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博碩士論文 etd-0713100-174101 詳細資訊
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論文名稱
Title
摩擦接觸面之磁化與帶電現象
Phenomenon of magnetization and electrification on Friction surfaces
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
109
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee

口試日期
Date of Exam
2000-06-30
繳交日期
Date of Submission
2000-07-13
關鍵字
Keywords
乾摩擦、摩擦帶電、磨潤元件、摩擦磁化、磨耗
Frictional electrification, Frictio, Dry friction
統計
Statistics
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中文摘要
摘 要

由於磨潤元件及潤滑劑之多樣化,磨潤元件產生摩擦磁化及帶電之效應愈趨顯著。為了解摩擦帶電及磁化對磨潤特性及小型化電子控制元件訊號之影響,本研究使用往復式摩擦帶電試驗機,進行乾摩擦接觸之摩擦磁化與帶電的實驗。探討在各種實驗操作參數,如驅動速度、正向負荷及滑動距離作用下,三種材料配對之摩擦帶電與磁化之行為,並以光學顯微鏡及電子顯微鏡觀察分析磨耗表面之成分。
研究結果顯示,不同的實驗操作條件下,摩擦接觸面之磁化與帶電量,會隨負荷的增加而增加,會隨材質含碳量的降低而增加,並且與材質配對有關。從摩擦表面上,可發現磨耗粉有被磁化,甚至靜電作用使磨耗顆粒在表面上產生黏附現象。此外,在微觀上,摩擦帶磁、帶電與摩擦.磨耗行為有關。

Abstract
ABSTRACT

Because of a great variety of tribocomponents and lubricants, the phenomenon of frictional magnetization and electrification between tribocomponents becomes more obvious. In order to understand the effects of frictional magnetization and electrification on tribology characteristics and miniature electrical control component signal, the frictional magnetization and electrification test under dry friction condition is investigated by the reciprocating electrification tester. Three material-pair types will be investigated their frictional magnetization and electrification behavior under various operating parameters, e.g. driver speed, normal load, and sliding distance. Moreover, the worn surface will be observed by the optical microscopy and SEM.
Results show that the magnetization and electrification on friction surfaces increases with increasing load, and decreases with the carbon content of a material, and depends on material-pair. It is found that wear particles have been magnetized on the friction surface, even that the wear particles has been adhered to the surface caused by electro static action. Moreover, in the microscopic view, the frictional magnetization and electrification are related to both friction and wear.

目次 Table of Contents
目 錄
頁次
中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 xi
符號說明 xii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 接觸帶電與摩擦帶電之區別 2
1.3 接觸帶電之概要 3
1.4 摩擦帶電之概要 4
1.5 摩擦帶磁之現象 5
1.6 文獻回顧 7
1.6.1 摩擦放射之基礎研究 7
1.6.2 接觸帶電之基礎研究 9
1.6.3 摩擦帶電之基礎研究 10
1.6.4 摩擦帶磁之基礎研究 13
1.7 本論文之研究目的 15
1.8 本論文架構 15
第二章 電磁理論 16
2.1 電磁的發展簡史 16
2.2 原子之電子結構 17
2.3 帶電表面所引起之電場 18
2.4 放電特性 19
2.5 磁之基礎架構 23
第三章 實驗設備及實驗方法 27
3.1 實驗設備 27
3.1.1 往復式摩擦帶電試驗機 27
3.1.2 量測設備 28
3.2 量測設備校正 30
3.3 實驗條件 32
3.3.1 試片材質配對之尺寸 32
3.3.2 試片處理方法 32
3.3.3 試片接觸面之調整 33
3.3.4 實驗參數與摩擦狀態 34
3.4 實驗步驟 37
第四章 實驗結果與討論 40
4.1 溫度對消磁特性的影響 40
4.2 砂紙研磨試片表面之磁場性質的變化 43
4.2.1 砂紙研磨之次數與方式對試片表面磁場之影響 43
4.2.2 不同砂紙號數對試片表面磁場之影響 44
4.3 摩擦條件下對試片表面之磁場性質的影響 52
4.3.1 手動單向與往復研磨對試片表面磁場之影響 52
4.3.2 不同荷重及摩擦距離對試片表面磁場之影響 53
4.3.3 不同材質配對下荷重與速度對試片表面磁場之影響 54
4.4 摩擦條件下對摩擦帶電的影響 68
4.4.1 負荷對電壓之影響 68
4.4.2 速度對電壓之影響 69
4.4.3 金屬摩擦表面間自發性電壓之成因-界面動電現象 76
4.5 不同材質配對之摩擦係數變化 82
4.6 接觸面間之磨耗型態 93
第五章 結論與展望 96
5.1 結論 96
5.2 展望 97
參考文獻 99
附錄A 103


