一种测定材料摩擦系数的方法与流程

本发明属于仿生材料领域，具体的说是一种测定材料摩擦系数的方法。

背景技术：

摩擦存在于人类生活、生产的各个方面，凡是有运动的地方就会产生摩擦。摩擦会消耗大量的能量，世界能源的1/3—1/2是由于摩擦浪费掉的，而且摩擦必然伴随磨损，现代工业中，生产设备的失效60％是由摩损导致的。选择摩擦性能合理的材料以适应不同工况，一直是科研人员最为关注的问题之一。

软硬相间形貌仿生材料是以生物体特性为原型将软材料与硬材料在一定配比下有序或无序排列而形成的材料，通过模仿天然生物材料的形貌、结构、材料配比、尺寸、分布规律等因素进行仿生设计。软硬相间材料中软材料与硬材料为弹性模量不同的两种材料，定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料。软硬相间仿生材料的摩擦系数与组成它的软材料及硬材料之间存在一定关系，通过多组组成成分相同但材料配比不同的软硬相间仿生材料的摩擦系数可以计算其组成成分中软材料与硬材料各自的摩擦系数。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于粘着摩擦机理，结合“软—硬”相间结构特点，通过运用细观力学分析方法，获得软硬各组分摩擦系数与软硬相间仿生材料摩擦系数之间的关系，通过少量软硬相间仿生材料摩擦系数，确定其组成成分中软材料与硬材料各自摩擦系数的方法。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种测定材料摩擦系数的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取或制备4个软硬相间仿生材料试件，测量软硬相间仿生材料摩擦系数；定义两种待测材分别为弹性模量小的待测软材料A及弹性模量大的待测硬材料B，为了确定某一工况下待测软材料A及待测硬材料B的弹性模量，在同一工况下制备由待测软材料A及同类型待测硬材料B组成的四个不同结构软硬相间仿生材料；测量第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄；

步骤二、计算不同软硬相间仿生材料的两种材料体积百分比；计算不同软硬相间仿生材料中两种材料的体积百分比，第一试件中，待测软材料A的体积百分比c₁％，待测硬材料B的体积百分比1-c₁％，第二试件中，待测软材料A的体积百分比c₂％，待测硬材料B的体积百分比1-c₂％，第三试件中，待测软材料A的体积百分比c₃％，待测硬材料B的体积百分比1-c₃％，第四试件中，待测软材料A的体积百分比c₄％，待测硬材料B的体积百分比1-c₄％；采用统计学方法可将软材料实际接触面积A_s与硬材料实际接触面积A_h与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，A为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，A_s为软材料表面积，A_h为硬材料表面积；

步骤三、计算待测软材料A与待测硬材料B各自的摩擦系数；待测软材料A摩擦系数f_A、待测硬材料B摩擦系数f_B与待测软材料A的弹性模量E_A、待测硬材料B的弹性模量E_B、第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄、第一试件表面积比c₁％、第二试件表面积比c₂％、第三试件表面积比c₃％、第四试件表面积比c₄％之间的关系可以表示为：

解上式可以得到材料A摩擦系数f_A、材料B摩擦系数f_B。

步骤二中所述的软硬相间仿生材料的硬材料为点状排列时，即在弹性模量小的软材料上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的硬材料，定义硬材料之间的横向距离为a₁，纵向距离为b₁，点状硬材料半径r，根据经验a₁与b₁的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间；软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

21)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系；根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₁b₁，软材料的表面积为a₁b₁-πr²，有：

22)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间仿生材料为软硬相间条纹状排列时，条纹间距为a₂，条状硬材料的条纹宽度位b₂，根据经验a₂的范围在1-2mm之间，b₂的范围在0.1-1mm之间，软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

31)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₂，软材料的表面积为a₂-b₂，有：

32)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间仿生材料的硬材料为网格状排列时，网格间距为a₃，硬材料的网格宽度为b₃，根据经验a₃的范围在1-2mm之间，b₃的范围在0.1-1mm之间，软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

41)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₃*a₃，软材料的表面积为a₃*a₃-(a₃-b₃)*(a₃-b₃)，有：

42)材料的表面积比c％为：

本发明的有益效果为：本发明通过软硬相间仿生材料的摩擦系数可以确定其组成成分中软材料及硬材料的摩擦系数，该方法简单，测定的软、硬材料的摩擦系数误差小。

附图说明

图1为软硬相间材料微观凹凸不平表面示意图；

图2为软硬相间材料在摩擦过程中摩擦副接触情况示意图；

图3为软硬相间结构相互作用示意图；

图4a为一种制备的软硬相间条状材料示意图；

图4b为另一种制备的软硬相间条状材料示意图。

图4c为第三种制备的软硬相间条状材料示意图。

图4d为第四种制备的软硬相间条状材料示意图。

具体实施方式

本发明提及的软硬相间形貌仿生材料是指弹性模量不同的两种材料，定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料。

