GBT 47232-2026《仿生结构表面摩擦系数测试方法》

1仿生结构表面摩擦系数测试方法本文件描述了仿生结构表面摩擦系数的测试方法。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T17754—2012摩擦学术语3术语和定义仿生结构表面biomimeticstructuredsurfaces基于仿生学原理，通过模仿生物体表面的宏观、微观及纳观三维结构形态、分布规律与内在物理化学特征，设计制造出的新型功能表面。非光滑表面non-smoothsurfaces在界面摩擦系统的光滑固体表面上，存在一种或几种因素导致非光滑效应的表面。注：非光滑效应为在同一界面摩擦系统中，固体表面本身使切向运动阻力发生规律性变化的各种因素，包括由于外界环境各种作用造成该表面摩擦状态的变化。几何非光滑仿生结构表面geometricalnon-smoothbiomimeticstructuredsurfaces在同一个光滑表面的基准面上，由规则或随机分布的几何形状与尺寸大致相同的几何单元体构成的几何连续表面。力学非光滑仿生结构表面mechanicalnon-smoothbiomimeticstructuredsurfaces因表面局部区域的材料成分、化学性质或物理属性发生改变，导致相应区域的力学性质发生变化并呈现力学非光滑效应的表面。注：根据三维坐标，力学非光滑仿生结构表面(3.4)可分为力学非光滑仿生结构表面(水平方向)和力学非光滑仿生结构表面(垂直方向)两类，分别指在水平方向和垂直方向上具有力学非光滑效应的表面。在水平和垂直方向均具有力学非光滑效应的仿生结构表面不在本文件考虑范围之内。结构特征单元structuredfeatureunit仿生结构表面(3.1)中，具有特定分布规律且能够独立体现其几何形态或力学特征，并可实现其基础功能的最小单元。2结构特征单元尺寸structuredfeatureunitsize几何非光滑仿生结构表面(3.3)上，两个相邻结构特征单元(3.5)投影面几何中心的最大间距尺寸；力学非光滑仿生结构表面(3.4)中，两个相邻结构特征单元(3.5)几何中心之间的最大间距尺寸。摩擦头frictionblock垂直于被测试样表面放置，用于对被测试样表面实施摩擦的部件。行程长度strokelength在往复摩擦测试中，摩擦头(3.7)相对于被测表面的运动轨迹上两个转向点之间的直线距离。滑动距离slidingdistance摩擦测试中，摩擦副在相对滑动过程中累计经过的总轨迹长度。4测试原理摩擦头固定在配备有载荷和位移传感器的加载装置上，由其上方的位移驱动装置带动，沿垂直方向上下移动。载荷加载装置用于向被测试样施加预设的法向载荷。同时，位移驱动装置带动固定于平台上的被测试样按照设定的滑动速度进行往复运动，使仿生结构表面与摩擦头之间产生相对滑动。摩擦过程中切向摩擦力的绝对值与法向载荷的比值即为该仿生结构表面的摩擦系数，见公式(1):式中：μ—仿生结构表面的摩擦系数；|F|——切向摩擦力的绝对值，单位为牛(N);N——施加的法向载荷，单位为牛(N)。5测试装置摩擦测试装置示意图见图1,被测试样和摩擦头的位置可根据测试设备的构造不同调换位置，设备各构件的作用、功能和要求如下：——隔振台：仿生结构表面的结构特征单元为纳米或微米级尺度时，应配备隔振台；——工作台：位于测试装置底部，可根据测试需求安装于隔振台上；—移动平台：用于在水平方向带动试样以设定的滑动速度进行滑动；——位移驱动装置：包括水平位移驱动装置和垂直位移驱动装置，用于驱动移动平台进行水平或垂直方向的线性移动，其分辨率应优于位移满量程的千分之一；——润滑剂容器：装载润滑剂的容器；——试样夹具：用于固定被测试样的装置；——摩擦头：摩擦头的选择依据见7.3;——固定卡具：用于固定载荷传感器与摩擦头的装置；——载荷传感器：分辨率应优于所施加载荷满量程的万分之一；——载荷加载装置：用于向被测试样施加法向载荷并采集法向载荷及切向摩擦力数据，施加的法向载荷数值应在测试装置法向载荷传感器量程的10%～80%之间。