Page 204 - 《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 989

(a) (b)
Fe Fe Electron flow
Fe Fe
A A
Electrons in metal Fe atom Electron flow
PTFE PTFE

Hole
Contact
Electron transfer
Static charge interface
The transfer of electrons and the subsequent
PTFE The charge of the friction pair is stabilized PTFE flow of electrons in the circuit
(c) (d)
Fe Fe Electron
backflow
Fe Fe
A
A
PTFE PTFE
After stabilization Electron backflow

Charge reinjection
The backflow of electrons and the subsequent
PTFE The charge of the friction pair is stabilized PTFE backflow of electrons in the circuit

Fig. 5 (a) Schematic diagram of the friction interface in a stable state; (b) Schematic diagram of the electron flow in the external
circuit caused by electron transfer on the interface; (c) Schematic diagram when the interface reaches a temporary stable state;
(d) The back injection of electrons and the reverse flow of electrons in the external circuit when the sliding continues. The
insert picture represents the flow of electrons in the external circuit
图 5 (a)界面达到稳定状态时的状态示意图；(b)界面发生电子转移引起的外电路的电子流动示意图；(c)界面达到暂时的
稳定状态时的示意图；(d)继续滑动发生电子的回注引起外电路中电子的反向流动. 插图代表外电路中电子的流向

在钢片-PTFE的面-面摩擦过程中同样会出现类 2.3 表面电势反向演变时间的影响因素
似的聚四氟乙烯表面电势极性反向演化的过程. 如 从上述分析可知，当PTFE的负电势达到最大值
图7(a~b)所示，比较了面-面摩擦下的摩擦系数以及表 后，会开始反向变化直到出现1个相对稳定值，并且当
面电势的变化. 在所使用的摩擦条件下，钢片与聚四 表面电势开始向相反方向演化时，摩擦系数开始进入
氟乙烯表面之间的平均摩擦系数约为0.14，这比钢球- 稳定阶段. 因此可以把表面电势反向演化的开始时间
PTFE的摩擦系数略大，可能是增大了实际的接触面 用作摩擦系数进入稳定阶段的标志，这对于评价材料
积所致. 与球-盘摩擦类似，摩擦系数的稳定阶段对应 摩擦跑合期的长短具有重要意义. 当摩擦过程中载荷
着PTFE表面电势的显著增加阶段. 和摩擦速度发生变化时，钢-PTFE的摩擦系数进入稳
图7(c~d)展示了钢片表面形成的转移膜在普通模 定阶段的时间会有所不同. 如图8(a)所示，随着载荷的
式和滤光模式下的光学照片，可以明显看出，钢片上 增大，摩擦系数呈现出逐渐减小的趋势. 这与其接触
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存在PTFE的转移膜. 图7(e)展示了PTFE转移膜在钢片 面积与载荷的非线性变化有关 . 表1中展示了载荷、
上并非完全覆盖整个圆面，而是呈现部分覆盖的特征. 接触面积以及接触面积和载荷比值的关系，所采用的
这表明，实际的摩擦过程是钢与PTFE的转移膜与基 PTFE的弹性模量为5×10 Pa，泊松比为0.4. 可以看出
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底材料的混合摩擦. 图7(f)与图7(g)展示了钢片上 虽然载荷和接触面积均呈增大的趋势，但是接触面积
PTFE转移膜的SEM图像和F元素的分布图像. 通过钢 与载荷的比值却是逐渐降低的. 材料的摩擦力在本质
片上PTFE转移膜的局部形貌的SEM照片可以看出， 上是载荷与摩擦界面的剪切力(剪切模量与接触面积
PTFE的转移膜为片状且存在由于犁耕作用产生的细 的乘积)的比值，由于材料的剪切模量基本保持不变，
微磨痕，转移膜之间存在互相重叠的现象. 通过F元素 也就意味着在切向方向上接触面积与载荷比值的变
的分布图像证明了PTFE向钢片的转移. 化趋势可以反映摩擦系数的变化趋势. 由于实际接触