参阅图1，材料的微观表面是凹凸不平的。参阅图2，当两个材料表面相互受载接触时，仅在少数微凸体的顶端发生接触，由于实际接触面积极小，微凸体上的接触压力极大，在载荷、瞬时温度等因素作用下接触峰点处产生粘着。在摩擦过程中，粘着点在切向力作用下被剪切而产生滑动，剪切作用力就是粘着摩擦力。参阅图3，软硬相间条状材料表面的相间结构使其摩擦过程较单一材料摩擦过程复杂的多。在粘着的产生阶段，在载荷的作用下，不同属性材料在接触峰点均会产生粘着，由于不同材料粘着产生与扩展条件不同，会导致载荷的重新分布。在粘着点剪切阶段，由不同材料的粘着情况不同且不同材料被切向力剪断的条件不同，因此产生的粘着摩擦力也更复杂。

本发明提供一种测定材料摩擦系数的新方法，其特点是通过软硬相间仿生材料的摩擦系数可以确定软材料及硬材料的摩擦系数。具体实施方法如下：

该方法具体如下：

步骤一：选取或制备4个软硬相间仿生材料试件，测量软硬相间仿生材料摩擦系数；定义两种待测材分别为弹性模量小的待测软材料A及弹性模量大的待测硬材料B，为了确定某一工况下待测软材料A及待测硬材料B的弹性模量，在同一工况下制备由待测软材料A及同类型待测硬材料B组成的四个不同结构软硬相间仿生材料；测量第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄；

步骤二：计算不同软硬相间仿生材料的两种材料体积百分比。计算不同软硬相间仿生材料中两种材料的体积百分比，第一试件中，材料A的体积百分比c₁％，材料B的体积百分比1-c₁％，第二试件中，材料A的体积百分比c₂％，材料B的体积百分比1-c₂％，第三试件中，材料A的体积百分比c₃％，材料B的体积百分比1-c₃％，第四试件中，材料A的体积百分比c₄％，材料B的体积百分比1-c₄％。采用统计学方法可将软材料实际接触面积A_s与硬材料实际接触面积A_h与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，A为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，A_s为软材料表面积，A_h为硬材料表面积；

步骤三：计算软材料与硬材料各自的摩擦系数。根据粘着摩擦机理，法向总载荷(W)可以表示为：

W＝W_s+W_h＝c％AE_sε+(1-c％)AE_hε

其中，ε为粘着点上的平均应变，W₃为软材料法向载荷，W_h为硬材料法向载荷；

对相互接触受载的上表面施加切向力，当切向力足够大时，粘着点被剪断，上下表面产生相对滑动，此时的切向作用力就是粘着摩擦力。对于软硬相间仿生材料，在粘着点剪切阶段，由于软、硬材料的粘着情况不同且软、硬材料被切向力剪断的条件不同，可将摩擦力表示为：

F＝A_sτ_s+A_hτ_h＝c％Aτ_s+(1-c％)Aτ_h

其中，τ_s、τ_h分别为软、硬材料的剪切极限。

根据库仑摩擦定律可得到软硬相间仿生材料的摩擦系数f：

根据上式，待测材料A的弹性模量E_A、待测材料B的弹性模量E_B与待测材料A摩擦系数f_A、待测材料B摩擦系数f_B、第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄、第一试件表面积比c₁％、第二试件表面积比c₂％、第三试件表面积比c₃％、第四试件表面积比c₄％之间的关系可以表示为：

其中，f₁，f₂，f₃，f₄为不同软硬相间仿生材料的摩擦系数。E_A为材料A的弹性模量、E_B为材料B的弹性模量材料，E_A及E_B为两个未知数，可以在计算过程中得到。

解上式可以得到材料A的摩擦系数f_A、材料B的摩擦系数f_B。可制备或选取多组软硬相间仿生材料试件，求解多个材料A的摩擦系数及材料B的摩擦系，分别求平均值，所测定的材料的摩擦系数更加准确。

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料的弹性模量大的材料为点状排列时，如图4a所示，即在弹性模量小的材料(软材料)上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的材料(硬材料)，定义硬材料之间的横向距离为a₁，纵向距离为b₁，点状硬材料半径r，根据经验a₁与b₁的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

