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《华南理工大学》 2010年 博士论文
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基于热力耦合的界面摩擦机理的研究

王亚珍  
【摘要】:由于摩擦广泛存在于生产和生活中,其机理及计算方法一直是工程界和物理学界的重点研究对象。当前摩擦机理远未清楚,人们往往能够解释某种实验现象,但却不能准确预测材料的摩擦性能,在工程应用中需要通过实际测量来获取,因此建立符合实际的数学物理模型,使正确计算和控制摩擦成为可能,具有较强的现实意义。本文基于热力耦合的观点,以量子力学理论为基础,以界面摩擦为研究对象,在量子谐振子模型基础上探讨界面温升和摩擦力的计算与控制,并研究了法向载荷、滑动速度、温度等工况参数对界面摩擦的影响,以期为摩擦学设计和摩擦材料的制备提供理论参考。 首先,通过对界面原子在接触势能场的作用下受迫振动的微观机理分析,基于振动能量转化为界面温升的观点,运用统计物理学和量子力学理论,建立了界面原子热振动的温升模型。研究表明,界面原子的温升与接触势能幅值、相对滑动速度、原子间力常数、晶格常数有关,受原子质量的影响不大。 其次,基于摩擦功耗散为界面原子热振动的原理,建立了基于量子理论的滑动摩擦力计算模型。对单峰接触的界面摩擦研究结果表明,摩擦力近似与法向载荷成线性增长关系,与真实接触面积之间并非严格的线性关系,也就是说,滑动摩擦系数并不是一常数。通过热激发对滑动摩擦力的影响研究表明,摩擦力随着速度的对数(ln v)的增加而增加,随着温度的增加而降低,但降低的幅度有限。 再次,利用量子力学和晶格动力学理论,建立了声子能量耗散模型。研究结果表明,界面摩擦的能量90%以上都以声子的形式耗散。在能量耗散阶段,声子的频率是摩擦能量耗散快慢的决定性因素,声子频率越高,耗散的速度就越快。 然后,研究了温度对界面原子振动能级分布的影响。研究表明,温度低于100K时,量子谐振子处在激发态的概率随着温度的升高而增加,导致摩擦系数随温度增加而增加;温度100K附近谐振子处在激发态的概率出现峰值,导致摩擦系数在100K附近出现峰值:当温度大于100K时,摩擦系数随温度的升高反而会降低。此外,还从温度对材料力学特性的影响方面探讨了热效应对微界面摩擦的影响,结果显示:当其他参数不变时,温度上升会引起真实接触面积增加,而摩擦力却会下降,这表明Bowden黏着理论中临界剪切强度不是一定值。 最后,采用原子力显微镜扫描实验验证前面提出的理论和计算方法,主要测量法向载荷、真实接触面积、滑动速度和温度对摩擦力的影响规律。通过将实验结果和前面的理论计算结果对比,发现二者反映的规律基本一致,表明本文提出的理论和方法可行。


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