Page 203 - 《摩擦学学报》2021年第6期

988 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

(a) 3

2

Current/nA 1 0

−1 Contact-separation Reciprocating Z-shaped Spiral friction mode
mode friction mode friction mode
10 20 30 40 50 60
Time/s
(b) e
e 2. Charge
Charge
A transfer A transfer A
1. Charge
reinjection
Rotating
PTFE
sample
Rubbing

Original state Triboelectrification
Electrostatically
enriched surface

Fig. 4 (a) Comparison of the current signals collected during friction process under different trajectories (contact-separation mode,
reciprocating friction mode, Z-shaped friction mode and spiral friction mode); (b) The mechanism of the
current peak shape showing positive and negative fluctuations
图 4 (a)在不同运动模式下(垂直方向接触-分离模式、往复摩擦模式、“Z”型折线运动模式和螺旋线模式)收集的电流
信号的对比；(b)摩擦过程中电流呈现正负波动峰形的机理

钢-PTFE摩擦过程中的表面电势表现出首先达到 素的分布图像，证明了PTFE在钢球上的转移.
饱和状态然后反向变化的趋势. 通过分析，认为这主 PTFE在摩擦过程中的表面极性发生反向演变的
要是由材料的转移引起的界面变化造成的. 在摩擦过 机理如图6(g)所示. 在摩擦过程的初始阶段，由于钢球
程中材料的转移是不可避免的，即使两个材料表面发 与PTFE表面的电子转移能力的不同，钢球上的电子
[12]
生轻微的滑移，在滑移界面也会发生部分材料的转移 . 转移到PTFE表面，导致钢球带正电荷，PTFE带负电
材料的转移会引起界面两个滑动表面成分的变化，由 荷. 当钢球-PTFE摩擦副经过一段时间的跑合之后，由
两个原始界面变成了有转移材料参与的摩擦界面. 一 于接触区域高的接触应力，PTFE表面带负电的摩擦

般来说，软相材料会向硬相材料发生转移. 如图6(a~c) 层会由于犁耕作用或者疲劳逐渐剥落，由于物理的静
所示，在旋转的球-盘摩擦过程中，在钢球沿着摩擦方 电吸附以及界面的黏附作用，带负电的聚四氟乙烯就
向的一侧会出现材料的转移与堆积现象. 这部分堆积 会向钢球转移，这样钢球表面就出现了一部分带负电
在钢球与PTFE的接触界面夹角的材料也有可能重新 荷的PTFE. 钢球上带负电材料的转移会抑制原有的摩
进入到接触区域继续参与摩擦过程. 另外还有大量的 擦起电行为，并且促使界面开始反向的演化. 而下表
磨屑通过静电作用吸引到钢球表面，这部分带电的材 面由于剥落了一层带负电的PTFE，由于偶极作用，新
料对钢球的总体电势也会产生影响. 图6(d)中在钢球 形成的表面局部会暴露出带正电荷的部分. 这部分暴
表面的光学图像展示了PTFE在钢球表面磨痕处的转 露出来的带正电的表面与钢球之间也存在着摩擦电
移，这部分转移的材料改变了原摩擦界面的组成，使 荷的感应与转移行为. 由于PTFE的表层不断剥落以及
钢球与基底的摩擦转变为钢球和转移材料同基底的 新摩擦界面的摩擦起电两者的协同作用，使PTFE表
混合摩擦，继而影响了界面的摩擦起电性质. 另外在 面电势在达到最大值后会向反向演变直到PTFE的表
图6(e~f)中展示了转移膜在钢球上的SEM图像和F元 面电势达到一个动态稳定的值.