标引序号说明：1——隔振台；2——工作台；3——移动平台；4——水平位移驱动装置；5——润滑剂容器；6——试样夹具；7——摩擦头及固定卡具；8——载荷传感器；9——载荷加载装置；10-——垂直位移驱动装置；11——被测试样；12——润滑剂。图1摩擦测试装置、被测试样及润滑剂位置示意图6.2试样尺寸试样尺寸的俯视示意如图2所示，试样尺寸应满足如下要求：—试样厚度大于或等于1mm。A标引符号说明：A——试样长度；B——试样宽度；L₁——行程长度；L₂——单次试验摩擦头摩擦试样表面产生的最大划痕宽度。图2试样尺寸示意图46.3.1按照几何形貌和力学性能差异可分为：注：不同类型的仿生结构表面在球形摩擦头作用下的摩擦过程示意见图3。6.3.2按照结构特征单元尺寸可分为：6.3.3按照结构特征单元分布可分为：——各向同性仿生结构表面；——各向异性仿生结构表面。滑动方向滑动方向滑动方向a)几何非光滑仿生结构表面b)力学非光滑仿生结构表面(水平方向)c)力学非光滑仿生结构表面(垂直方向)图3不同类型仿生结构表面在球形摩擦头作用下的摩擦过程示意图6.4试样准备6.4.1试样结构特征单元尺寸和各向异性表征测试前选择光学显微镜、激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜对被测试样的结构特征单元尺寸和各向异性特征进行表征。6.4.2试样清洗测试前应使用去离子水或无水乙醇对试样表面进行清洗，去除可能存在的油污或灰尘，冲洗后使用吹风机吹干试样表面，清洗过程中应佩戴橡胶手套。7测试条件和测试参数7.1测试温度和湿度测试应在以下条件下进行：5——环境温度：23℃±2℃;——相对湿度：(50±10)%。7.2润滑条件7.2.1测试时可选择添加或不添加润滑剂。润滑剂主要包括液体润滑剂、固体润滑剂、类液体及类固体润滑剂。润滑剂应不与被测试样发生化学反应。7.3摩擦头7.3.1摩擦头外观及摩擦形式应按照表1的要求，根据试样的仿生结构表面类型、结构特征尺寸范围选择对应的摩擦头形状、尺寸及摩擦形式，摩擦头的几何形状及摩擦形式示意如图4所示。表1摩擦头选择依据结构表面类型尺寸(d)范围几何非光滑仿生结构圆柱形圆柱面母线与被测试[见图4a]]直径不小于结构特征尺寸的平面与被测试样接触、(见图4b)]力学非光滑仿生结构表面(水平方向)球面与被测试样接触、[见图4c]]圆柱形圆柱面母线与被测试[见图4a]]直径不小于结构特征尺寸的平面与被测试样接触、[见图4b]]力学非光滑仿生结构表面(垂直方向)直径10mm~20mm球面与被测试样接触、[见图4c]]6法向载荷滑动方向a)圆柱形摩擦头法向载荷滑动方向b)平面形摩擦头滑动方向c)球形摩擦头图4摩擦头几何形状及摩擦形式示意图7.4行程长度行程长度根据试样长度及结构特征尺寸选取，应不小于结构特征尺寸的10倍且小于试样长度。对于各向同性仿生结构表面，滑动方向不做约束；对于各向异性的仿生结构表面，则应沿多个各向异性方向分别进行摩擦系数的测试，示例见附录A。7.6.1依次使用推荐的法向载荷值，由小至大施加于试样，宜以2mm/s的固定滑动速度进行5min的摩擦预试验。对于不同形状的摩擦头，法向载荷的推荐值如下：7.6.2若预试验中，试样表面结构未发生明显压溃、断裂等失效现象，则该法向载荷可直接作为正式试验的法向载荷值。7.7滑动速度7.7.2若试样表面的特征结构发生压溃、断裂等失效情况，正式测试时应选择小于当前数值的滑动速度；若始终未发生失效现象，正式测试时可采用7.7.1中的任意滑动速度。