圖 目 錄
頁次
圖1-1 異種金屬接觸下所形成之電位差(電子從功函數小之金屬往功函數大之金屬移動,前者為正極性,後者為負極性,兩者間形成電位差) 6
圖1-2 Nakayama開發的摩擦放射量測設備基本架構圖 14
圖1-3 吉岡等人開發的摩擦帶電試驗機 14
圖2-1 金屬之電子的位能與電子傳導帶模式 20
圖2-2 金屬內外位能說明圖 22
圖2-3 (a)軌道電子(b)電子自旋都等效於(c)電流迴路 24
圖2-4 在固定體積內包含許多磁矩,可視為螺旋線圈 24
圖3-1 往復摩擦試驗機暨量測系統的架構圖 29
圖3-2 往復式摩擦試驗機之實體照片 29
圖3-3 量測驅動負荷之負荷計校正曲線 31
圖3-4 地球磁場,地磁軸心有11度偏折角 32
圖3-5 試片之幾何形狀及尺寸:(a)上試片,(b)下試片 35
圖3-6 實驗之工作流程圖 39
圖4-1 三種材質於不同溫度下加熱2小時,加熱溫度對試片表面磁場之影響 42
圖4-2 上、下試片在消磁後,進行1500號砂紙研磨,研磨次數對表面磁場的影響 46
圖4-3 下試片在消磁後,進行1500號砂紙研磨,不同研磨方式之研磨次數對表面磁場的影響 47
圖4-4 上試片在加熱消磁後,與240號砂紙進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,研磨次數對磁場的影響 48
圖4-5 上試片在加熱消磁後,與400號砂紙進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,研磨次數對磁場的影響 49
圖4-6 上試片在加熱消磁後,與800號砂紙進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,研磨次數對磁場的影響 50
圖4-7 上試片在加熱消磁後,與1200號砂紙進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,研磨次數對磁場的影響 51
圖4-8 已消磁之上、下試片於機架上進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,其研磨次數對表面磁場的影響 56
圖4-9 已消磁之上、下試片於機架上進行手動往復對磨,正向負荷9.8N,其研磨次數對表面磁場的影響 57
圖4-10 未消磁之上、下試片於機架上進行手動單向對磨,正向負荷9.8N,其研磨次數對表面磁場的影響 58
圖4-11 在正向負荷9.8N,驅動衝程10mm及驅動速度100cpm下運轉後,上、下試片表面磁場與摩擦距離的關係 59
圖4-12 在正向負荷49N,驅動衝程10mm及驅動速度100cpm下運轉後,上、下試片表面磁場與摩擦距離的關係 60
圖4-13 在正向負荷98N,驅動衝程10mm及驅動速度100cpm下運轉後,上、下試片表面磁場與摩擦距離的關係 61
圖4-14 在驅動速度100cpm及驅動衝程10mm下,中碳鋼對中碳鋼摩擦5m,其不同正向負荷與試片表面磁場的關係 62
圖4-15 在驅動速度100cpm及驅動衝程10mm下,鋁對中碳鋼摩擦5m,其不同正向負荷與試片表面磁場的關係 63
圖4-16 在驅動速度100cpm及驅動衝程10mm下,低碳鋼對中碳鋼摩擦5m,其不同正向負荷與試片表面磁場的關係 64
圖4-17 在正向負荷98N及驅動衝程10mm下,中碳鋼對中碳鋼摩擦3m,其不同驅動速度與試片表面磁場的關係 65
圖4-18 在正向負荷98N及驅動衝程10mm下,鋁對中碳鋼摩擦3m,其不同驅動速度與試片表面磁場的關係 66
圖4-19 在正向負荷98N及驅動衝程10mm下,低碳鋼對中碳鋼摩擦3m,其不同驅動速度與試片表面磁場的關係 67
圖4-20 在驅動衝程10mm及驅動速度100cpm,中碳鋼對中碳鋼相互摩擦時,不同荷重對試片表面帶電量的影響 70
圖4-21 在驅動衝程10mm及驅動速度100cpm,鋁對中碳鋼相互摩擦時,不同荷重對試片表面帶電量的影響 71
圖4-22 在驅動衝程10mm及驅動速度100cpm,低碳鋼對中碳鋼相互摩擦時,不同荷重對試片表面帶電量的影響 72
圖4-23 在驅動衝程10mm及正向負荷98N,中碳鋼對中碳鋼相互摩擦時,不同驅動速度對試片表面帶電量的影響 73
圖4-24 在驅動衝程10mm及正向負荷98N,鋁對中碳鋼相互摩擦時,不同驅動速度對試片表面帶電量的影響 74
圖4-25 在驅動衝程10mm及正向負荷98N,低碳鋼對中碳鋼相互摩擦時,不同驅動速度對試片表面帶電量的影響 75
圖4-26 (a)溫度梯度存在時,金屬中能量的不平衡分布(b)在金屬中引起席貝克電壓之電子能量的平衡分布 77
圖4-27 兩金屬間的接觸電位 78
圖4-28 以導線C連接金屬A及金屬B所產生之接觸電位,則導線兩端間的電壓為零 79
圖4-29 接觸帶電的概念圖 81
圖4-30 接觸帶電後的分離過程 81
圖4-31 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷9.8N之條件下,中碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 84
圖4-32 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷49N之條件下,中碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 85
圖4-33 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷98N之條件下,中碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 86
圖4-34 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷9.8N之條件下,鋁對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 87
圖4-35 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷49N之條件下,鋁對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 88
圖4-36 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷98N之條件下,鋁對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 89
圖4-37 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷9.8N之條件下,低碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 90
圖4-38 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷49N之條件下,低碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 91
圖4-39 在驅動衝程10mm、驅動速度100 cpm與正向負荷98N之條件下,低碳鋼對中碳鋼摩擦,其上下試片接觸面間之摩擦係數變化情形 92
圖4-40 中碳鋼與中碳鋼配對摩擦,接觸表面之光學顯微照片(a)上試片 (b)下試片 94
圖4-41 鋁與中碳鋼配對摩擦,接觸表面之EDS顯微照片(a)上試片 (b)下試片 95
圖A-1 (a)穿隧效應 (b) 穿隧電流It與距離d的關係圖,d的變動很小,相對應的It變動卻很大,因此回饋電路可以輕易保持固定的d。 103
圖A-2 摩擦等離子體模型 104

表 目 錄
頁次
表1-1 不同物質之摩擦參考電性 3
表1-2 不同物質之摩擦參考電性 3
表3-1 試片之材質、熱處理及硬度 36
表3-2 實驗操作條件 36

參考文獻 References
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