粗糙表面的摩擦触觉感知研究

本文中研究了手指触摸粗糙表面的摩擦振动特性、脑电生理反应和主观评价,为产品触感舒适性和抓握可靠性设计以及产品触感量化表征提供理论依据. 研究结果显示:随着表面轮廓算术平均偏差和轮廓单元平均宽度的降低,摩擦系数和功率谱重心逐渐增大,垂直偏差逐渐降低;垂直偏差、功率谱重心和摩擦系数特征参数能够反应粗糙表面的形貌特征变化,并且与人的主观感知评价一致,可以用来定量表征人对材料表面粗糙度、细致度和黏着度的感知. ERP曲线的P200成分峰值与接触表面的粗糙特征相关,粗糙度大的表面诱发的P200峰值高;P300成分与人的主观认知判断有关,粗糙感强、细致感差及黏着感低的表面诱发的P300峰值高且潜伏期短. 研究表明,材料表面的粗糙特性通过影响皮肤的接触摩擦行为,进而影响人脑的触觉感知和主观评价. 表面摩擦振动特性、人脑电生理反应和触感主观评价具有相关性,三者结合是系统研究粗糙表面摩擦触觉感知的有效手段.      

不同法向力和纹理间距下的手指皮肤感知能力研究

手指与物体表面接触摩擦过程中会产生压缩、拉伸等机械变形,这一过程中包含丰富的触觉信息,对人体感知外界环境具有重要意义.针对当前研究中难以将摩擦信号与人体主观感受相结合的问题,采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机对受试者食指部位施加不同的恒定法向载荷来模拟触摸力,通过改变触摸样品的纹理间距、接触介质及直径,对木棒数目做出判断.结果表明:指尖滑过试验样品时所受周期性压力变化曲线可以反映受试者的摩擦感知状况;随着法向力及样品纹理间距的增大,受试者判断的准确性逐步提高,摩擦感知能力增强;指尖与样品之间的润滑介质减小了手指皮肤与样品间的摩擦力,从而降低了受试者感知判断的准确性;直径较大的一组样品引起指尖皮肤的变形较大,受试者摩擦感知灵敏性增强.     

触摸法评价物体柔软性的感知觉力学原理分析

物体柔软性的触觉认知机理是当前感官工程研究的重点. 基于触摸法评价物 体柔软性时物体与指尖软组织的力学作用过程,及指尖皮下机械刺激感受体接受机械刺激的 模式,建立了与这一机械作用过程等效的生物力学模型; 基于该模型,提出 并证明了表征触觉系统感应、辨别物体柔软性的能力指标------机械敏感性和感觉 敏感性; 以提出的两个指标,参数化讨论了人的触觉系统在判断和辨别物体柔软性的一般 力学原理. 理论研究证明,以触摸方式评价物体柔软性时,皮下触觉感受体及相应高级认知 系统的感知能力取决于物体与皮肤软组织的抗压力阻,且与触摸力的动态变化有关. 也正是 传递机械信号的介质------软组织的可变形性致使触觉感测系统有别于实验室压缩仪的工作 模式.     

表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响

采用不同结构刚度的测量装置,对光滑表面和喷砂处理表面进行滑动摩擦噪声对比试验,研究不同粗糙度表面在不同试验装置上的摩擦尖叫噪声特性及其对摩擦尖叫噪声的影响和作用机理.结果表明:摩擦表面粗糙度和磨损情况对摩擦尖叫噪声的产生及演变具有重要的影响,表面粗糙度越大的喷砂处理表面能更明显地抑制界面摩擦尖叫噪声的产生.本试验条件下,磨屑堆积和黏着剥落等磨损特征对应的黏着撕裂作用更易引起摩擦力高频成分的产生并导致较高强度的尖叫噪声,而喷砂处理的粗糙表面能减轻这些界面因素的形成,削弱摩擦力高频成分,抑制摩擦尖叫噪声的产生.     

Au纳米颗粒织构化表面的黏着和摩擦学行为研究

利用自组装技术在单晶硅(100)面制备了Au纳米颗粒织构化表面(nanoparticle-textured surfaces,NPTS),采用原子力显微镜(AFM)和UMT-2MT摩擦磨损试验机考察了Au纳米颗粒织构化对表面微/纳尺度黏着与摩擦性能的影响机理.结果表明:在颗粒堆积密度较低的表面,接触力学符合连续接触力学模式;在颗粒堆积密度较高的表面,形成多峰接触,有效地减少了接触面积,降低了黏着和摩擦.与光滑硅表面相比,组装时间为3.0 h的Au纳米颗粒织构化表面的黏着力降低了77%,在试验载荷为7 nN时,其摩擦力降低了42%.     

