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橡膠制品摩擦及磨損分析

時間:2019-12-31 1714 次瀏覽

信息摘要:橡膠是非常重要且用量很大的工業材料之一,摩擦學性能是橡膠制品的一項非常重要的指標,例如橡膠輪胎的耐磨性能、剎車性能和行車效率、密封件的耐磨性等。提高橡膠制品的耐磨性和使用壽命,可以在節約能源、材料、潤滑劑等方面帶來相當可觀的經濟效益和社會效益。

橡膠是非常重要且用量很大的工業材料之一,摩擦學性能是橡膠制品的一項非常重要的指標,例如橡膠輪胎的耐磨性能、剎車性能和行車效率、密封件的耐磨性等。提高橡膠制品的耐磨性和使用壽命,可以在節約能源、材料、潤滑劑等方面帶來相當可觀的經濟效益和社會效益。

橡膠是一種彈性模量很低、粘彈性很高的材料,因此橡膠的摩擦具有不同于金屬和一般聚合物的特征。橡膠與剛性表面在滑動接觸界面上的相互作用力包括粘著和滯后兩項,而其摩擦力也正是由這兩部分組成:

F = Fa+ Fh

式中Fa——粘著摩擦力,Fh——滯后摩擦力。

粘著摩擦起因于橡膠與對偶面之間粘著的不斷形成和破壞,滯后摩擦則是由表面微凸體使滑動橡膠塊產生周期性變形過程中能量的耗散引起的。當橡膠在堅硬光滑的表面上滑動時,摩擦力主要表現為粘著摩擦,根據彈性體摩擦的粘著理論,可以得出粘著摩擦力Fa為[6]:

Fa= K1S( Er/pr) tanδ(r<1)

式中,K1——常數;S——滑動界面的有效剪切強度;p——正壓力;E——儲能模量;tanδ——損耗角正切(粘彈性參數)。顯然,橡膠的粘著摩擦與材料的損耗角正切tanδ成正比。

潤滑劑的存在可以阻止橡膠與對偶間的直接接觸,使粘著摩擦成分大大降低,滯后摩擦起主要作用。根據彈性體滯后摩擦的松弛理論,可得出滯后摩擦力為:

Fh= K2( p/E′) n tanδ (n≥1)

式中,K2為與幾何形狀因子有關的常數。滯后摩擦力也與tanδ成正比,所不同的是,滯后摩擦力與變形程度因子( p/E′) n成正比。由此,橡膠的摩擦力可表示為

F=[K1S(E′/pr)+K2(p/E′)n]tanδ

金屬和塑料磨損表面的特征是磨痕與摩擦方向平行,而橡膠磨損表面的磨痕卻垂直于摩擦方向,并且磨痕在橡膠表面形成山脊狀突起,突起之間間距相等,高度相同,形成所謂的磨損斑紋。

磨損斑紋的形成和相關磨損過程的研究,最初是通過針模型和刀片模型來實現的,在通過針或刀片施加的法向力和切向力的重復作用下,橡膠磨損表現為表面周期性撕裂導致舌狀物生成和拉伸應力導致舌狀物根部斷裂兩個過程,從而使橡膠表面逐漸磨損并形成頂部尖銳的山脊狀磨損斑紋。

早期的研究人員認為磨損斑紋的形成只是起因于一種簡單機械作用的裂紋生長過程,但是Fukahori和Yamazaki的研究表明,粘滑振動和微振是產生周期性磨損斑紋的驅動力。微振使微觀斑紋萌生,而粘滑振動使斑紋間距擴展,初始階段的斑紋間距等于平均滑動速度與橡膠固有頻率之比,而最終斑紋間距等于平均滑動速度與粘滑運動頻率之比,并且粘滑振動和微振所形成磨屑的尺寸不同,微振產生1Oμm量級的磨屑,而粘滑振動產生幾百微米的磨屑。

當侵蝕磨損發生時,對于非填充的彈性體,3O°沖擊角的抗侵蝕性能最大,是法向沖擊下的1O倍,此時可在高回彈性橡膠表面觀察到垂直于沖蝕方向的山脊狀突紋。不同橡膠的侵蝕率差別很大,這種差別與橡膠的回彈性密切相關,回彈性越高,抗磨粒侵蝕性越好,Arnold等認為,低沖擊角下的侵蝕磨損機理與磨粒磨損非常相似,在侵蝕的初始階段,也會在磨損表面形成一系列與沖擊方向垂直的磨損斑紋,高沖擊角下粒子沖擊所引起的表面張應力導致摩擦力增大,促使表面裂紋不斷擴展、相交,加速材料的移去。

橡膠在侵蝕磨損過程中,因機械作用產生的表面力化學效應,主要有以下四種:分子鏈斷裂、氧化降解、水解、熱降解。用X射線光電子能譜(XPS)和傅立葉表面紅外分析( FT-lR)方法,對橡膠磨粒侵蝕過程中的表面力化學效應進行了詳細的研究,認為天然橡膠(NR)在含石英砂的清水、聚丙烯酰胺溶液、氫氧化鈉溶液中的表面力化學效應為分子鏈斷裂和氧化降解;丁腈橡膠(NBR)主要是分子鏈斷裂、氧化降解和水解;氟橡膠(FPM)在清水、聚丙烯酰胺溶液中為分子鏈斷裂,在氫氧化鈉溶液中為氧化降解;聚氨酯(PU)則4種作用共存。


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