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[讨论帖] 影响橡胶摩擦磨损性能的因素

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发表于 2019-11-8 16:29:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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由于高弹性,低模量的特点,橡胶的摩擦磨损性能受自身物理力学性能的影响较大。橡胶的硬度较小,与刚性物体接触时,真实接触面积较大,而真实接触面积的大小是决定摩擦的重要因素,因此,橡胶的硬度对其摩擦性能的影响较大。
橡胶的粘弹性参数tanδ对摩擦力有直接的影响,而橡胶交联度的降低,使tanδ增大,因此摩擦力增大,摩擦系数和磨损也随之增大。从物理化学的角度来看,交联越弱,磨损率越高,是由于较低程度的交联易被机械应力破坏的缘故。研究发现,电子束辐照导致乙丙三元橡胶的交联度增加,使得摩擦降低。
橡胶表面自由能的高低决定了橡胶与对偶间相互作用力的大小,进而对橡胶的粘着摩擦产生影响。一般而言,摩擦系数随表面自由能的增加而增大。
对橡胶进行填充改性时,在改变橡胶的物理力学性能的同时,也改变了橡胶的摩擦学性能。研究单轴定向聚酰胺纤维增强的氯丁橡胶(SFRR)和芳纶短纤维增强的天然橡胶时,发现材料的摩擦学行为与滑动方向密切相关,沿垂直于纤维取向方向摩擦时,磨损率最低,沿纤维取向摩擦时,磨损最大。在抗油性的丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、氟橡胶中,加入润滑剂(如有机硅油、MoS2等)后发现MoS2可在橡胶表面形成一润滑层,能降低表面能和滞后效应,进而使摩擦系数显著降低[21]。
利用自身离子辅助离子镀,在橡胶表面沉积一层铜、钛、钨、锆等金属,能有效降低橡胶与对偶间的真实接触面积,显著降低摩擦力。氯化也可降低橡胶的摩擦系数及其对滑动速度和温度的依赖性。
橡胶的摩擦与粘弹性参数tanδ和弹性模量有直接关系,弹性模量随温度的升高而降低,tanδ则随温度的升高先上升后下降(极值点温度低于0°) 。随温度的升高,橡胶的弹性模量下降,磨损斑纹间距增大。高温条件下,由于橡胶老化严重,撕裂强度降低,使得磨损率显著增加,并且磨损率呈周期性大范围变化。
润滑剂的存在可阻止橡胶与对偶面的直接接触,粘着摩擦明显降低,橡胶磨粒磨损的斑纹间距减小,磨损率也显著降低。但在选用润滑剂时,必须考虑它对橡胶的溶胀作用,以及高温油润滑所导致的橡胶的化学降解或热降解,否则可能会加剧磨损。
在水(或水溶液)润滑条件下,随对偶的不同,水对橡胶和对偶的摩擦磨损性能的影响也不同。当对偶为惰性物质(如玻璃)时,水层可以起到非常好的润滑作用,摩擦系数随润滑膜膜厚的增加而降低[28]。当对偶较活泼时(如钢)橡胶几乎无磨损,而对偶的磨损则比干摩擦时大得多。
橡胶对有机溶剂及润滑剂的溶胀作用比较敏感。一般情况下,溶胀会破坏橡胶的交联体系,引起橡胶的硬度、撕裂强度等力学性能降低,导致磨损的增大。Thavamani等用扫描电子显微镜(SEM)研究了硫化天然橡胶、丁苯橡胶、氢化丁腈橡胶在不同条件下的磨损机理,发现当法向载荷较小时,无典型的磨损斑纹出现,但橡胶在甲苯或二甲基甲酰胺中溶胀后,在其磨损表面可以观察到明显的磨损斑纹。这是因为橡胶溶胀后,其抗撕裂性能大大下降,弹性模量明显降低,因而与溶胀前相比,磨损斑纹间距变大。
对于一些有活泼官能团的橡胶(如NBR、HNBR),可利用其化学活性较高的特点,使之与某种溶剂反应,在橡胶表面形成一层化学反应膜来改善橡胶的摩擦学性能,利用碘溶液的溶胀作用对丁腈橡胶进行了改性,改性后的NBR和HNBR的摩擦系数明显降低。碘与橡胶表面的氰基结合形成一层薄而硬的改性层,此改性层具有降低摩擦的作用。然而,过度溶胀会使橡胶形成较厚改性层,因其与弹性本体的结合性较差,反而会导致摩擦增大,加剧磨损。
速度、载荷等因素都会对橡胶的摩擦磨损产生影响。一般而言,橡胶的摩擦系数随载荷和滑动速度的增加而减小,过大的载荷和滑动速度都会引起试样生热和表面的破坏。

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