【行业应用】光谱共焦-摩擦第三体的粗糙度和磨损轮廓测量

在电气部件中，触点寿命和电信号质量部分取决于磨损和摩擦第三体形成。在某些情况下，它们可能是严重粘附现象的根源，伴随着表面之间的传导中断，或电信号质量下降。但在其他情况下，摩擦第三体可以是一个保护层，有助于两个表面之间的速度调节，或者通过填充微凸体来捕获磨损颗粒并平滑接触。

在边界润滑条件下，不同的机理可能有助于形成摩擦第三体：

l 机械过程包括通过磨损、粘附和分层机制从第一表面分离颗粒/碎屑，从而在界面处形成一层被截留的磨损颗粒。众所周知，较硬的表面会磨损较软的表面，并通过塑性变形对其造成损坏。当由颗粒增强聚合物基体组成的复合材料与较硬的表面接触时，也会出现相同类型的机制。机械应力可能导致颗粒从基体上分离，并在接触过程中释放。在充分边界润滑的情况下，这些颗粒可能发挥作用，甚至促进摩擦层的形成。一个众所周知的例子是钢表面上ZDDP衍生的摩擦膜，其中铁氧化物磨损颗粒溶解在ZDDP分解产物中，并参与摩擦层的结构。此外，磨损碎屑可根据其特性提高摩擦层的机械强度和其他性能。

l 摩擦化学过程包括（a）物理吸附；（b）化学吸附；（c）与固体表面的化学反应和（d）固体表面上的化学反应，有时由固体表面催化。与传统抗磨添加剂不同，传统抗磨添加剂通过模式（c）与固体表面（如铁）发生化学反应以形成保护层，摩擦聚合过程涉及通过模式（d）形成薄膜其作用是减少附着力和磨损。

在摩擦聚合机理中，被吸附的“单体”分子（油分子：烷烃、烯烃、酯等）在摩擦接触条件下聚合，反应形成聚合物链，并自我补充。该过程取决于几个参数，如表面温度，固体表面元素和/或摩擦固体发射的电子的催化作用，导致润滑剂分子形成反应性自由基。摩擦第三体可能具有不同于母体材料的性质，它们反过来强烈影响其相关材料的稳定性和可靠性摩擦接触。因此，了解它们的形成机制和特性非常重要，特别是在应用需要电流通过接触界面传输时：事实上，摩擦第三体通常是绝缘的或导电性差的。

在目前的工作中，所研究的电气部件包括为航空应用开发的位置传感器。与此传感器相关联的驱动是轴的旋转。因此，运动是指一个角度θ，θ=0是轨迹的中心（θ可以是正的或负的）。光标轨迹触点安装在电位计中，因此给定的θ对应于一个固定电阻，假定在时间上不变：读取电阻，电子控制系统向计算机提供轴的角度位置。如果出现高接触电阻Rc，可能会干扰该测量。如果Rc>30000Ω，即实际上，如果电路因绝缘膜的形成而在轨道的任何地方或有限区域被切断，则功能丧失。

传感器内部的摩擦电触点如图1所示：

l 由填充有碳和石墨颗粒的聚合物制成的轨道；事实上，它被包裹在一个300度角的圆柱形容器内，曲率半径约为30毫米

l 一种由贵、高导电性AgPd合金制成的移动光标，在轴旋转时在轨道上滑动，以收集电位计配置中的电张力（施加的总电张力约为10 V）。

图1.传感器内部的接触几何结构由AgPd光标与填充有碳颗粒的聚合物轨道接触组成。仅显示轨道的横截面。

在这种往复滑动条件下，可能会出现磨损，尤其是聚合物轨道的磨损。常见的解决方案是在界面中引入固体或液体润滑剂。在反复摩擦条件下，高效润滑剂不应退化。此外，该应用要求低挥发性和高粘度指数，以便在可能变化的温度和压力下具有稳定的使用性能。最后，传感器可沿所有轴旋转，触点的进给不得中断。一般选用硅油/PTFE润滑脂。

在电触点中，一种有效的润滑剂可以提高配合表面的耐磨性，同时保持接触电阻低且稳定。这可以通过在界面接触中形成抗老化和磨损的保护膜来实现。已知硅油通过摩擦聚合形成此类保护膜。这确保了低磨损，但是电阻无法保证。

对实际应用中使用的位置传感器的接触面进行的初步分析表明，在电阻聚合物轨道上粘附着一个厚而光滑的摩擦第三体。

来自法国国立巴黎高等矿业学校和Vishay半导体的ManonIsard等人在文章中讨论研究了摩擦第三体的形态、化学和电学特性，以便（a）了解其形成背后的机制（b）评估其对传感器电性能和可靠性的影响，以及（c）提供润滑解决方案未来发展的建议。

他们选用了光谱共焦位移传感器来测量接触面的磨损轮廓和粗糙度参数，选用的探头测量垂直分辨率为3nm，测量位移步长为1μm。

论文标题：Synergistic effects between oiltribopolymerisation and abrasive wear in forming a protective third body in aconductive polymer/noble metal electrical contact