静摩擦测定仪器、方法和研究进展

　　人们关于静摩擦的研究历史悠久,可以追溯到达芬奇的摩擦定律和阿芒顿于1699年对静止角(摩擦角)的表述[1]。在机械运动和日常生活中时常会涉及物体从静止到运动的转变,即最大静摩擦力问题。比如,利用静摩擦力的自锁机构,机械结构当中的爬行现象,等等。但是,由于静与动的转变是一个瞬间完成的过程[2],利用传统方式进行人为观测较为困难。加之摩擦过程的影响因素众多,因此,静摩擦的研究一直是摩擦学研究当中较为薄弱的环节。

　　对于静摩擦的传统研究,一般着重于宏观的摩擦现象。但是,随着科技的不断进步,对静摩擦现象的研究要求也越来越微观化。一方面,在微尺度条件下的静摩擦问题变得尤为突出。比如在微机电(MEMS)设备中微小的静摩擦可能导致系统失效;又如高速磁盘中磁头与磁盘的静摩擦问题可能对磁盘造成损坏。另一方面,传统宏观摩擦学理论在微观尺度条件下变得不再完全适用[3]。人造关节中的润滑问题,对壁虎爬墙的仿生等都需要在微观尺度对静摩擦现象进行深入研究。

　　摩擦学是建立在试验基础上的科学,静摩擦和最大静摩擦力的研究必须依靠准确的实验和分析,微观尺度的静摩擦研究更是如此。本文作者通过对静摩擦测试仪器设备和方法历史沿革的深入分析,探讨最大静摩擦力测定中的关键问题,提出静摩擦测试技术的发展趋势。

　　1　经典静摩擦理论与仪器

　　经典摩擦理论是建立在试验基础上的经验理论[1]。第一摩擦定律和第二摩擦定律源于Leonardo daVinci’s的试验(见图1 (a))和Amontond的试验验证(见图1 (b))。第三摩擦定律源于C A Coulomb的试验(见图1 (c))。Coulomb的试验装置已经具有摩擦试验机的雏形,他将其命名为“Tribometer”(摩擦仪)[4]。可考证的关于摩擦角的试验研究是G Rennie于1829进行的试验(见图1 (d))。

　　由图1可见,经典摩擦理论都建立在水平滑动和斜面滑动试验的基础上。

　　第一摩擦定律表达式为:

　　式中:F为摩擦力; W为作用在摩擦表面的质量;μ是摩擦因数。

　　针对斜面滑动试验,根据解析几何,第一摩擦定律可以表述为:

　　这个公式是斜面法静摩擦测定的理论依据。这个公式被认为更加直观地表达了第一摩擦定律[2]。但是,该公式最原始的出处尚无法考证。

　　进入19世纪,由于摩擦的实验定律大体已确立完毕,但仍然没有对摩擦的物理机制给以科学的、满意的解释。因此,关于摩擦及其测试仪器的研究始终没有停滞。

　　近代关于静摩擦测试的主要研究工作集中在,如何确保缓慢增加对滑块的作用力的前提下,准确地测得摩擦副产生相对滑动的瞬间。同时还应尽量排除施力方式对测量准确性的影响。目前用于静摩擦力测量的试验机采用的原理仍然沿用经典摩擦定律:一类是利用传统斜面原理;另一类则利用高灵敏度的传感器记录使摩擦表面相对滑动的力的过程变化,并找出块开始相对位移的瞬间,再通过一定分析和换算,得出静摩擦力和静摩擦因数。