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干摩擦滑動摩擦磨損性能實驗分析
閱讀：1127發(fā)布時間：2023-5-15
1、環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦磨損
環(huán)氧樹脂與納米端氨基聚醚(Jeffamine D2000橡膠顆粒混合后形成環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料，橡膠顆粒的含量分別為Swt.% } l Owt.%和16wt. % o本節(jié)將考察不同試驗條件下,，純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能。
2,、摩擦磨損性能
干摩擦條件下,，接觸載荷為98N時，不同含量的納米橡膠填充環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)及磨損質(zhì)量損失隨磨損時間的變化曲線如圖3-1和圖3-2所示,。由圖3-1可以看出,，在磨損初期，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)都有一個由低到高的變化過程,，這是不穩(wěn)定摩擦階段;大約20分鐘后,，摩擦系數(shù)隨磨損時間變化不大，屬于穩(wěn)定摩擦階段,。由圖3-2明顯可見,，在相同載荷下，環(huán)氧樹脂及其納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失都隨磨損時間的增加而增加,。干摩擦條件下,，純環(huán)氧樹脂的耐磨性較差，納米橡膠顆粒的加入大幅度提高了材料的耐磨性能,，其中Swt.%納米橡膠含量的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失低,，當進一步提高橡膠顆粒的含量時，摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失略有上升,，但仍低于純環(huán)氧樹脂,。
圖3-3和圖3-4為水潤滑條件下,，接觸載荷為98N時,，純環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失隨磨損時間的變化曲線?？梢钥闯?，所有材料的摩擦系數(shù)都隨磨損時間的增加而逐漸增大，相同試驗條件下,，純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)最高(圖3-3 >,。環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失都隨著磨損時間的增加逐漸增大，納米橡膠顆粒的加入提高了復(fù)合材料的耐磨性能,，當納米橡膠顆粒的含量在Swt.%時,，環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失最小(圖3-4>0
水潤滑條件下，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均比干摩擦?xí)r低,，但是磨損質(zhì)量損失卻遠比干摩擦?xí)r高,。這可能是由于干摩擦?xí)r摩擦副表面的接觸溫度較高，摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失較大，而在水潤滑條件下,，可以在對摩表面形成一層水膜而將摩擦副隔開,，減少了粘著磨損，并且水流帶走了摩擦產(chǎn)生的熱量,，降低了摩擦副表面的溫度,，從而使得摩擦系數(shù)降低，磨損質(zhì)量損失增大,。
綜上所述,，納米橡膠填充量對環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失有一定影響，Swt.%納米橡膠含量的環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失低,。這是納米橡膠顆粒增韌作用的結(jié)果,。純環(huán)氧樹脂質(zhì)脆、韌性差,，相同實驗條件下,，摩擦系數(shù)最高，磨損質(zhì)量損失也較高,。納米橡膠的加入后,，Jeffamine橡膠中的氨基與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧端基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生牢固的化學(xué)交聯(lián)點,，在結(jié)構(gòu)上由單相變成以環(huán)氧樹脂基體加橡膠海島的兩相結(jié)構(gòu),。在摩擦過程中，在切應(yīng)力作用下,，以分散相存在的橡膠粒子能終止裂紋,、分枝裂紋、誘導(dǎo)剪切變形,，提高斷裂韌性,，從而提高耐磨性。
圖3-5所示為接觸載荷98N,，磨損時間為75min時,，環(huán)氧樹脂及其納米復(fù)合材料的斷裂韌性和比磨損率隨納米橡膠顆粒含量的變化曲線。由圖可見,，環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的斷裂韌性比純環(huán)氧樹脂高,，橡膠粒子的質(zhì)量分數(shù)越大，斷裂韌性的增加值也越大,，材料韌性越好,，這與公式(3-1 >所示一致;相同的實驗條件下，環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的比磨損率均比純環(huán)氧樹脂低,，納米橡膠粒子的加入對環(huán)氧樹脂/納米復(fù)合材料的比磨損率產(chǎn)生顯著的影響,。其中Swt.%納米橡膠含量的環(huán)氧樹脂/橡膠復(fù)合材料的比磨損率低,。這可能是由于較多含量的納米顆粒容易導(dǎo)致團聚現(xiàn)象的發(fā)生，使得環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料更容易磨損,?？梢姡h(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的耐磨性與材料的韌性有關(guān),。
3,、磨損表面的顯微硬度
