Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT- MÒN
1. Các lý thuyết về ma sát.
Còng nh các ngành khoa học khác, khoa học về ma sát phát triển không
ngừng và gắn liền với các ngành công nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô
tô, giao thông đường sắt và gia công kim loại. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về
bản chất của ma sát là rất cần thiết để trước hết có thể mô hình hoá, tiếp theo
đó là lượng hoá và điều khiển được các quá trình xảy ra khi ma sát. Các kiến
thức về ma sát giúp cho các nhà nghiên cứu định hướng được công việc và
giải quyết được các vấn đề do thực tiễn đặt ra.
Những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực ma sát là Amoton,
Culong, Leona dơ Vinxi và sau này là M.L.Lomonoxop,….
Ở Nga, khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn được hình thành từ khi
thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop
đã thiết kế thiết bị đầu tiên nghiên cứu sự liên kết giữa các phân tử của các vật
thể. Đó là tiền thân cho các thiết bị hiện đại sau này nghiên cứu về độ mài mòn
của vật liệu.
Ma sát đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các lý thuyết về ma sát mài mòn
vẫn không ngừng được bổ xung và phát triển cùng với sự phát triển của các
ngành khoa học khác. Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết
điện cho đến các lý thuyết hiện đại ngày nay.

- 1 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
1.1 Lý thuyết cổ điển
Nhà bác học đầu tiên nghiên cứu và đề xuất lý thuyết cổ điển về ma sát là
Amoton. Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đưa ra những hiểu biết về ma sát
và mô tả dụng cụ dùng trong thí nghiệm nghiên cứu. Đó là một dụng cụ đơn
giản bao gồm một lò so gắn vào vật thí nghiệm và tất cả được đặt trên một mặt
phẳng. Đầu kia của lò so được gắn với một tải trọng nhờ đó mà vật nghiên cứu
có thể trượt trên mặt phẳng.

A là hằng số đặc trưng cho khả năng liên kết tương hỗ của vật
thể.
µ
là hệ số ma sát
N là phản lực pháp tuyến.
Về mặt gia công thô, trị số A là rất nhỏ có thể bỏ qua được. Khi đó công
thức (1) chuyển thành:
F=
µ
N (2)
Công thức (2) thường đựơc gọi là định luật Culong- Amoton.
Tóm lại, lý thuyết cổ điển về ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào
hai yếu tố chính là tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm cả trọng lượng của vật
thể và tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) và bản chất của hai vật thể tiếp xúc
với nhau
1.2 Lý thuyết phân tử
Các tác giả thuộc trường phái này mà đại diện là F.P.Bowden, D.Tabor đã
làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ ráp bề mặt, diện tích tiếp
xúc, tốc độ trượt và sự chuyển dời của vật liệu từ bề mặt tiếp xúc này sang bề

- 3 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát. Về ảnh hưởng của độ ráp bề mặt đến hệ số
ma sát, Athur Morin (1934) cho rằng: lực ma sát khi hai vật thể chuyển động
tương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma sát
giảm đi dẫn đến độ mài mòn thấp.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc, các tác giả đó cho rằng
khi bề mặt hai vật thể rất gần nhau lúc đó số điểm tiếp xúc thực tế sẽ cân bằng
với diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt và khi đó lực ma sát là lớn nhất. Nh vậy
lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt.

+
=
Trong đó:
0
µ
: hệ số ma sát tĩnh.

µ
: tốc độ trượt (m/s).
Tuy nhiên, các tác giả chưa chỉ ra là công thức trên có áp dụng được hay
không khi hai vật thể chuyển động với tốc độ lớn, bề mặt chuyển động sang
trạng thái mềm cao thậm chí bị chảy nhớt làm giảm đáng kể hệ số ma sát.
Tóm lại, lý thuyết phân tử về ma sát cho rằng bản chất của lực ma sát là
lực hút giữa các phân tử khi hai bề mặt vật thể tiếp xúc với nhau. Do đó lực
ma sát không phụ thuộc hay nói cách khác là độc lập với tải trọng. Lực ma sát
chỉ phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế và tốc độ chuyển động tương đối
của hai vật thể.
1. 3 Lý thuyết điện.
Lý thuyết này được đề xuất do trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc với
nhau gây ra sự phát sáng và có khả năng hút các vật thể nhẹ khác. Hiện tượng
này nhận thấy nhiều nhất trong công nghiệp giấy khi giấy được cán qua hai
trục. Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises

