​科普小百科——关于“摩擦”那点事儿

科普小百科——关于“摩擦”那点事儿

1.原来，摩擦还有这么多内含

两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时， 在接触面间产生切向的运动阻力， 这一阻力称为摩擦力， 这种现象称为摩擦。这种摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关， 而与物体内部状态无关， 所以又称为外摩擦。阻碍同一物体(如液体和气体)各部分间相对移动的摩擦称为内摩擦。摩擦可以按照不同的分类方式来分类， 按照摩擦副的运动状态可分为静摩擦和动摩擦； 按照摩擦副的运动形式可分为滑动摩擦和滚动摩擦； 按照摩擦副表面的润滑状况可分为纯净摩擦、 干摩擦、 流体摩擦、 边界摩擦和混合摩擦等。

人们对摩擦现象的研究比实际应用要晚得多， 最初的研究是在15世纪意大利的文艺复兴时期， 1508年意大利的科学家达·芬奇首先对固体摩擦进行了研究并提出了摩擦力的概念。1699年法国工程师阿蒙顿进行了摩擦实验， 并建立了基本的公式。随后在1785年法国科学家库仑也进行了相同的实验， 总结出了阿蒙顿-库仑摩擦定律， 一般称它为古典定律。

2.摩擦表面接触的物理特征

摩擦过程的变化主要发生在摩擦部件的接触表面， 表面接触的特性有：

1）接触的不连续性。由于表面的不均匀磨损及本身固有的粗糙度与孔隙的存在， 粉末冶金制动摩擦材料在与对偶材料接触时， 总是不连续的。根据这种情况， 接触面可分为三种不同的形式： 名义的、 轮廓的、 实际的。实际接触面积的大小， 对于评定应力和变形以及摩擦热源是很重要的， 也就是说通过这些参数可以确定表面的变化与破坏。大量的研究人员通过计算机模拟技术， 形象地描述了摩擦面接触点与温度分布的状况。

2）接触点的尺寸。单个接触点的直径取决于材料内相与组成物以及接触面的几何形状。在较大载荷时， 接触面积的增加是以接触点数量增加为条件的， 而不是改变接触点的直径。

3）实际压力。由于外加载荷分布在真实接触面上， 使这些点上的真实压力可能达到很大的值。

4）残余变形。在摩擦时由于受正应力和切应力的同时作用， 使对偶材料的表面处于复杂的应力状态， 在这些条件下， 塑性变形可能达到很大的值， 甚至脆性相也可表现出较大的塑性。由于有相当大的实际压力值， 在极微小的名义载荷下， 实际接触的地方就可能发生残余变形。

5）变形特征。摩擦接触作用的特征是摩擦元件的多次加载， 在每经过一次作用后， 每一个不平表面的微峰都是追赶在自己前面的变形材料的波浪， 使前面的被压缩， 后面的被拉伸。

3.摩擦过程中表面层的变化

摩擦过程中制动摩擦材料的工作层由表面层和中间层组成， 其结构和化学成分不同于原来的摩擦材料。中间层和二次组织的相构成和化学成分是互相联系的， 并取决于摩擦副材料原始结构的相组成和化学成分。对于表面层而言， 无论是摩擦因数还是耐磨性均取决于表面层（膜）的物理力学性能和物理化学性能、 膜的硬度、 耐磨性、 膜与基体表面的黏着程度等。

摩擦过程的主要变化发生在刹车副材料表面层中， 主要的变化包括以下几个方面：

1）氧化。氧化过程在100~200℃时已经开始， 并且随着摩擦温度升高而加剧， 铁基和铜基摩擦材料氧化膜位置的顺序符合普通铁和铜在空气中加热时氧化物的顺序。材料中其他合金元素也会氧化。对偶材料的摩擦表面也生成类似的氧化膜。

2）多元工作膜的形成。摩擦过程中， 材料中各组元的磨损产物被带到表面上并在表面上形成工作层， 其结构组成和化学成分不同于原来的摩擦材料。工作层的作用非常大， 因为在摩擦过程中首先是膜在工作。研究指出， 当铁基材料摩擦区加入含硫的物质时会形成由硫酸亚铁和一羟氢化亚铁组成的抗卡层。在现实的摩擦条件下膜由纯一羟氧化亚铁组成。

3）弹塑性变形。弹塑性变形的程度首先取决于所施的压力和摩擦时的温度。当应力超过屈服极限时， 在摩擦表面的个别区域产生塑性变形， 或者发生更强烈的变形， 甚至表面层挤出一些金属到摩擦试样的周边。摩擦副表面层发生的塑性变形对材料的结构和性能影响很大。塑形变形过程进行的程度和特性取决于制动器的结构和具体工作条件。

4）黏结。摩擦表面氧化膜破坏后会产生金属直接接触区域， 并随着压力、 温度和变形程度的提高， 最终导致摩擦表面毁坏性破坏， 产生黏结。防止黏结的主要方法是减少塑性变形和防止产生金属直接接触区。

5）与加热和冷却（淬火、 回火、 再结晶）有关的金属组织变化。Fe-C合金加热和冷却时， 在达到适当的温度时会激烈地发生淬火和回火。这些过程的临界温度和速度在摩擦条件（高压、 高温、 加热速度）的影响下可能大大改变。相变在摩擦材料中产生微裂纹， 微裂纹逐渐扩展成裂纹网， 从而导致材料破坏， 但用钢背加固的摩擦片可以在一定程度上防止破坏产生。

4.制动摩擦材料的发展趋势

人类最早使用的摩擦材料主要是诸如软木、 木头和毛皮等天然材料， 适用于干摩擦制动条件， 直到20世纪才出现了较高级的摩擦材料， 主要是有机摩擦材料和粉末冶金摩擦材料、 炭-炭复合摩擦材料等。

