橡膠材料的摩擦性能及其試驗方法

劉 偉, 肖建斌

（青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266042）

橡膠材料的摩擦性能及其試驗方法

劉 偉, 肖建斌

（青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266042）

摩擦性能是橡膠諸性能中的一個非常重要的指標(biāo)。很早以前人們就對橡膠的摩擦性能進行研究并提出了一系列相關(guān)理論。隨著科學(xué)的進步，對橡膠摩擦進行研究的手段越來越豐富，從摩擦磨耗性能到微觀結(jié)構(gòu)，以及模擬仿真，都對摩擦性能的研究提供了可靠的依據(jù)。但是由于橡膠摩擦行為的復(fù)雜性，對摩擦磨損機理的探索仍將是一個長期的過程。

摩擦性能；橡膠；試驗方法

0 前 言

橡膠材料被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，國民經(jīng)濟對橡膠的大量需求及橡膠自然資源的匱乏迫切需要我們研發(fā)出更高性能的橡膠材料。

摩擦性能是橡膠諸性能中的一個非常重要的指標(biāo)[1]。早期人們就發(fā)現(xiàn)橡膠的摩擦性能決定著輪胎對地面的防滑能力；同時，摩擦性能還關(guān)系著橡膠制品的損耗與疲勞、動態(tài)生熱與壽命、減震制品的阻尼等等，節(jié)能降耗也與摩擦性能戚戚相關(guān)。早在15世紀(jì)末就有人開始對摩擦現(xiàn)象進行研究，并提出了相關(guān)科學(xué)論斷[2]。此后經(jīng)過科學(xué)家們的不斷研究、總結(jié)，摩擦學(xué)的重要作用正日益顯現(xiàn)并引起人們的關(guān)注。

1 橡膠摩擦的基本理論研究

1.1 摩擦機理的發(fā)展

“摩擦與表觀接觸面積無關(guān)”是達芬奇最早發(fā)現(xiàn)的基本定律，被稱為摩擦學(xué)第一定律；“摩擦力與負荷成正比”是摩擦學(xué)第二定律。這些都是橡膠摩擦的基本定律。隨后，庫倫區(qū)別了靜摩擦與動摩擦，并指出“動摩擦與滑動速度無關(guān)”，被稱為摩擦第三定律。這三條著名的摩擦力定律作為公理沿用至今。而微觀摩擦學(xué)的出現(xiàn)提供了新的思維方式和研究模式，標(biāo)志著摩擦學(xué)進入了一個新階段[3]。

1.2 橡膠摩擦磨損機理的分類

橡膠的摩擦磨損主要可以分為：粘著磨損（adhesive wear）、磨粒磨損（abrasive wear）、疲勞磨損（fatigue wear），以及摩擦中的化學(xué)反應(yīng)（tribo-chemical reaction）四種。在實際摩擦磨損過程中，幾種磨損機理會同時發(fā)生[4]。

粘著磨損是在正常載荷的作用下，由于粘著力的形成而使聚合物轉(zhuǎn)移到對偶面的現(xiàn)象。磨粒磨損是由于對偶表面的粗糙不平或磨粒夾在摩擦面之間以及兩種情況并存使摩擦面切削而引起磨損脫落。橡膠摩擦學(xué)研究中，交聯(lián)密度、球晶尺寸和分子鏈結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度都會影響摩擦系數(shù)，摩擦速率、載荷、表面形貌及粗糙度都會作用于摩擦系數(shù)。磨損體積的定義公式[5]如下：式中：θ表示微凸體的底角，Vw為磨損體積，k為常數(shù)，l為載荷，d為滑動距離，H為硬度?？梢?，磨損量與tan θ成正比，與硬度成反比。

2 影響橡膠摩擦的因素

橡膠為高彈性材料，在剪切力的作用下，并沒有一個極限的屈服強度，因而形變會影響到整個材料。材料表面的剪切力除使橡膠表面發(fā)生形變外，也使材料內(nèi)部發(fā)生形變，這是橡膠材料獨有的特點。因此，橡膠材料摩擦?xí)r，不只是抵抗表面的摩擦阻力會消耗能量，材料內(nèi)部的黏彈性也會造成能量損耗。由于橡膠的黏彈性，橡膠與固體物質(zhì)之間的摩擦阻力可以看作是由兩部分組成的：

即摩擦阻力等于摩擦表面分子相互接觸產(chǎn)生的黏附力Fa和由于壓入的微凸體使橡膠產(chǎn)生的滯后阻力Fh之和。黏附摩擦系數(shù)μ不只與表面的自由能、橡膠的彈性模量E和載荷N相關(guān)，還與橡膠材料的損耗角正切(tan θ)成正比。