- 5 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
(1942) cho rằng điện ma sát (triboeletricity) và ma sát là hai mặt của cùng một
sự kiện: phá huỷ liên kết giữa các nguyên tử của các bề mặt tiếp xúc với nhau.
Theo lý thuyết điện thì ma sát là tổng hợp toàn bộ các liên kết điện giữa
các nguyên tử của hai bề mặt khi chúng tiếp xúc với nhau. Tương tác nguyên
tử- phân tử được coi là chủ yếu còn các tương tác cơ học chỉ là kết quả của

Các khái niệm mới về ma sát sau này do Suh và Sin đề xướng (1981).
Theo các tác giả này thì các tính chất về cơ học có ảnh hưởng lớn hơn so với
các tính chất hoá học đối với lực ma sát, nếu trong quá trình chuyển động
không có hiện tượng tăng nhiệt độ. Theo quan điểm này có thể phân chia lực
ma sát ra làm 3 thành phần:
- Biến dạng của các nhấp nhô trên bề mặt.
- Sự bám dính của các diện tích tiếp xúc.
- Sự tróc của bề mặt.
Các nhà nghiên cứu khác cũng đưa ra những lý thuyết về ma sát, bôi trơn,
hao mòn cho từng trường hợp cụ thể. Khi nghiên cứu về ma sát xảy ra ở một
vật thể có khả năng phục hồi cao tương tự như cao su, G.M.Bartenev,
V.V.Lavrentjev và N.A.Konstantinova (1971) đã đưa ra công thức sau:

- 7 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
ESN
e
S
S
ScF
α
β
α
α
/
0
11.
−



Vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol- formandehyt rất phổ biến, do vậy
đã thu hút được dự quan tâm của các nhà nghiên cứu S.K.Rhee và cộng sự
(1971). Các tác giả đã nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận
tốc và thời gian tới lượng mài mòn của vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol-
formandehyt độn sợi amiang và đưa ra công thức sau( áp dụng cho nhiệt độ bề
mặt nhỏ hơn 220
o
C ):

∆
W= K.P
a
.V
b
.
τ
c
.
Trong đó:
∆
W- Lượng vật liệu bị mất đi.
P- Tải trọng.
V- Tốc độ.

τ
- Thời gian.
a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào từng cặp ma sát.

- 8 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội

chất vật liệu trên bề mặt cọ xát. Đối với các chất dẻo, các thay đổi này rất
mạnh và chúng xảy ra dưới tác dụng của nhiệt, tác động cơ học, các chất hoạt
động bề mặt, điện tích xuất hiện…
Để sản phẩm từ chất dro với một tổ hợp tính chất cho trước, điều quan
trọng là sử dụng các sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô phỏng được các điều kiện
dễ sử dụng nhất, điển hình nhất.
Khi nghiên cứu sâu về ma sát và mài mòn trong điều kiện bôi trơn người ta
đã sử dụng đến rôbốt.
Trong đa số các trường hợp, các đặc trưng cần đánh giá hơn cả là lực ma
sát, độ bám dính, các thay đổi cơ lý bề mặt, chuyển vị ngang và vuông góc.
Lực ma sát thường được đo bằng các phương pháp cân lực kế hoặc tenxơ,
hoặc theo độ tắt dần của con lắc. Vì tính chất bề mặt cọ xát thường xét theo
kết quả đo tuyến hình bề mặt được đánh giá theo kết quả khối phổ, phổ điện tử
và phân tích cấu trúc Rơghen. Sự tăng tốc độ, nhiệt độ và tải trọng kỹ thuật
hiện đại dẫn đến sự gia tăng độ khắc nghiệt của các thử nghiệm về mài mòn
vật liệu. Bên cạnh đó, đôi khi phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng như chân
không sâu, bức xạ và môi trường xâm thực…