最早使用柏油或橡胶浸渍织物构成的摩擦片是在1900年。1906年， 为试图克服这种棉基材料固有的易燃性， 在汽车制动系统中使用了石棉织物的刹车片——石棉摩擦材料。石棉摩擦材料是以酚醛树脂为基体， 石棉为主要增强纤维， 再配合各种填料的多组元摩擦材料。酚醛树脂的特点和作用是当处于一定加热温度下时先软化而后进入黏流态， 产生流动并均匀分布在材料中形成材料的基体， 通过酚醛树脂的固化作用， 把纤维和填料黏结在一起， 形成质地致密的、 有相当强度的， 并满足摩擦材料使用性能要求的摩擦材料； 增强纤维赋予材料足够的机械强度， 使其能承受生产过程中磨削和铆接加工的负荷力以及使用过程中由于制动和传动而产生的冲击力、 剪切力和压力。石棉摩擦材料分为石棉纤维摩擦材料、 石棉纸质摩擦材料、 石棉布质摩擦材料和石棉编织摩擦材料等。与早期的其他摩擦材料相比， 石棉摩擦材料具有高而平稳的摩擦因数、 良好的耐磨损性能、 制造工艺简单和成本低廉等显著优点， 因而在相当长的一段时间内， 被广泛地应用于各种运动部件的制动中。

20世纪70年代以来， 由于国防工业、 工程机械及交通运输等行业的飞速发展， 大型军（民）用飞机、 高速列车和重载汽车等工程机械对摩擦材料的高速与重载制动要求愈来愈高， 摩擦材料吸收的能量也越来越大， 摩擦材料工作表面温度迅速升高， 而石棉纤维由于自身的成分和结构缺陷， 在高的工作温度下分解， 改变了材料的摩擦磨损特性， 导致摩擦因数急剧下降， 出现制动失灵或不可靠等现象。同时， 随着研究的不断深入， 国际医学界公认石棉粉尘和纤维有致癌作用， 并严重污染环境， 在欧美等发达国家相继出台禁止在制动摩擦材料中使用石棉成分的政策和法规。石棉有机摩擦材料已难于满足现代制动环境和生命质量的要求， 因此， 相继出现了无石棉有机摩擦材料、 粉末冶金摩擦材料以及炭-炭复合摩擦材料等新型摩擦材料。

无石棉有机摩擦材料是指采用非石棉纤维增强的有机摩擦材料， 由高分子化合物多元共混的黏结剂、 非石棉耐热补强纤维、 摩擦改进剂、 减磨剂及填料混合压制而成。无石棉有机摩擦材料在发展过程中出现了半金属和少金属及无金属等多种组成的有机摩擦材料， 所谓半金属是指摩擦材料中金属纤维和金属粉的用量达到摩擦材料的30%以上。顾名思义， 少金属和无金属摩擦材料就是指使用金属组元的量少或无金属组元。

半金属摩擦材料的性能介于石棉摩擦材料和粉末冶金摩擦材料之间， 一般可以短时间在500℃左右使用， 在150~260℃温度范围内制动性能非常稳定， 并具有较好的耐热性、 导热性和耐磨性， 制造工艺简单， 价格较低， 因而在低速低载制动条件下， 不失为一种上选材料。但由于半金属有机摩擦材料中金属含量大， 金属组元和替代石棉纤维的钢纤维容易生锈， 锈蚀后易黏着对偶或损伤对偶， 使摩擦材料和对偶材料磨损加剧， 摩擦因数稳定性变差。同时， 半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音， 却易产生低速下的低频噪音； 半金属摩擦材料热传导率高， 当摩擦温度高于300℃时， 一方面易使摩擦材料与基板间的黏结树脂分解， 加之温度差引起热应力分布不均匀， 甚至会出现剥落现象； 另一方面， 大量的摩擦热会迅速传递到活塞等液压施力机构上， 导致密封圈软化和制动液发生气化， 从而造成制动失灵。为了克服以上缺点， 减少金属含量， 在半金属有机摩擦材料基础上逐渐发展了少金属和无金属有机摩擦材料。该系列摩擦材料目前仍在进一步研究开发过程中， 但有机基体的缺陷导致的高温不稳定等问题无法得到克服， 无法满足高速大载荷条件的使用要求。

粉末冶金摩擦材料是指采用粉末冶金工艺制造的金属和非金属多组元复合的材料， 由于该材料可以通过在相当大的范围内调整材料成分， 以适应各种不同的制动要求， 因而自1929年研制成功以后， 迅速在不同工况下得到应用， 先后发展了船舶及工程机械用摩擦材料、 列车制动用摩擦材料和航空用制动摩擦材料以及其他特殊条件如航天器用摩擦材料等。粉末冶金摩擦材料满足了大部分高能制动对摩擦材料的性能要求， 但仍存在极高温工作条件下制动摩擦因数下降、 磨损增大和自体重量过大等问题， 因此， 在重量要求有限制的使用环境下， 需发展新型摩擦材料， 如具有较低密度的炭-炭复合摩擦材料等。

炭-炭复合摩擦材料是基于满足航空航天结构需求的炭-炭复合材料基础上发展而成的， 是碳纤维增强碳基体的复合材料。碳基体由液相浸渍或化学气相沉积（CVD）工艺制得。这种材料虽然具有较低的密度、 优良的高温摩擦性能和热物理性能， 但是其制造工艺复杂、 工艺周期长、 制造成本昂贵， 因此， 目前仅限于高速高能及对重量要求严格的条件下应用， 如远程重载飞机和航天飞行器等。为了解决炭-炭复合摩擦材料在湿态条件下摩擦性能下降和成本高等问题， 在此基础上， 发展了陶瓷基复合摩擦材料， 并在坦克等制动机构中获得应用。