剪切模量，对于大接触面积A之

8、间必然存在某种联系，而微观接触理论则对二者的关系进行了探讨.部分材料，理论分析表明(G/τc)的值在15左右，最大不会超过30，V为分子体积，b为伯格斯矢量长度.纳米摩擦实验中表面黏着的作用不可忽略，在以材料铜为例，τ0=1GPa，计算可得B=考虑界面接触机理时必须考虑其影响.根据修正［12］Hertz模型［11］，当接触界面间存在黏着力F－4.6，而常压下铜的熔点温度为1358K.以这些adh时，对于一个曲率半