- 10 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
Hệ sè ma sát phụ thuộc rất lớn vào tải trọng vuông góc, tốc độ trượt, nhiệt
độ và các yếu tố khác.
Sự phụ thuộc của các hệ số ma sát vào tải trọng thay đổi theo nhiệt độ. Ở
nhiệt độ thử nghiệm cố định thì hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng còn nếu
tải trọng cố định hệ số ma sát tăng khi tải trọng tăng.
Khi thay đổi nhiệt độ thì cả vận tốc trượt của chất dẻo cũng có thể có các
đặc tính khác nhau như một vật thuỷ tinh, vật mềm cao hoặc vật dẻo.
Khi đánh giá độ chịu mài mòn của chất dẻo nên chọn một đặc trưng không
thay đổi theo cường độ cọ xát. Ví dụ: chọn tỷ số giữa cường độ mài mòn
chung và cường độ cọ xát. Sự đánh giá độ chịu mài mòn, theo tỷ số trên có

Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
Chương II: Tổng quan vật liệu polyme Compozit- Vật liệu ma
sát, các yếu tố ảnh hưởng
1. Tổng quan về vật liệu Polyme Compozit. Khái niệm cơ bản - Đặc
điểm - Phân loại.
1.1 Khái niệm.
Vật liệu Compozit có lịch sử phát triển từ rất sớm. Ngay từ khi hình thành
văn minh nhân loại nhưng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit mới
được thực sự chú ý trong những năm 50 trở lại đây. Mục đích chế tạo vật liệu
Compozit là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu
không thể có được. Như vậy có thể chế tạo vật liệu Compozit từ những cấu tử
mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu.
Vật liệu Compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn
nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác. Về bản
chất vật liệu Compozit là hệ thống hai hay nhiều pha khác nhau về bản chất
hoá học gần như không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha
trong đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cường.
Ngoài ra còn có một số hợp chất khác như: chất tạo màu, chất tăng cường đặc
biệt.
Vật liệu Compozit có thể chế tạo bằng các phương pháp cơ nhiệt từ các
thành phần hay bằng phản ứng hoá học mà dẫn đến sự phân chia pha trong
hỗn hợp đồng nhất ban đầu. Vật liệu Compozit có thể được chế tạo bằng nhiều
phương pháp khác nhau như đúc Ðp, quấn ống

- 12 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
1.2 Đặc điểm.
Việc đưa chất gia cường vào nền polyme đưa lại cho vật liệu Compozit
nhiều ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền được nâng cao, mô
đun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hoá

- Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thoả mãn tất cả các yêu cầu
của vật liệu rất khó khăn. Chỉ có thể lựa chọn các thành phần và phương pháp
chế tạo thích hợp để có thể đáp ứng những yêu cầu quan trọng nhất.
- Mô đun đàn hồi không cao.
- Nhiệt độ làm việc tương đối thấp.
1.3 Phân loại vật liệu Compozit.
Để phân loại vật liệu compozit người ta dựa vào các đặc điểm chung của
chúng:
- Theo bản chất vật liệu nền: compozit nền polyme, gốm, graphit, kim
loại.
- Theo hình học cốt: compozit cốt hạt (thô, mịn), compozit cốt sợi (dài,
ngắn).
- Theo cấu trúc vật liệu: compozit tấm, lớp, tấm 3 lớp, khối, tổ ong
- Theo phương pháp chế tạo: đúc, Ðp, đúc phun, lăn lô…

- 14 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
- Theo phạm vi ứng dụng: compozit cao cấp, compozit kỹ thuật.
a. Phân loại theo bản chất vật liệu nền:
* Nền kim loại: Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu được
nhiệt độ cao hơn polyme trong môi trường không có oxy. Vật liệu compozit
nền kim loại có modun rất cao (110GPa) nên đòi hỏi sợi tăng cường phải có
modun cao. Al, Mg, Ti, Ni, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền compozit
nhiều hơn cả, đặc biệt các kim loại nhẹ rất được ưa chuộng trong ngành hàng
không.
Nền kim loại có một số ưu điểm so với nền polyme:
- Kim loại nói chung dẻo, khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polyme
như modun đàn hồi.
- Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn.
- Không bốc cháy, Ýt bị ảnh hưởng của môi trường Èm.

mà chỉ có thể bị phân huỷ.
Tổ hợp của nhựa phenol – fomandehyt với sợi amiăng bền với axit, kiềm ở
nồng độ nhỏ hơn 40%, bền với axeton ở 50
0
C và bền với axetic ở bất kỳ nhiệt
độ nào.

