现代摩擦理论及机理与常用塑料摩擦系数

摩擦系数μ是指两表面间的摩擦力F和作用在其一表面上的垂直力w之比值，即μ=F/w。它是和表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。依运动的性质，它可分为动摩擦系数μk和静摩擦系数μs。滑动摩擦力是两物体相互接触发生相对滑动而产生的。

一、现代摩擦理论：

1） 摩擦的分子理论：分子的引力和亲合力作用而引起摩擦。由分子理论可得：

材料塑性越大，变形越大，摩擦力越大；

材料硬度越大，变形越小，摩擦力越小。

2） 分子机械理论：  由于摩擦表面的微观不平，只有凸起点间接触，所以实际接触面积很小。接触点由于单位压力产生塑性变形，从而发生粘着。

接触点的实际正压力：w=Aσ

其中σ 为接触承载应力；A 为接触点面积；

拉开粘着点所需要的力为：F=Aτ

那么：μ=F/w=Aτ/Aσ=τ/σ=τ/H，

提高接触应力σ，即增大材料硬度H，可以减小摩擦系数μ；降低剪切强度τ可以降低摩擦系数μ。

机械分子说作用特点是：材料弹性挤压－塑性挤压－微观切削－氧化膜破损，以及由分子相互作用的粘着结果而发生的基本材料破损而失效。

3） 摩擦的能量理论

摩擦的表面能量理论认为，各种类型的摩擦和磨损现象都与表面能量之间有一定的关系，表面能对摩擦面实际接触区大小有影响，当两表面接触时，两表面粘着时，其粘着力可用粘着表面及系统能量 G 表示。由于粘着作用，总的表面能为：

G=E_ab=G_a+G_b-G_ab

其中：G_a-物体a的表面能，G_b物体b的表面能，G_ab-a与b接触的表面能，

由公式推断（这里省略），粘着表面能E_ab与材料硬度H比值越大，摩擦系数越大。

下图为：常见塑料的摩擦系数和表面能关系表：

4） 高分子材料影响摩擦性能内部因素

a. 分子的化学结构：对称性增加，摩擦系数降低，静摩擦系数与摩擦面的预取向有很大关系。特别地，带有环状结构的耐热性聚合物的摩擦系数与摩擦方向没有对应关系。

b. 凝聚态的结构：结晶度，结晶度对不同聚合物的摩擦系数、磨损影响不同，较高结晶度获得较高弹性模量，增强抗拉抗蠕变能力。

c. 分子链取向：同拉伸方向降低摩擦系数、垂直拉伸方向增加摩擦系数，不过影响较小。

5）高分子材料的磨损形式

a. 粘着磨损：高分子材料之间摩擦倾向于产生粘着磨损，高分子材料与金属或者玻璃之间摩擦，当高分子材料光滑到一定程度，也更容易粘着磨损。

b. 磨粒磨损：是由外界硬颗粒或者对摩擦表面上的硬硬突起物或者粗糙峰，在摩擦过程中引起的表面破坏，能分离出磨屑或形成划伤的过程。通常发生于高分子材料与硬度比较高的材料之间，容易产生磨粒磨损。磨粒磨损体积V_d可以用以下公式计算：

V_d=K_wFμ/Hσε

其中：K_w-磨损因素，σ-断裂应力，ε-断裂伸长率

c. 疲劳磨损：是由于刚性微凸使高分子材料表面发生多次压缩、拉伸和剪切变形，当应力循环次数达到一定时产生疲劳裂纹，进而扩展形成磨屑，分离出微片或者颗粒的磨损。

d. 塑性变形磨损：应力超过高分子材料的弹性极限，产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，这是不可逆的塑性变形。

二、摩擦与润滑

磨损是摩擦的结果，而润滑是减少摩擦和磨损得关键途径，因为润滑能降低磨损，减少摩擦功率损失。两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦，叫做干摩擦，干摩擦产生较大的摩擦功耗，就会导致严重的磨损，最佳的是2个摩擦材料之间达到液体摩擦，摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，即形成了全液体摩擦，是理想摩擦状态。

小编注：根据以上理论，美特公司可爱的小吴攻城狮开发了TPV 1045DB-SC，TPV滑材料，用在汽车玻璃导槽密封条的耐磨涂层，可完全取代三井化学的TPV G4502BS（低摩擦规格）。

最后，特别感谢塞拉尼斯给予的技术支持！

三、下面是网络收集的一些常见高分子材料的摩擦系数表：
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下试样 上 试 样(钢) 上 试 样(塑料)
静摩擦 动摩擦 静摩擦 动摩擦
(塑料)   系数μs 系数μk 系数μs 系数μk
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聚四氟乙烯 0.10 0.05 0.04 0.04
聚全氟乙丙烯 0.25 0.18 - -
低密度聚乙烯 0.27 0.26 0.33 0.33
高密度聚乙烯 0.18 0.08-0.12 0.12 0.11
聚甲醛           0.14 0.13 - -
聚偏二氟乙烯 0.33 0.25 - -
聚碳酸酯       0.60 0.53 - -
聚苯二甲酸乙 0.29 0.28 0.27* 0.20*
二醇酯
聚酰胺(尼龙66) 0.37 0.34 0.42* 0.35*
聚三氟氯乙烯 0.45* 0.33* 0.43* 0.32*
聚氯乙烯        0.45* 0.40* 0.50* 0.40*
聚偏二氯乙烯 0.68* 0.45* 0.90* 0.52*
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注:*表示粘滑运动.