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磨潤學與潤滑劑

磨潤學(Tribology)

磨潤學就是研究固體物質在各種條件下互相磨擦時的物理、機械特性與結果,以及各種潤滑方式的效果。


潤滑劑(Lubricant)

任何用來改善固體間磨擦狀況的物質,例如降低摩擦係數、減少跳動、避免膠執(seizing)曳行(scuffing)與磨耗(wear)等現象,無論是液態、半固態、固態粉末、固態膜狀等等,都可被稱為潤滑劑。


固體間無潤滑介質的直接接觸摩擦,乃為乾摩擦,其摩擦係數不僅非常高,且在高速、重壓下必然會有瞬間局部高溫導致突出部份互相熔焊咬死,兩物體繼續相對運動時,黏焊部份剝離產生更粗糙表面與游離的尖銳硬質碎片持續製造更大面積的刮損。

因此,極少有完全無潤滑的乾摩擦狀況,現實中幾乎任何機械設計上都會採用某種形式的潤滑來改善摩擦狀況。實務上的磨潤學,就是如何選擇適當的潤滑劑來使摩擦狀態盡可能趨近混合摩擦與液態摩擦的交接處,即最低摩擦點。



上圖為低速時,油膜無法形成、兩摩擦面仍有大量的直接接觸點,稱為邊界摩擦狀態 上圖顯示當速度逐漸增加時,油膜隨著速度的增加而增厚,只有摩擦面上較突出的點仍會彼此接觸,稱為混合摩擦狀態 上圖顯示當摩擦面達到一定相互速度以後,油膜完全將兩摩擦面分離、無固體對固體的接觸點,此時稱為流體摩擦狀態


上圖為Stribeck曲線,可用來描述「摩擦係數vs.摩擦速度」的關係:

在最低摩擦點前,摩擦速度愈高、摩擦係數愈低,因為隨著速度的增加,油膜隨之增厚、固體間的接觸減少,故摩擦係數急速下降。越過最低摩擦點後,摩擦速度愈高、摩擦係數愈高,因為液態摩擦的運動阻力(即摩擦力)即油膜本身的流體阻力,根據流體動力學,剪切速度愈高、流體阻力愈高,而流體阻力即是黏度的具體表現。

可見,摩擦係數並非單純的靜、動摩擦兩個數值,而是隨著摩擦速度呈先降低後昇高地連續演變過程。