發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 21:34

【摘要】：由于摩擦廣泛存在于生產(chǎn)和生活中,其機(jī)理及計(jì)算方法一直是工程界和物理學(xué)界的重點(diǎn)研究對象。當(dāng)前摩擦機(jī)理遠(yuǎn)未清楚,人們往往能夠解釋某種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,但卻不能準(zhǔn)確預(yù)測材料的摩擦性能,在工程應(yīng)用中需要通過實(shí)際測量來獲取,因此建立符合實(shí)際的數(shù)學(xué)物理模型,使正確計(jì)算和控制摩擦成為可能,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于熱力耦合的觀點(diǎn),以量子力學(xué)理論為基礎(chǔ),以界面摩擦為研究對象,在量子諧振子模型基礎(chǔ)上探討界面溫升和摩擦力的計(jì)算與控制,并研究了法向載荷、滑動(dòng)速度、溫度等工況參數(shù)對界面摩擦的影響,以期為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和摩擦材料的制備提供理論參考。 首先,通過對界面原子在接觸勢能場的作用下受迫振動(dòng)的微觀機(jī)理分析,基于振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為界面溫升的觀點(diǎn),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和量子力學(xué)理論,建立了界面原子熱振動(dòng)的溫升模型。研究表明,界面原子的溫升與接觸勢能幅值、相對滑動(dòng)速度、原子間力常數(shù)、晶格常數(shù)有關(guān),受原子質(zhì)量的影響不大。 其次,基于摩擦功耗散為界面原子熱振動(dòng)的原理,建立了基于量子理論的滑動(dòng)摩擦力計(jì)算模型。對單峰接觸的界面摩擦研究結(jié)果表明,摩擦力近似與法向載荷成線性增長關(guān)系,與真實(shí)接觸面積之間并非嚴(yán)格的線性關(guān)系,也就是說,滑動(dòng)摩擦系數(shù)并不是一常數(shù)。通過熱激發(fā)對滑動(dòng)摩擦力的影響研究表明,摩擦力隨著速度的對數(shù)(ln v)的增加而增加,隨著溫度的增加而降低,但降低的幅度有限。 再次,利用量子力學(xué)和晶格動(dòng)力學(xué)理論,建立了聲子能量耗散模型。研究結(jié)果表明,界面摩擦的能量90%以上都以聲子的形式耗散。在能量耗散階段,聲子的頻率是摩擦能量耗散快慢的決定性因素,聲子頻率越高,耗散的速度就越快。 然后,研究了溫度對界面原子振動(dòng)能級分布的影響。研究表明,溫度低于100K時(shí),量子諧振子處在激發(fā)態(tài)的概率隨著溫度的升高而增加,導(dǎo)致摩擦系數(shù)隨溫度增加而增加；溫度100K附近諧振子處在激發(fā)態(tài)的概率出現(xiàn)峰值,導(dǎo)致摩擦系數(shù)在100K附近出現(xiàn)峰值：當(dāng)溫度大于100K時(shí),摩擦系數(shù)隨溫度的升高反而會(huì)降低。此外,還從溫度對材料力學(xué)特性的影響方面探討了熱效應(yīng)對微界面摩擦的影響,結(jié)果顯示：當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),溫度上升會(huì)引起真實(shí)接觸面積增加,而摩擦力卻會(huì)下降,這表明Bowden黏著理論中臨界剪切強(qiáng)度不是一定值。 最后,采用原子力顯微鏡掃描實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證前面提出的理論和計(jì)算方法,主要測量法向載荷、真實(shí)接觸面積、滑動(dòng)速度和溫度對摩擦力的影響規(guī)律。通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前面的理論計(jì)算結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)二者反映的規(guī)律基本一致,表明本文提出的理論和方法可行。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TH117

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2695432