橡胶摩擦及磨损分析

橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之一，据不完全统计，2000年我国橡胶总消耗量将达220万吨，摩擦学性能是橡胶制品的一项非常重要的指标，例如橡胶轮胎的耐磨性能、刹车性能和行车效率、密封件的耐磨性等。提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命，可以在节约能源、材料、润滑剂等方面带来相当可观的经济效益和社会效益。

橡胶是一种弹性模量很低、粘弹性很高的材料，因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征。橡胶与刚性表面在滑动接触界面上的相互作用力包括粘着和滞后两项，而其摩擦力也正是由这两部分组成：

F = Fa+ Fh

式中Fa——粘着摩擦力，Fh——滞后摩擦力。

粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的不断形成和破坏，滞后摩擦则是由表面微凸体使滑动橡胶块产生周期性变形过程中能量的耗散引起的。当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时，摩擦力主要表现为粘着摩擦，根据弹性体摩擦的粘着理论，可以得出粘着摩擦力Fa为[6]：

Fa= K1S( Er/pr) tanδ  (r<1)

式中，K1——常数；S——滑动界面的有效剪切强度；p——正压力；E——储能模量；tanδ——损耗角正切（粘弹性参数)。显然，橡胶的粘着摩擦与材料的损耗角正切tanδ成正比。

润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直接接触，使粘着摩擦成分**降低，滞后摩擦起主要作用。根据弹性体滞后摩擦的松弛理论，可得出滞后摩擦力为[6]：

Fh= K2( p/E′) n tanδ (n≥1)

式中，K2为与几何形状因子有关的常数。滞后摩擦力也与tanδ成正比，所不同的是，滞后摩擦力与变形程度因子( p/E′) n成正比。由此，橡胶的摩擦力可表示为

F=[K1S(E′/pr)+K2(p/E′)n]tanδ

金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦方向平行，而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩擦方向，并且磨痕在橡胶表面形成山脊状突起，突起之间间距相等，高度相同，形成所谓的磨损斑纹。

磨损斑纹的形成和相关磨损过程的研究，最初是通过针模型和刀片模型来实现的,在通过针或刀片施加的法向力和切向力的重复作用下，橡胶磨损表现为表面周期性撕裂导致舌状物生成和拉伸应力导致舌状物根部断裂两个过程，从而使橡胶表面逐渐磨损并形成顶部尖锐的山脊状磨损斑纹。

早期的研究人员认为磨损斑纹的形成只是起因于一种简单机械作用的裂纹生长过程,但是Fukahori和Yamazaki的研究表明，粘滑振动和微振是产生周期性磨损斑纹的驱动力。微振使微观斑纹萌生，而粘滑振动使斑纹间距扩展，初始阶段的斑纹间距等于平均滑动速度与橡胶固有频率之比，而最终斑纹间距等于平均滑动速度与粘滑运动频率之比，并且粘滑振动和微振所形成磨屑的尺寸不同，微振产生1Oμm量级的磨屑，而粘滑振动产生几百微米的磨屑。

当侵蚀磨损发生时，对于非填充的弹性体，3O°冲击角的抗侵蚀性能最大，是法向冲击下的1O倍，此时可在高回弹性橡胶表面观察到垂直于冲蚀方向的山脊状突纹。不同橡胶的侵蚀率差别很大，这种差别与橡胶的回弹性密切相关，回弹性越高，抗磨粒侵蚀性越好，Arnold等认为，低冲击角下的侵蚀磨损机理与磨粒磨损非常相似，在侵蚀的初始阶段，也会在磨损表面形成一系列与冲击方向垂直的磨损斑纹，高冲击角下粒子冲击所引起的表面张应力导致摩擦力增大，促使表面裂纹不断扩展、相交，加速材料的移去。

橡胶在侵蚀磨损过程中，因机械作用产生的表面力化学效应，主要有以下四种：分子链断裂、氧化降解、水解、热降解。用X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶表面红外分析( FT-lR)方法，对橡胶磨粒侵蚀过程中的表面力化学效应进行了详细的研究，认为天然橡胶(NR)在含石英砂的清水、聚丙烯酰胺溶液、氢氧化钠溶液中的表面力化学效应为分子链断裂和氧化降解；丁腈橡胶(NBR)主要是分子链断裂、氧化降解和水解；氟橡胶(FPM)在清水、聚丙烯酰胺溶液中为分子链断裂，在氢氧化钠溶液中为氧化降解；聚氨酯(PU)则4种作用共存。

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