【摘要】：由于摩擦廣泛存在于生產(chǎn)和生活中,其機理及計算方法一直是工程界和物理學界的重點研究對象。當前摩擦機理遠未清楚,人們往往能夠解釋某種實驗現(xiàn)象,但卻不能準確預測材料的摩擦性能,在工程應用中需要通過實際測量來獲取,因此建立符合實際的數(shù)學物理模型,使正確計算和控制摩擦成為可能,具有較強的現(xiàn)實意義。本文基于熱力耦合的觀點,以量子力學理論為基礎,以界面摩擦為研究對象,在量子諧振子模型基礎上探討界面溫升和摩擦力的計算與控制,并研究了法向載荷、滑動速度、溫度等工況參數(shù)對界面摩擦的影響,以期為摩擦學設計和摩擦材料的制備提供理論參考。 首先,通過對界面原子在接觸勢能場的作用下受迫振動的微觀機理分析,基于振動能量轉化為界面溫升的觀點,運用統(tǒng)計物理學和量子力學理論,建立了界面原子熱振動的溫升模型。研究表明,界面原子的溫升與接觸勢能幅值、相對滑動速度、原子間力常數(shù)、晶格常數(shù)有關,受原子質量的影響不大。 其次,基于摩擦功耗散為界面原子熱振動的原理,建立了基于量子理論的滑動摩擦力計算模型。對單峰接觸的界面摩擦研究結果表明,摩擦力近似與法向載荷成線性增長關系,與真實接觸面積之間并非嚴格的線性關系,也就是說,滑動摩擦系數(shù)并不是一常數(shù)。通過熱激發(fā)對滑動摩擦力的影響研究表明,摩擦力隨著速度的對數(shù)(ln v)的增加而增加,隨著溫度的增加而降低,但降低的幅度有限。 再次,利用量子力學和晶格動力學理論,建立了聲子能量耗散模型。研究結果表明,界面摩擦的能量90%以上都以聲子的形式耗散。在能量耗散階段,聲子的頻率是摩擦能量耗散快慢的決定性因素,聲子頻率越高,耗散的速度就越快。 然后,研究了溫度對界面原子振動能級分布的影響。研究表明,溫度低于100K時,量子諧振子處在激發(fā)態(tài)的概率隨著溫度的升高而增加,導致摩擦系數(shù)隨溫度增加而增加；溫度100K附近諧振子處在激發(fā)態(tài)的概率出現(xiàn)峰值,導致摩擦系數(shù)在100K附近出現(xiàn)峰值：當溫度大于100K時,摩擦系數(shù)隨溫度的升高反而會降低。此外,還從溫度對材料力學特性的影響方面探討了熱效應對微界面摩擦的影響,結果顯示：當其他參數(shù)不變時,溫度上升會引起真實接觸面積增加,而摩擦力卻會下降,這表明Bowden黏著理論中臨界剪切強度不是一定值。 最后,采用原子力顯微鏡掃描實驗驗證前面提出的理論和計算方法,主要測量法向載荷、真實接觸面積、滑動速度和溫度對摩擦力的影響規(guī)律。通過將實驗結果和前面的理論計算結果對比,發(fā)現(xiàn)二者反映的規(guī)律基本一致,表明本文提出的理論和方法可行。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TH117

【參考文獻】

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本文編號：2695432