Page 119 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 张伟鑫, 等: 机械受压工况下软-硬作用界面的接触行为研究 1373

1 N 0 ms 10 ms 20 ms 30 ms 40 ms 200 ms 300 ms

5 N 0 ms 2 ms 8 ms 40 ms 60 ms 400 ms 300 ms

9 N 0 ms 2 ms 40 ms 200 ms 300 ms 600 ms 300 ms

16 N 0 ms 2 ms 4 ms 40 ms 200 ms 1 s 300 ms

(a) Selected images acquired at 1, 5, 9, 16 N during 0~300 s
2.5
1 N t=1 s
5 N
9 N
2.0
Contact diameter, 2a/mm 1.5
16 N

1.0

0.5

0.0
0 200 400 600 8001 000 100 200 300
Time, t/ms Time, t/s
(b) Curve of the diameter of the contact zone 2a as a function of time
Fig. 6 Measurements of contact diameter 2a as a function of time at 1, 5, 9, 16 N
图 6 1、5、9、16 N载荷下接触直径2 a随时间变化的测量结果

个变形区域沿法向载荷方向的中心线基本对称，呈现 2.4 加载-卸载过程中PDMS薄膜变形行为的原位
出中间低两边高的“碗”状压痕轮廓，这与赫兹接触理 测量
论的预测结果保持一致. 随着时间的推移，“碗口”的 试验过程中，通过将砝码迅速放置于图3所示的
径向直径2 a和压痕深度d逐渐增大，且在t=1 s后基本 杠杆之上、维持300 s的时间和迅速从杠杆拿走砝码来
不再发生变化. 需要说明的是，需进一步开展研究来 实现系统加载、保载和卸载整个完整过程. 首先利用
明晰影响软接触表面变形轮廓的重要因素，例如软材 高速相机记录整个变形过程，然后系统分析获取的图
料的厚度、弹性模量、孔隙率和各向异性等，这对于 像序列，绘制接触直径2a和压痕深度d随时间的变化
指导兼具优异力学承载性能的仿生材料的设计具有 曲线，分别如图9(a)和(b)所示.
重要意义. 另一方面，相关研究表明摩擦运动下软接 测量结果表明PDMS薄膜受外力时的变形行为强

触表面的变形对其润滑性能有重要的影响，水基润滑 烈依赖于外力的作用时间，且形变与时间并不呈现线
体系下生物表面呈现出的独有润滑增强特性也与软 性关系. 与图6和图7所描述的一样，加载阶段的曲线
接触表面的变形存在重要关联，即生物表面的润滑行 显示了PDMS薄膜随时间而变化的力学蠕变现象，此
为受表面变形和界面液膜相互耦合作用的影响，且随 时线性聚合物材料PDMS内部的高分子链段不得不被
着时间和工况的变化而不断发生自我调节，这对于揭 迫舒展而发生构象变化，由此产生了内应力以抵御外
示软物质表面的复杂润滑机制非常重要. 载荷，宏观上表现为形变量(2 a和d)随时间迅速增长从