圖1 滯后摩擦模型

因此，摩擦性能的影響因素有橡膠本身的微觀結(jié)構(gòu)、橡膠的物理力學(xué)性能、環(huán)境溫度和摩擦表面粗糙度、載荷的影響、滑行速率的影響、潤滑介質(zhì)以及溶脹作用等。

（1）橡膠本身的微觀結(jié)構(gòu)與摩擦的關(guān)系。橡膠材料本身存在自由體積大、分子間的作用力弱和結(jié)晶能力較差等特性，其微觀結(jié)構(gòu)影響到橡膠的模量以及內(nèi)部大分子的運動能力，因而影響摩擦行為。韓晶杰等[6]研究了天然橡膠分子結(jié)構(gòu)對橡膠干磨、濕磨的影響。研究發(fā)現(xiàn)：橡膠的磨損隨著分子量的減小而增大。

（2）物理性能對橡膠摩擦的直接影響。硬度過高的橡膠，摩擦?xí)哟髮ε技砻娴膿p傷。低模量、高彈性的橡膠自身力學(xué)性能對摩擦性能影響較大。關(guān)長斌等[7]研究發(fā)現(xiàn)：硫化膠的拉伸強度與摩擦性能成正比，而硬度與之成反比。Kelly等[8]、Zhang等[9]，Korres等[10]通過研究，得出干摩擦、滑動、滾動等條件下，橡膠的摩擦系數(shù)、磨耗與損耗因子成正比，而與硬度成反比的結(jié)論。增加橡膠的總表面自由能，能使摩擦系數(shù)增加[11]。

（3）橡膠的填充改性也會改變其摩擦行為及性能。聚酰胺纖維對短纖維補強橡膠（SFRR）[12]的補強以及芳綸短纖維增強天然橡膠[13]的研究發(fā)現(xiàn)，沿纖維取向方向的摩擦的磨損率最大；當(dāng)加入一定的MoS2在橡膠表面形成潤滑時，摩擦系數(shù)大幅降低[14]。

（4）環(huán)境溫度是影響橡膠摩擦的重要參數(shù)之一[15]。溫度能夠使橡膠的結(jié)構(gòu)運動發(fā)生變化[16]，溫度升高，橡膠彈性模量降低，橡膠的摩擦系數(shù)先升后降；溫度升高，橡膠彈性模量下降，磨損斑紋間距增大。溫度較高時，橡膠疲勞壽命縮短。以摩擦因數(shù)的峰值對應(yīng)的溫度與滑動速率的函數(shù)作圖，峰值的溫度隨著橡膠滑動速率的加快而增大，說明橡膠的摩擦現(xiàn)象及其微觀行為可以用時溫等效原理來分析和模擬。

（5）橡膠與摩擦副發(fā)生摩擦?xí)r，載荷的大小對摩擦性能也有影響。載荷較低時，摩擦主要表現(xiàn)為滯后摩擦，在磨損表面上能夠發(fā)現(xiàn)明顯的拉伸跡象；而載荷較高時，以粘著摩擦為主，磨損表面發(fā)生細微化的結(jié)構(gòu)變化。楊兆春等[17]在研究丁腈橡膠對濕煤粉的摩擦表現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，載荷愈增加，磨損愈嚴重。

（6）滑行速率與橡膠摩擦系數(shù)有密切關(guān)系。與其他材料的摩擦不同，Schallamach[18]發(fā)現(xiàn)，橡膠摩擦系數(shù)隨著滑動速率的增大而線性增大；而當(dāng)相對速率大于一定的值時，摩擦系數(shù)和磨耗都迅速下降。

（7）潤滑介質(zhì)和溶脹作用對摩擦系數(shù)有很大的影響。橡膠表面沉積鈦、鎢、鋯等金屬層時，摩擦接觸面積降低，摩擦力明顯減小[19]。

3 橡膠摩擦與磨耗的評價手段與特點

由于橡膠摩擦的復(fù)雜現(xiàn)象和不同機理,對橡膠摩擦的研究以及評價也在持續(xù)探索中。盡管ASTM 標(biāo)準(zhǔn)收集了測試輪胎濕滑性能的方法，但對硫化橡膠摩擦系數(shù)的測定仍沒有成熟的定論。我國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 2729—95《硫化橡膠與薄片摩擦系數(shù)的測定(滑動法)》,主要對目前傳真機設(shè)備中有摩擦輸送要求的橡膠配件的摩擦測定提出了一定的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 橡膠摩擦的宏觀實驗方法

對橡膠的摩擦性能測定，之前主要通過磨耗性能來體現(xiàn)。橡膠的磨耗是一種常見現(xiàn)象。耐磨性能的優(yōu)劣很大程度上決定著橡膠產(chǎn)品的使用壽命，如阿克隆磨耗、DIN磨耗等。阿克隆磨耗試驗是將試樣與砂輪在一定傾斜角度和一定的負荷作用下進行摩擦，測定試樣一定里程的磨耗體積；DIN磨耗試驗機是將橡膠試樣與砂紙表面摩擦一定距離后，評估試料表面的磨耗狀況 。但是二者不能揭示摩擦行為的機理，而且其實驗數(shù)據(jù)存在較大誤差。