8测试步骤8.1测试前准备及预试验步骤测试前的准备及预试验步骤如下：7a)使用标样对摩擦测试装置进行精度测试和校正，确保测试装置的各传感器可以正常运行，并对设备误差进行调零；b)根据7.3中的规定，选择摩擦头；c)使用无水乙醇擦洗摩擦头，在环境温度下挥发完全；d)将试样固定于移动平台，并安装摩擦头，移动加载装置使摩擦头靠近被测试样；e)按照7.6和7.7的规定分别开展摩擦预试验，确定正式测试时的法向载荷值及滑动速度。8.2正式测试步骤正式测试步骤如下：a)在试样上施加预试验得到的法向载荷值，加载装置停止移动，等待5s后开始摩擦测试；b)驱动移动平台使被测试样以预试验得到的滑动速度和7.4规定的行程长度作往复运动；c)滑动进行5min～30min后，结束测试，取下被测试样，收集采集到的测试数据；9试验数据处理摩擦系数试验结果处理应根据如下步骤进行：a)摩擦测试结束后，如未观察到仿生结构表面压溃或断裂等失效现象，且未被完全磨损，记录法向载荷和摩擦力随时间变化的数据；b)摩擦系数测试结果应为摩擦系数曲线上达到稳态时记录的平均值；c)根据摩擦系数公式(1)计算出摩擦系数数值；d)从平行试验结果中剔除最大和最小值，保留其余有效数据，计算出的算数平均值即为该仿生结构表面的摩擦系数；10测试报告测试报告的基本内容应包括如下内容，示例详见附录B:d)被测试样的材质，包括试样的具体材料组成；e)被测试样的结构，包括试样结构的表征结果和特征单元尺寸；f)被测试样的所属类型，包括几何非光滑仿生结构表面或力学非光滑仿生结构表面(水平/垂直方向);g)被测试样的力学性能，包括试样基材的弹性模量/硬度；h)被测试样的各向异性情况，包括是否具有各向异性、每个各向异性滑动方向的标记(若具有各向异性);i)测试装置的信息及参数，包括测试装置的品牌和型号、载荷量程和位移量程、载荷传感器和位移传感器的分辨率；j)测试条件和测试参数，包括测试的环境温度和相对湿度、所使用润滑剂及其所属类型、调滑条件、摩擦头形状及其摩擦方式、摩擦头尺寸、摩擦头材质、滑动方向、行程长度、法向载荷、摩擦8力和滑动速度；1)摩擦系数测试结果，包括所有实测值和算数平均值；m)数据采集范围，指有效数据采集区间；n)数据误差与偏差情况，包括数据的标准偏差和数据偏差来源；o)异常情况，指观察到的特殊现象；p)测试人、测试单位、测试时间、审核人、审核单位及审核时间。(资料性)各向异性仿生结构表面滑动方向和数据处理示例A.1各向异性仿生结构表面的滑动方向选择示例各向异性仿生结构表面的滑动方向选择如图A.1所示，对于由俯视为正方形、侧视为平行四边形结构特征单元阵列构成的仿生结构表面沿其结构特征单元对角线(方向1)与边线方向(方向2)的滑动摩擦系数存在差异，存在各向异性，沿两个各向异性滑动方向进行摩擦系数测试。俯视图滑动方向1滑动方向2侧视图图A.1仿生结构表面各向异性方向示例图A.2各向异性仿生结构表面摩擦系数的数据处理示例根据测得的每个各向异性滑动方向上切向摩擦力和法向载荷数据，由公式(A.1)和公式(A.2)分别计算出仿生结构表面各向异性滑动方向1和2上的摩擦系数μ1和μ2,计算结果示例见图A.2。式中：μ41——仿生结构表面各向异性滑动方向1上的摩擦系数；1μ2——仿生结构表面各向异性滑动方向2上的摩擦系数；F₁——各向异性滑动方向1上的切向摩擦力，单位为牛(N);F₂——各向异性滑动方向2上的切向摩擦力，单位为牛(N);N₁——各向异性滑动方向1上的法向载荷，单位为牛(N);N₂——各向异性滑动方向2上的法向载荷，单位为牛(N)。图A.2各向异性仿生结构表面在两个滑动方向上的摩擦系数-摩擦时间曲线示例图(资料性)测试报告示例仿生结构表面摩擦系数测试报告示例见表B.1。表B.1仿生结构表面摩擦系数测试报告送样人：送样单位：样品总数量：送样时间：内容12试样的长度、宽度、高度(单位：nm/um/mm)3试样材质4试样结构特征单元尺寸(单位：nm/μm/mm)5(水平/垂直方向)6试样基材的弹性模量(单位：Pa)或硬度(单位：HBW)7各向异性滑动方向[单位：