基于接触界面势垒方法的摩擦特性与计算研究

摘要

现有摩擦理论远未成熟，致使其往往只能解释结果，而不能准确预测结果，因此迫切需要在理论和计算上都有所突破，使精确计算和控制摩擦成为可能。本文主要研究用接触界面势垒方法计算和控制摩擦，并研究各种参数对摩擦特性的影响。 首先，分析了独立振子模型能量耗散机制的局限性，提出无磨损界面摩擦微观能量耗散机制的复合振子模型，指出摩擦过程同时存在整体做低频振动的宏观振子和界面原子受激励产生热振动的微观振子两种形式，并在此基础上分析了宏观振子和微观振子对摩擦能量耗散的不同影响。研究表明，摩擦过程界面激励力的频率是能量转换的关键：在平衡阶段，界面作用力的频率趋于零，因而直接作用到每个原子上，力的作用效果是整体和均匀的；在失稳跳跃阶段，由于界面激励力的频率非常高，摩擦界面各层原子获得的能量分布很不均匀，从而使能量由界面向外不断传递和耗散。 然后，根据系统和能量的观点，以复合振子模型作为摩擦能量耗散的机制，通过分析摩擦界面的微观相互作用，提出了无磨损界面摩擦计算和控制的接触界面势垒理论，指出界面的微观摩擦磨损性能取决于接触界面势垒的大小和分布。接触界面势垒可由摩擦副材料的标准接触界面势垒、相称度系数和温度系数等算出。其中，摩擦副材料的标准接触界面势垒可根据通用粘附能量函数计算。通过与现有摩擦理论的对比和分析，提出用标准接触界面势垒作为表征配对摩擦副材料摩擦学特性的指标。 之后，以光滑界面摩擦为研究对象，根据上面提出的接触界面势垒理论和复合振子模型的能量耗散机制，推导出静、动摩擦力和摩擦系数的计算公式，并建立摩擦力与固体的表面能、材料微观结构参数、接触面积和宏观振子的横向刚度等参数的关系。研究表明，可以通过改变摩擦副的接触界面势垒和宏观振子的横向刚度等参数来控制摩擦。当宏观振子的横向刚度大于临界摩擦刚度时，摩擦消失。研究还表明，Bowden的理论认为摩擦力与实际接触面积成正比的观点，只是在接触面积较大时的一种近似结果。当接触面积非常小时，单位接触面积的摩擦力随接触面积的增大而增大。 最后，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，通过载荷实验、刚度实验、零摩擦实验等三组实验，研究了接触面积、探针的横向刚度等对摩擦力的影响，并将实验结果与接触界面势垒方法的计算结果进行了对比，两者反映的规律基本符合，从而证明本文所提出的理论和方法可行。

目录

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第一章绪论

第二章摩擦微观能量耗散机制的复合振子模型

第三章摩擦的接触界面势垒理论

第四章用接触界面势垒方法计算最大静摩擦力的研究

第五章用接触界面势垒方法计算滑动摩擦的研究

第六章实验方案、测量信号的处理及仪器标定实验

第七章接触界面势垒方法的实验研究

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

致谢