Page 200 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 张立强, 等: 钢-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起电行为 985

制成的法拉第笼包裹来排除环境的电磁干扰. 以钢球 界面处的接触、黏附、滑动、滚动、材料转移、表面吸附
和PTFE为试验研究的摩擦配副，上方的钢球作为静 和润滑等行为与界面分离时产生的电荷密切相关 [39-40] .
止不动的定子，下方的PTFE块作为旋转运动的转子. 因此，作为一种界面摩擦时存在的普遍现象，摩擦起
钢球被固定在1个与摩擦试验机绝缘的夹具中以避免 电受到了越来越多的关注 [16, 41-42] . 但通常影响摩擦副
摩擦试验机的干扰，并通过摩擦试验机自带软件调节 摩擦起电的因素复杂，很难实现摩擦副在摩擦运动过
旋转台的速度. 程中对摩擦起电动态实时监测. 为了解决这个问题，
通过静电探头[SK050, KEYENCE (Japan) Co, Ltd] 将静电探头、电流放大器与TRB摩擦试验机耦联，实
测量PTFE表面的静电电势，探头表面距离PTFE表面 现了摩擦副在摩擦过程中摩擦学行为与摩擦起电行

为 10 mm. 使 用 SR570低 噪 声 电 流 放 大 器 (Stanford 为的原位检测. 图1展示了这种可收集金属与聚合物
Research System, America)收集摩擦过程中的接地电 界面的摩擦学信号与摩擦起电信号的集成系统，在摩
流信号，滤波频率为10 Hz. 其中电流放大器的一端连 擦过程中可以同时收集从钢球引入地面的电流信号、
接在钢球引出的铜导线，另一端接地. 数据通过数据 聚合物基体的表面电势和摩擦系数. 以钢-PTFE摩擦
采集卡(DAQ)以及LabVIEW软件获得. 摩擦系数由摩 副的摩擦为例，当二者摩擦时，钢球和PTFE表面会产
擦试验机附带软件获得. PTFE表面的微观形貌通过扫 生等量异号电荷. 通过将钢球与摩擦试验机进行电绝

描电子显微镜(SEM, Phenom Pro X, Netherlands)拍摄. 缘处理后再接地，摩擦带电的钢球表面与大地之间形
PTFE的红外光谱由衰减全反射傅里叶变换红外光谱 成电势差，从而驱动电荷运动形成电流，通过电流放

仪 (ATR-FITR, Nicolet iS10, Thermo Scientific, USA) 大器对其测量；而另一个摩擦副PTFE表面由摩擦电荷
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测试，扫描范围为600~4 000 cm . 的积累产生的表面电势则通过静电探头实现对其的

测量. 同时，摩擦副的摩擦系数等参数通过摩擦试验
2 结果与讨论
机的信号采集系统进行同步采集.

2.1 试验设计 为了排除其他因素对试验的影响，试验中所使用
在运动表面摩擦学行为的研究过程中，对摩擦副 的样品为商用的纯PTFE样块. 图2(a)和图2(b)分别展
摩擦界面状态的变化进行原位分析和监测越来越重 示了PTFE的实物图片及红外光谱图. 如图2(b)所示，
要，将常规的摩擦学测试仪器与其他检测技术相结合 1 145和1 200 cm 波数处的吸收峰分别代表了C-F键
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已成为未来研究的发展趋势. 常见的摩擦副摩擦状态 的对称伸缩和非对称伸缩. 另外，材料表面的宏观沟
的检测包括金属-金属或金属-润滑油-金属界面的接 槽或凸起结构会给摩擦起电带来数值上的波动，形成
触电阻、金属-聚合物摩擦过程中收集金属的接地电 常见的电信号毛刺现象. 因此，为避免这种现象，保证
流以及聚合物的表面电势、摩擦过程中的声学信号以 摩擦副材料表面平滑非常必要. 如图2(c)和图2(d)所
及摩擦过程中伴生的热、光和电学现象等. 其中，摩擦 示，PTFE用砂纸逐级打磨后在微米尺度上表现出平

Load
Shielding box
Force sensor
Surface potential probe

Steel ball
Sample Current
amplifier

DAQ Rotating disk
DAQ
Current signal
Signal of surface
potential
Signal of friction coefficient

Fig. 1 Schematic diagram of the system that can collect current, surface potential and friction coefficient at the same time
图 1 可同时收集摩擦系数、摩擦过程中电流和表面电势的集成系统示意图