- 16 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa phenol – fomandehyt với chất
độn thích hợp như: sợi thuỷ tinh, sợi amiang, có khả năng làm việc ở nhiệt độ
cao tới 250
0
C hoặc trong điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi trong một phạm
vi rộng mà không có nguy cơ bị thay đổi kích thước.
Độ chịu mài mòn của tấm phẳng từ nhựa phenol - fomandehyt có thể so
sánh với nhôm, đồng. Tuy nhiên khả năng này bị suy giảm khi độ Èm của môi
trường tăng. Hệ số ma sát của nhựa phenol- fomandehyt tương tự như các loại
nhựa nhiệt rắn khác, nằm trong khoảng 0,2- 0,3, tương đối thấp so với cao su
và kim loại nhưng với các chất độn thích hợp có thể tăng hệ số ma sát của vật
liệu lên tới 0,7- 0,8.
Vật liệu polyme compozit đi từ các loại nhựa nhiệt rắn được tăng cường
các loại sợi dài sử dụng nhiều trong công nghiệp hàng không, vũ trụ, quân sự,
ô tô,… Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là epoxy, polyeste không no, phenolic,
polyuretan…Tính chất cơ lý của phenol- fomandehyt so với các loại nhựa
nhiệt rắn khác được trình bày qua bảng sau:
Tính chất Đơn vị Polyeste
Không no
Epoxy Phenol-
fomandehy

÷
180 45
÷
95 45
÷
95

- 17 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
Độ hút
nước
Mpa 10
÷
30 7
÷
20 15
÷
30 15
÷
30
Tỷ trọng g/cm
3
1,1
÷
1,15 1,15
÷
1,2
5
1,15
÷

kích thước nhỏ (<0,1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn định
nhiệt cao như cacbit, nitrit… Tương tác nền cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng
với kích thước nguyên tử hoặc phân tử.
- Compozit cốt hạt thô: nền có thể là polyme, kim loại hoặc gốm. Cốt
thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ
ổn định kích thước, chịu nhiệt… hoặc ra một tính chất mới theo yêu cầu.
Tương tác nền- cốt không xảy ra ở mức nguyên tử, phân tử.
* Compozit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt thường nhỏ hơn 5 cm đôi khi được
gọi là ria. Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng các phương pháp
gia công nhựa thông thường như đúc, đùn, đúc phun. Khi đùn hoặc đúc phun
vào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được các khe hở nhỏ trong thân thiết
bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn
do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn.
Tất cả compozit cốt sợi ngắn đều thuộc compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt từ 10 đến 100 mm,
thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột đệm với hàm
lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp
ướt. Sợi phải được nhựa thấm ướt hoàn toàn để compozit đạt được các tính
chất cao nhất. Compozit này cũng thuộc nhóm compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay còn gọi là sợi liên tục thường được
dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo compozit chất lượng cao.
Compozit cốt sợi dài có thể được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm kim loại.

- 19 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
c. Phân loại theo phạm vi ứng dụng
Polyme compozit được chia thành 2 nhóm. Hai nhóm này khác nhau chủ
yếu ở loại sợi, chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền.
Nhóm thứ nhất được gọi là compozit tiên tiến, được chế tạo từ các loại sợi
dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt, chịu