盘式制动器摩擦噪声特性的试验分析

盘式制动器制动时产生的摩擦噪声不仅影响车辆的驾乘舒适性，还会带来严重的环境噪声污染. 摩擦噪声具有瞬时性与不确定性的特点，至今尚未形成对制动器摩擦噪声机理的统一论断. 基于盘式制动器声振试验台，研究了摩擦系数、摩擦力波动系数和等效A声级三个参数在不同制动压力和制动初速度下的变化规律，结合对摩擦片微观特性的试验分析，从摩擦学角度揭示了盘式制动器摩擦噪声的发生规律及机理. 结果表明:摩擦噪声随制动初速度的增大而减小，随制动压力的增加而先增大后减小；制动摩擦噪声由于摩擦系统不稳定而产生，其产生原因是因为摩擦副表面的沟壑与黏着引起，沟壑与黏着程度与噪声的声压与频率呈正相关关系. 研究结果对于解释制动器摩擦噪声发生机理、控制制动器噪声污染具有重要理论意义和实际价值.      

载荷和电压对纯铜滚动载流摩擦学性能的影响

基于FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机,研究了纯铜滚动载流摩擦副在不同载荷和外加电压下的性能变化规律,并利用扫描电子显微镜、白光干涉三维形貌仪等对摩擦表面进行微观分析,揭示了稳态运行时性能变化的机理.研究表明:增加载荷和增加电压均促进粗糙接触表面发生形变,真实接触面积的增加降低了接触电阻,摩擦区域粗糙度的改善提高了动态摩擦系数和动态电阻的稳定性.但电阻热促进材料黏着,因而同一载荷下载流摩擦系数高于单纯机械摩擦系数,且随外加电压的增加持续增加.     

摩擦磨损的接触界面势垒理论研究

根据系统和能量的观点,从摩擦界面的微观相互作用出发,提出摩擦磨损的接触界面势垒理论,研究接触界面势垒和标准接触界面势垒的计算方法,并推导出摩擦力、摩擦系数以及粘着磨损量的计算公式.研究表明,界面的摩擦磨损性能取决于接触界面势垒的大小和分布,用标准接触界面势垒作为表征摩擦副材料摩擦磨损特性的指标具有较好的独立性和稳定性.利用已有的实验数据进行计算,结果与超高真空原子力显微镜实验结果基本符合,验证了所提出理论和方法的可行性.     

界面润湿性和粗糙度对橡胶滑动摩擦行为的影响

当黏弹性体接触界面介于湿和干之间时，总是捕捉到1个高于干摩擦的润湿状态，称为黏着态.该状态下最大摩擦系数称为摩擦峰.本文中利用涂覆不同材料的载玻片探究了界面润湿性(θ)和粗糙度(Ra)对摩擦峰的影响.摩擦试验发现，干燥条件下，Ra相近时，PDMS半球与θ较小的表面，摩擦更大；θ相近时，与Ra较小的表面，摩擦更大.润湿转变试验中发现，黏着态下摩擦系数最大增长百分比(Δμ%)与滞后位移增长百分比(ΔS%)之间呈较好的线性关系.摩擦系数与滞后位移的增长与接触表面间残余液滴有关.试验发现：光滑载玻片表面的Ra相近时，θ较小的表面，摩擦峰较低；θ相近时，Ra较小的表面，摩擦峰较低.该结果表明，黏着态下接触区域内微液桥的数量和形状对摩擦峰具有重要影响.     

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.      

摩擦诱发的事件相关电位认知成分特征研究

本研究旨在讨论人在探索物体表面时由物体表面摩擦属性的影响而引起的脑电变化.而事件相关电位技术是观测这一变化的理想手段.试验通过Neuroscan 64导事件相关电位采集系统来采集脑电信号,采用Oddball范式来诱发P300电位,并观察摩擦诱发的事件相关电位的认知成分P300的潜伏期和峰值特点.样本为摩擦系数不一样但其他属性基本一致的三种纸类.受试者通过手指主动触摸的方式判断物体表面摩擦力大小,观察此过程中的事件相关电位.试验发现,摩擦系数大样本诱发的P300的潜伏期小,峰值大.摩擦系数小的样本诱发的P300潜伏期大,峰值小.     