圖3-6為干摩擦條件下，接觸載荷98N,，磨損時間為75min時,，純環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料(16wt.)表面磨損前后的顯微硬度。由圖可見,，純環(huán)氧樹脂經(jīng)磨損后,，其表面的顯微硬度明顯下降，表明在摩擦過程中,，試樣表面的聚合物在摩擦熱及循環(huán)剪應(yīng)力的作用下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),，產(chǎn)生降解、疲勞等導(dǎo)致其表面硬度下降[[142],。相對環(huán)氧樹脂而言,，橡膠屬軟性材料，因而,，納米橡膠粒子加入后,，材料表面的硬度較純環(huán)氧樹脂降低。磨損后環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料表面的硬度增加,，說明在摩擦過程中聚合物表面發(fā)生化學(xué)變化,，形成新的、具有較高硬度的摩擦表層[L],。從而也使磨損質(zhì)量損失減小,。
4、磨損表面形貌分析
圖3-7是干摩擦條件下,，接觸載荷為98N,，磨損時間為60min時,，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的磨損表面形貌的SEM照片,。可以看出,，純環(huán)氧樹脂磨損表面破壞比較嚴重,，表面極不平坦，有較深的犁溝和裂紋(圖3-7 Ca),。這主要由于純環(huán)氧樹脂脆性較大,，在滑動過程中，部分環(huán)氧樹脂材料表面因受到摩擦剪切力作用發(fā)生脫落，粘附在鋼輪表面,，在磨損表面形成犁溝,，從而表明滑動過程中犁溝磨損和粘著磨損是主要的失效機理;與未填充環(huán)氧樹脂相比，環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料(} Swt.%)的磨損表面相對比較平整,，僅有一些稀疏較淺的平行于滑動方向的犁溝(圖3-7 (b>,，表明在滑動過程中以輕微的犁削磨損為主;環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料(16wt.)的磨損表面有明顯的塑性變形現(xiàn)象(圖3-7 (c;，從而表明滑動過程中以疲勞磨損為主,。由于純環(huán)氧樹脂較脆,，在剪應(yīng)力作用下呈大塊脫落。加橡膠顆粒后,，韌性改善,，疲勞脫落塊小，且有明顯的韌窩,，耐磨性得到了提高,。
為了進一步分析納米橡膠顆粒的含量對環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響，本章對環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料試樣(1 Owt.%)進行透射電子顯微鏡(TEM)分析,。圖3-8為環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的TEM照片,。由圖可見，一些納米橡膠顆粒分散在環(huán)氧樹脂基體中,，還有一些納米橡膠顆粒發(fā)生了納米級團聚(圖3-8 (a)和圖3-8 (b>,，更高的放大倍數(shù)下可見，這些納米橡膠顆粒的直徑約為Snm左右(圖3-8 ( c,。表明較高含量的納米橡膠顆粒容易發(fā)生團聚,，從而降低其耐磨性。
對于環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料而言,，少量的納米橡膠粒子有助于降低復(fù)合材料的磨擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失,，提高復(fù)合材料的耐磨性。主要的磨損機理由純環(huán)氧樹脂的犁削磨損和粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的犁溝磨損,。然而,，進一步增加納米橡膠顆粒的含量，將導(dǎo)致納米粒子發(fā)生團聚,。一方面,，團聚體在基體中成為應(yīng)力集中點，因而在滑動摩擦過程中容易脫落;另一方面,，團聚的粒子與基體結(jié)合力較低,，兩方面作用的結(jié)果造成環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失增大，引發(fā)疲勞磨損,。這與王等[[143]的研究結(jié)果相一致,。
通過以上的分析可知,，納米橡膠顆粒的加入對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐磨性有重要的影響，其中Swt.%納米橡膠含量的環(huán)氧樹脂/橡膠復(fù)合材料具有好的耐磨性,。
5,、磨損表面化學(xué)變化分析
聚合物的摩擦磨損是表面的化學(xué)物理過程，摩擦熱引起的溫度高達幾百,，不可避免地導(dǎo)致樣品表層的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,。圖3-9和圖3-10分別為干摩擦條件下環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料(16wt.)與鋼輪對磨前后表面的XPS分析Cls譜圖，相應(yīng)的結(jié)合能分別見表3-1和表3-2,。由圖可見,，Cls譜可解疊為三個峰，分別為C-H鍵(和/或C-C鍵),、C-N鍵和C-O鍵對應(yīng)的譜峰,。從圖3-9可見，與原始樣品比較,，環(huán)氧樹脂摩擦后樣品表面的Cls譜發(fā)生明顯變化,，核心標準譜變低變寬，結(jié)合能稍微向高能區(qū)移動,。C-H(和/或C-C)峰和C-N峰的強度降低,，而C-O峰的強度提高。從圖3-10可見,，與原始樣品比較,，環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料摩擦后樣品表面的Cls譜也發(fā)生明顯變化，核心標準譜變低變寬,，結(jié)合能稍微向高能區(qū)移動,。C-H(和/或C-C)峰的強度降低，而C-N峰和C-O峰的強度提高,。因此,，從上述XPS分析結(jié)果可見，在干摩擦過程中,，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/橡膠納米復(fù)合材料表面均發(fā)生了氧化,。
由于原子具有較大的負誘導(dǎo)效應(yīng)，某些碳原子上的H容易受到的攻擊,，形成C-O鍵,，導(dǎo)致C-O鍵增加，從而表明環(huán)氧樹脂表面在干摩擦的過程中發(fā)生了氧化反應(yīng),，氧化是摩擦過程中由于較高的摩擦溫度和接觸壓力而在樣品表面發(fā)生的主要的機械化學(xué)過程,。隨著反應(yīng)不斷的進行，環(huán)氧樹脂表面的大分子鏈在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn),，出現(xiàn)分子鏈內(nèi)及鏈間的化學(xué)鍵和氫鍵的斷裂,，產(chǎn)物脫離基體而產(chǎn)生磨損。
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