0
C và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 1 giê 30 phót. Sản
phẩm được lấy ra khi đã được làm bay hơi hết nước. Dung môi đóng sẵn ở
nhiệt độ 200
0
C đem nghiền mịn với kích thước hạt đạt 74-104 µm. Tiến hành
tổng hợp bột ma sát với 4 tỷ lệ khác nhau: fenol - fomandehyt (1: 1,12; 1:
1,13; 1: 1,14; 1: 1,15) được ký hiệu FR
1
, FR
2
, FR
3
, FR
4
tương ứng. Qua một số
thí nghiệm sơ bộ có được tỷ lệ các cấu tử cho vào tổng hợp vật liệu ma sát.
- Phôi liệu của hỗn hợp được trình bày ở bảng sau: (theo % trọng lượng)
Bảng 1.
Cấu tử %
Nhựa 29
Bột amiăng 61
Bét ma sát 9,5
Axit Stearic 0,5
Kết quả đánh giá độ mài mòn được trình bày ở bảng 2.
Bảng 2.
Loại bét ma
Tỷ lệ phenol : Fomandehyt (mol)

- 21 -

lần thử nghiệm được trình bày ở bảng 3.
Bảng 3
Số vòng thử mài
mòn (vòng)
Độ mài mòn
(g/1000 vòng)
Hệ sè ma sát
1000 0,036 0,512
2000 0,0358 0,512
3000 0,0362 0,509
4000 0,0360 0,51

- 22 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
5000 0,0364 0,507
2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử chính trong tổ hợp vật liệu.
Tính chất cơ lý của vật liệu Polyme- Compozit không chỉ phụ thuộc vào
tính chất của nhựa nền, bột độn mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ của chúng trong tổ
hợp. Tỷ lệ của các cấu tử trong tổ hợp có thể thay đổi tùy từng trường hợp cụ
thể. Khi hàm lượng nhựa quá thấp khả năng chế tạo vật liệu trở nên khó khăn
do tổ hợp có độ chảy kém, các tính chất như độ bền va đập, độ bền hoá giảm,
độ hấp thụ nước tăng lên do lượng nhựa quá Ýt không đủ liên kết các chất độn
lại với nhau. Nếu hàm lượng quá cao (>50%) thì việc tạo hình càng khó do tổ
hợp vật liệu có độ nhớt thấp. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ
lý của vật liệu Polyme-Compozit trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt với bột
độn thông dụng được trình bày ở bảng sau (Bảng 4)
Qua hình 4 có thể thấy việc thay đổi hàm lượng của một cấu tử nào đó
trong tổ hợp vật liệu đề đạt mong muốn là tăng một số tính chất cơ lý nào đó

- 23 -

Hệ sè ma sát 0,52
Độ hút nước % 0,021
Độ hút dầu % 0,023
Độ mài mòn (g/1000 0,032

- 24 -
Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội
vòng)
Độ cứng HB 36,02
Độ bền va đập
(KJ/m
2
)
4,000
2.3 Nghiên cứu vấn đề đưa cao su vào tổ hợp vật liệu ma sát.
Để giải quyết vấn đề có được một vật liệu vừa có đầy đủ tính chất cơ lý
của nhựa tổng hợp sử dụng cho vật liệu ma sát đồng thời có tính mềm dẻo, có
khả năng phục hồi cao thì việc sử dụng cao su để biến tính nhựa đặc biệt là các
loại nhựa phenol fomandehyt đem lại hiệu quả cao. Cao su dùng để biến tính
là cao su Butadienitil và cao su Clopreu.
Nguyên tắc để biến tính nhựa bằng cao su là trộn hỗn hợp nhựa với cao su
sau đó cho đóng rắn. Trong quá trình đóng rắn cao su phản ứng với nhựa và
cùng tham gia vào quá trình khâu mạch. Cũng có thể nhựa tham gia vào quá
trình lưu hoá cao su và được coi như một mắt xích trong mạng lưới. Tuy vậy
tổ hợp nhựa - cao su được coi như một hệ thống hai pha riêng biệt. Cao su có
thể liên kết với nhựa bởi liên kết hoá học (nếu phản ứng hoá học giữa cao su
và nhựa xảy ra) hoặc đơn thuần là liên kết vật lý tức là chỉ có sự trộn hợp
thông thường.
- Cao su sau khi lưu hoá thường có độ chịu mài mòn lớn, hệ số ma sát cao,
khả năng biến dạng, phục hồi cao.