Measurement on Friction Coefficients of Tire Grounding Surface in Arbitrary Directions under High-Load

In order to measure friction coefficients of tire grounding surfaces in car running, a simple cantilever-type tactile sensor that can detect the vertical load and friction force applied to the sensing part as well as direction of the friction force, simultaneously, has been proposed. The present study equips the proposed sensor to a tire and confirms that the sensor can measure the friction coefficient of the tire grounding surface. For this purpose, measurements in this study were conducted using a sensor under a similar load as that of a common automobile travelling in an arbitrary direction. In order to perform the experiments under a high load in an arbitrary direction, we developed a parallel mechanism-type tire-driving device. The developed device can apply a high load to the tire in an arbitrary direction and can measure the vertical load, friction force, and the direction of the friction force applied to the tire involving the sensor. Thus, the measurement accuracy of the proposed sensor can be verified by comparing the output of the sensor to that of the driving device. As a result of this study, we clarified that the measurement values of the sensor are affected by the deformation of the tire, and proposed a method for correcting the effect of the tire deformation. By introducing the proposed correction method to the measurement of the sensor, it was confirmed that the friction coefficients of various surfaces can be measured with sufficient accuracy under a practical high-load condition.     

食品口腔摩擦学研究进展

食品在口腔加工的过程被认为涉及流变学和摩擦学机制，而口腔摩擦则被认为是口腔质构感知产生的一个重要机理，用来描述舌头与口腔上颚、舌头与食品之间相对运动以及由此产生的触觉感受. 本文中综述了近年来食品口腔加工领域的摩擦学研究进展，包括摩擦学测量技术与方法、体内口腔摩擦和感官知觉之间的联系等. 相关研究表明，摩擦学测量为几种与质构相关的感知提供了理论依据，但获得两者之间的量化经验关系仍然很有挑战性；同时，由于摩擦学和感官感知受到多种物理化学性质的影响，因此必须将摩擦学和其他表征技术相结合用以解释两者的相互关系及机制，从而促进食品口腔加工摩擦学的持续和深入发展，并为高品质食物和饮料的研究和设计提供重要工具和理论支撑.      

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

人手指腹与光滑物体间的静摩擦力与湿度和抓持力的关系

为了研究人手指抓持表面光滑物体时静摩擦力与湿度和抓持力的关系，在本研究中设计并制作了一种可在被抓持物体的重量连续变化的条件下测量指腹变形、抓持力及摩擦力的装置. 在不同湿度和被抓持物体重量的条件下测量并分析了指腹变形及其与表面光滑物体之间的最大静摩擦系数，通过指腹变形量度量指腹与被抓持物体之间的黏着力，以此分析湿度对最大静摩擦系数的影响机理. 结果表明:最大静摩擦系数依存于抓持力，随抓持力的增加先呈负幂函数变化，然后稳定为一定值；湿度会影响指腹与被抓持物体之间的黏着力，从而影响抓持的最大静摩擦力；潮湿时黏着力最大，抓取表面光滑物体最省力且不易打滑；湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的，最大静摩擦系数随湿度的增加而增加，到达峰值后逐渐减小.      

Sliding of two smooth indenters on a viscoelastic foundation in the presence of friction

The axisymmetric contact problem of sliding of two solid parabolic indenters on a viscoelastic half-space with constant velocity is considered. Shear stresses modeling the adhesive component of the friction force act in the contact area. The model of the foundation material is described by an integral operator with an exponential kernel characterized by one relaxation time. The problem is solved by the boundary element method. The dependences of the contact characteristics on the sliding velocity, the normal load, and the distance between the centers of the indenters is analyzed. The results can be used to study the effect of the roughness elements modeled by two indenters on the contact characteristics and the deformation component of the friction force.     

Adhesion and friction of an elastic half-space in contact with a slightly wavy rigid surface

The paper deals with the estimation of the pressure distribution, the shape of contact and the friction force at the interface of a flat soft elastic solid moving on a rigid half-space with a slightly wavy surface. In this case an unsymmetrical contact is considered and justified with the adhesion hysteresis. For soft solids as rubber and polymers the friction originates mainly from two different contributions: the internal friction due to the viscoelastic properties of the bulk and the adhesive processes at the interface of the two solids. In the paper the authors focus on the latter contribution to friction. It is known, indeed, that for soft solids, as rubber, the adhesion hysteresis is, at least qualitatively, related to friction: the larger the adhesion hysteresis the larger the friction. Several mechanisms may govern the adhesion hysteresis, such as the interdigitation process between the polymer chains, the local small-scale viscoelasticity or the local elastic instabilities. In the paper the authors propose a model to link, from the continuum mechanics point of view, the friction to the adhesion hysteresis. A simple one-length scale roughness model is considered having a sinusoidal profile. For partial contact conditions the detached zone is taken to be a mode I propagating crack. Due to the adhesion hysteresis, the crack is affected by two different values of the strain energy release rate at the advancing and receding edges respectively. As a result, an unsymmetrical contact and a friction force arise. Additionally, the stability of the equilibrium configurations is discussed and the adherence force for jumping out of contact and the critical load for snapping into full contact are estimated.     

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.