橡胶摩擦磨损特性的研究进展_吕仁国

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1、第18卷第5期高分子材料科学与工程Vol.18,No.52002年9月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGSept.2002橡胶摩擦磨损特性的研究进展吕仁国,李同生,刘旭军(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:综述了近年来橡胶材料摩擦学的研究进展,论述了橡胶摩擦磨损的特点,讨论了影响橡胶摩擦学性能的各种因素,诸如物理力学性能、温度、溶胀、改性等。并针对橡胶摩擦磨损的研究现状及其发展前景,提出了今后值得重视的研究发展方向。关键词:橡胶;摩擦磨损;影响因素+中图分类号:O6

2、31.21文献标识码:A文章编号:1000-7555(2002)05-0012-04[5]橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之耗散引起的。一,据不完全统计,2000年我国橡胶总消耗量当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时,摩擦将达220万吨,摩擦学性能是橡胶制品的一项力主要表现为粘着摩擦,根据弹性体摩擦的粘[6]非常重要的指标,例如橡胶轮胎的耐磨性能、刹着理论,可以得出粘着摩擦力Fa为:[1]V车性能和行车效率、密封件的耐磨性等。提高Fa=K1S(E′/p)tanW(V<1)(2)橡胶制品的耐磨性和使用寿命,可以在节约能式中,K1——常数;S——滑动界面的有

3、效剪切源、材料、润滑剂等方面带来相当可观的经济效强度;p——正压力;E′——储能模量;tan益和社会效益。因此,许多学者对此产生兴W——损耗角正切(粘弹性参数)。显然,橡胶的[2]趣,橡胶摩擦磨损研究成为当今材料摩擦学粘着摩擦与材料的损耗角正切tanW成正比。研究的热点之一。润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直本文概括了近年来国内外橡胶摩擦磨损的接接触,使粘着摩擦成分大大降低,滞后摩擦起研究进展,重点对橡胶摩擦磨损的特点和影响主要作用。根据弹性体滞后摩擦的松弛理论,可[6]因素进行论述,并提出今后值得重视的研究发得出滞后摩擦力为:n展方向。Fh=K2

4、(p/E′)tanW(n≥1)(3)式中,K2为与几何形状因子有关的常数。滞后1橡胶摩擦的特点摩擦力也与tanW成正比,所不同的是,滞后摩橡胶是一种弹性模量很低、粘弹性很高的n擦力与变形程度因子(p/E′)成正比。由此,橡材料,因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般胶的摩擦力可表示为:聚合物的特征。橡胶与刚性表面在滑动接触界VnF=[K1S(E′/p)+K2(p/E′)]tanW(4)面上的相互作用力包括粘着和滞后两项,而其[3]摩擦力也正是由这两部分组成:2橡胶磨损的特点F=Fa+Fh(1)金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦式中,Fa——粘着摩擦力;

5、Fh——滞后摩擦力。方向平行,而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的[4]擦方向,并且,磨痕在橡胶表面形成山脊状突不断形成和破坏,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收稿日期:2000-10-18;修订日期:2001-02-20作者简介:吕仁国,男,24岁,硕士生.第5期吕仁国等:橡胶摩擦磨损特性的研究进展13起,突起之间间距相等,高度相同,形成所谓的液中为氧化降解;聚氨酯(PU)则4种作用共[7]磨损斑纹。存。磨损斑纹的形成和相关磨损过程的研究,3影响橡胶摩擦磨损性能的因素最初是通过针模型和刀片

6、模型来实现的。在通3.1橡胶的物理力学性能过针或刀片施加的法向力和切向力的重复作用由于高弹性、低模量的特点,橡胶的摩擦磨下,橡胶磨损表现为表面周期性撕裂导致舌状损性能受自身物理力学性能的影响较大。橡胶物生成和拉伸应力导致舌状物根部断裂两个过的硬度较小,与刚性物体接触时,真实接触面积程,从而使橡胶表面逐渐磨损并形成顶部尖锐较大,而真实接触面积的大小是决定摩擦的重的山脊状磨损斑纹。要因素,因此,橡胶的硬度对其摩擦性能的影响早期的研究人员认为磨损斑纹的形成只是[15]起因于一种简单机械作用的裂纹生长过程[8]。较大。但是,Fukahori和Yamazaki

7、[9,10]的研究表明,橡胶的粘弹性参数tanW对摩擦力有直接粘滑振动和微振是产生周期性磨损斑纹的驱动的影响,而橡胶交联度的降低,使tanW增大,力。微振使微观斑纹萌生,而粘滑振动使斑纹间因此摩擦力增大,摩擦系数和磨损也随之增[16]距扩展,初始阶段的斑纹间距等于平均滑动速大。从物理化学的角度来看,交联越弱,磨损度与橡胶固有频率之比,而最终斑纹间距等于率越高,是由于较低程度的交联易被机械应力[17]平均滑动速度与粘滑运动频率之比。并且粘滑破坏的缘故。研究发现,电子束辐照导致乙振动和微振所形成磨屑的尺寸不同:微振产生丙三元橡胶的交联度增加,使得摩擦降低

8、。10μm量级的磨屑,而粘滑振动产生几百μm橡胶表面自由能的高低决定了橡胶与对偶的磨屑。间相互作用力的大小,