橡胶摩擦及磨损分析

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耍的指标，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 金屈和一般聚合物的特征橡胶与刚性表而在滑动接触界而上的相互作用力包括 粘着和滞后两项，而其摩擦力也止是由这两部分组成：F 二 Fa+ Fh式中F,——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 表而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，摩擦力主耍表现为粘着摩擦，根据弹性体摩擦的粘着理 论，可以得出粘着摩擦力F“为⑹：F；,二 K]S( Er/pr) tan 5 (r

润滑剂的存在口J以阻止橡胶与对偶间的直接接触，使粘着摩擦成分人人降 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 为叭Eh= K2( p/Ez ) n tan 5 (n21)式中，K?为与几何形状因了有关的常数滞后摩擦力也与tern 6成止比，所不同 的是，滞后摩擦力与变形程度因子(p/E，) 成正比由此，橡胶的摩擦力可表 示为F=[K1S(E, /pr)+K2(p/E, )n]tan8金屈和塑料磨损表而的特征是磨痕与摩擦方向平行，而橡胶磨损表而的磨痕 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Z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 而周期性撕裂导致舌状物生成和拉仲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 性磨损斑纹的駆动力。

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同冇频率Z比，而最终斑纹间距等于平 均滑动速度与粘滑运动频率Z比，并且粘滑振动和微振所形成磨屑的尺寸不同， 微振产生lOum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吋，对于非填充的弹性体，30冲击角的抗侵蚀性能最大， 是法向冲击下的10倍，此时可在高冋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，M 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而力化学效应，主要冇以下四 种：分了链断裂、氧化降解、水解、热降解用X射线光电了能谱(XPS)和傅立 叶表面红外分析(FT-1R)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；丁膳橡胶(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。