圖2 阿克隆磨耗試驗機和DIN磨耗試驗機

王夢蛟先生提出[20]：，通過確定一些參數(shù)并計算橡膠硫化膠在玻璃板上的摩擦系數(shù)，就可以推算出輪胎在不同路面上的抗?jié)窕阅?。因此橡膠摩擦系數(shù)的測定對摩擦性能的評價也是非常有意義的。現(xiàn)有的試驗儀器除了HG/T 2729—95中提到的之外，還有部分特定儀器，如動靜摩擦系數(shù)測定儀，可以設(shè)定不同的負載、不同摩擦副及相對摩擦速度對摩擦性能的影響。另外，多功能摩擦磨損試驗儀UMT-2是模擬了鋼球在橡膠試片上的往復(fù)運動，同樣可以設(shè)定不同負載、摩擦速度以及溫度等條件。對UMT-2測定橡膠的摩擦的研究較少，但其試驗數(shù)據(jù)較前者更加準(zhǔn)確，可以進行更加深入的研究。

圖3 動靜摩擦系數(shù)測定儀GT-2012-AF與多功能摩擦磨損試驗儀UMT-2

3.2 橡膠摩擦行為的微觀表征

隨著掃描電鏡、X射線能譜、透射電鏡、原子力顯微鏡等先進儀器的出現(xiàn)，人們對摩擦行為的微觀世界的了解有了更強有力的手段，對橡膠材料的摩擦磨損機理的研究也越加直觀。

通過掃描電鏡、體視顯微鏡，可以對摩擦表面進行幾十倍到上萬倍的放大觀察，與橡膠摩擦機理相結(jié)合，驗證橡膠摩擦行為的影響因素及特點；X射線能譜、透射電鏡和原子力顯微鏡能夠分析橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在狀態(tài)及運動情況，推測橡膠大分子的內(nèi)摩擦行為。這些微觀表征手段為橡膠摩擦行為提供了有力的證明。常俊杰等[21]提出了一種新的橡膠摩擦材料動態(tài)黏彈性的超聲評價法，建立了適于橡膠摩擦材料動態(tài)黏彈性的超聲無損評價系統(tǒng)，為橡膠摩擦特性的研究及在線無損評價提供了新的方法。

3.3 摩擦學(xué)的仿真研究

數(shù)值仿真是數(shù)值理論計算與計算機結(jié)合而發(fā)展起來的新技術(shù)。在摩擦學(xué)領(lǐng)域，對摩擦磨損的仿真技術(shù)研究也正蓬勃興起——主要是模擬橡膠與填料之間的關(guān)系。比較容易的是模擬一個顆粒狀剛性粒子和一個鏈狀柔性大分子，之后再考慮復(fù)雜形態(tài)的模擬。將這類手段應(yīng)用于復(fù)雜的摩擦磨損問題是十分有效的。圖4為鋼球與橡膠摩擦Y軸的變形量的變化模擬。

圖4 鋼球與橡膠摩擦Y軸的變形量變化模擬

將仿真模擬結(jié)合物理試驗結(jié)果和微觀圖像，通過電腦的模擬使橡膠摩擦的微觀過程“可視化”，以及對不同受力情況下膠料進行的模擬和預(yù)測，又使橡膠摩擦行為研究走上了一個新臺階。

4 結(jié) 語

橡膠的摩擦行為及其機理非常復(fù)雜，目前的研究手段越來越豐富，從物理性能的摩擦磨耗到微觀表征，以及仿真模擬，都有利于揭示橡膠摩擦行為中的機理。同時，雖然橡膠摩擦的表征手段越來越完善，仍不能確定哪一種或幾種表征手段更為有效，對摩擦磨損機理的探索仍將是一個長期的過程。

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[責(zé)任編輯：朱 胤]

Friction Properties and Test Method of Rubber Materials

Liu Wei, Xiao Jianbin
(School of Polymer Science and Engeering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

Friction performance is a very important performance index among rubber properties. A series of theories has been put forward to study the friction properties of rubber. With the development of science, the research method for rubber friction become more and more abundant, from the friction wear properties to the microstructure, as well as the simulation. All of them provide a reliable basis for the study. However, due to the complexity of rubber friction, the research for the mechanism of friction and wear will be a long-term process.

Friction Performance; Rubber; Test Method

TQ

B

1671-8232(2015)10-0039-05

2015-06-23

山東省綠色輪胎與橡膠協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題項目。

劉偉（1979— ），男，漢族，山東萊州人，青島科技大學(xué)講師，研究方向為高聚物性能研究與加工應(yīng)用。