21)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4a所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色圆形)，可以看到，其结构为虚框内结构的叠加，根据虚框内结构尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₁b₁，软材料的表面积为a₁b₁-πr²。有：

22)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料为软硬相间条纹状排列时，如图4b所示，条纹间距为a₂，条状硬材料的条纹宽度位b₂，根据经验a₂的范围在1-2mm之间，b₂的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

31)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4b所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色条形)，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₂，软材料的表面积为a₂-b₂，有：

32)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料的硬材料为网格状排列时，如图4c所示，网格间距为a₃，硬材料的网格宽度为b₃，根据经验a₃的范围在1-2mm之间，b₃的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

41)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4c所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色条形)，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₃*a₃，软材料的表面积为a₃*a₃-(a₃-b₃)*(a₃-b₃)。有：

42)材料的表面积比c％为：

下面结合附体和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例

步骤一、选取或制备4个软硬相间仿生材料试件，测量软硬相间仿生材料摩擦系数；定义两种待测材分别为弹性模量小的待测软材料A及弹性模量大的待测硬材料B，为了确定某一工况下待测软材料A及待测硬材料B的弹性模量，在同一工况下制备由待测软材料A及同类型待测硬材料B组成的四个不同结构软硬相间仿生材料；测量第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄；

步骤二：计算不同软硬相间仿生材料的两种材料体积百分比。计算不同软硬相间仿生材料中两种材料的体积百分比，第一试件中，材料A的体积百分比c₁％，材料B的体积百分比1-c₁％，第二试件中，材料A的体积百分比c₂％，材料B的体积百分比1-c₂％，第三试件中，材料A的体积百分比c₃％，材料B的体积百分比1-c₃％，第四试件中，材料A的体积百分比c₄％，材料B的体积百分比1-c₄％。采用统计学方法可将软材料实际接触面积A_s与硬材料实际接触面积A_h与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，A为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，A_s为软材料表面积，A_h为硬材料表面积；

确定第一试件的表面积比c₁％：如果第一试件为点状排列，如图4a所示，即在弹性模量小的材料(软材料)上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的材料(硬材料)，定义硬材料之间的横向距离为a₁，纵向距离为b₁，点状硬材料半径r，根据经验a₁与b₁的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4a所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色圆形)，可以看到，其结构为虚框内结构的叠加，根据虚框内结构尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₁b₁，软材料的表面积为a₁b₁-πr²。有：

2：材料的表面积比c₁％为：

确定第二试件的表面积比c₂％：如果第二试件为软硬相间条纹状排列，如图4b所示，条纹间距为a₂，条状硬材料的条纹宽度位b₂，根据经验a₂的范围在1-2mm之间，b₂的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4b所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色条形)，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₂，软材料的表面积为a₂-b₂，有：

2：材料的表面积比c₂％为：

确定第三试件的表面积比c₃％：如果第三试件为为网格状排列，如图4c所示，网格间距为a₃，硬材料的网格宽度为b₃，根据经验a₃的范围在1-2mm之间，b₃的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c₃％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4c所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色条形)，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₃*a₃，软材料的表面积为a₃*a₃-(a₃-b₃)*(a₃-b₃)。有：

2：材料的表面积比c₃％为：

确定第四试件的表面积比c₄％：如果第三试件为为网格状排列，如图4d所示，网格间距为a₄，硬材料的网格宽度为b₄，根据经验a₄的范围在1-2mm之间，b₄的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c₄％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。如图4c所示的软硬相间形貌仿生材料表面结构(图中硬材料为黑色条形)，根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a₄*a₄，软材料的表面积为a₄*a₄-(a₄-b₄)*(a₄-b₄)。有：

2：材料的表面积比c₄％为：

步骤三、计算软材料与硬材料各自的摩擦系数。待测材料A摩擦系数f_A、待测材料B摩擦系数f_B与待测材料A的弹性模量E_A、待测材料B的弹性模量E_B、第一试件摩擦系数f₁、第二试件摩擦系数f₂、第三试件摩擦系数f₃、第四试件摩擦系数f₄、第一试件表面积比c₁％、第二试件表面积比c₂％、第三试件表面积比c₃％、第四试件表面积比c₄％之间的关系可以表示为：

解上式可以得到材料A的摩擦系数f_A、材料B的弹性模量f_B。

本发明基于粘着摩擦机理，结合“软—硬”相间结构特点，通过运用细观力学分析方法，获得软硬各组分摩擦系数与软硬相间仿生材料摩擦系数之间的关系，通过少量软硬相间仿生材料摩擦系数，确定其组成成分中软材料与硬材料各自摩擦系数的方法，该方法简单，测得的摩擦系数误差小。