PMMA溫變摩擦磨損特性研究

艾文濤,周 劍,胡坤宏,劉 焜,劉小君

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥學(xué)院 能源材料與化工學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

熱塑性聚合物材料由于其快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科技領(lǐng)域的重要材料。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為熱塑性材料的典型代表,由于具有重量輕、透光性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件、工業(yè)用品、日用消費(fèi)品和醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。

PMMA對(duì)溫度的變化比較敏感,對(duì)于作為結(jié)構(gòu)件的PMMA制品,溫度的變化能改變其表面物理性質(zhì),進(jìn)而影響其摩擦磨損性能,造成結(jié)構(gòu)件的失效或破壞。劃痕摩擦測(cè)試簡(jiǎn)化了材料的摩擦過(guò)程,已成為研究材料表面摩擦行為的重要方法[3];文獻(xiàn)[4]對(duì)不同溫度下的聚合物的性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的升高會(huì)對(duì)PMMA的表觀摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)硬度有很大影響;文獻(xiàn)[5]研究表明在摩擦過(guò)程中PMMA劃痕堆積高度的變化與作為溫度函數(shù)的比率E/H具有相同的趨勢(shì);文獻(xiàn)[6] 對(duì)PMMA和FSDT涂層硅襯底的摩擦研究發(fā)現(xiàn)摩擦引起的熱量使摩擦力與應(yīng)用溫度曲線的變化向較低的應(yīng)用溫度范圍移動(dòng)。雖然目前對(duì)于PMMA摩擦特性的相關(guān)研究很多,但是一般單獨(dú)側(cè)重于研究摩擦系數(shù)或是劃痕特征,對(duì)于綜合它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性以研究溫變摩擦磨損機(jī)理的研究還較少。

本文利用旋轉(zhuǎn)式高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究PMMA圓盤(pán)與氮化硅陶瓷球(Si3N4)的滑動(dòng)摩擦及磨損特性隨溫度和載荷的變化規(guī)律,通過(guò)分析劃痕圖像、截面堆積特征以及摩擦系數(shù)曲線的振動(dòng)模式來(lái)探索PMMA的溫變摩擦和磨損機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用摩擦副下試樣為PMMA圓盤(pán)(惠州惠菱化成公司),其抗碎裂能力高、耐腐蝕性強(qiáng)、又易加工;摩擦副上試樣為G5級(jí)氮化硅陶瓷球(日本東芝),其維氏硬度為1 400～1 750,摩擦副材料的實(shí)物如圖1所示。

圖1 PMMA和氮化硅樣品實(shí)物圖

PMMA圓盤(pán)直徑為φ30 mm,厚度為4 mm,表面粗糙度Ra=0.03 μm,其在激光共聚焦3D顯微鏡下的微觀表面如圖2所示。氮化硅陶瓷球(Si3N4)直徑為φ 6 mm,表面粗糙度Ra=0.05 μm。使用熱機(jī)械分析儀(TMA402F3)測(cè)得PMMA長(zhǎng)度變化量(ΔL/L0)與溫度的關(guān)系曲線如圖3所示,計(jì)算其與溫度的斜率發(fā)現(xiàn)在100 ℃之前熱膨脹系數(shù)約為1.03×10-4,120 ℃后約為9.6×10-4,熱膨脹系數(shù)發(fā)生了明顯突變,由圖3可知突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度約為115 ℃,即為PMMA樣品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度Tg。

圖2 PMMA在20倍激光共聚焦3D顯微鏡下的微觀表面

圖3 PMMA的長(zhǎng)度變化量隨溫度的變化曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用GHT-1000E高溫真空摩擦試驗(yàn)儀(蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司)展開(kāi)實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)儀高溫爐內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

試驗(yàn)儀主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),設(shè)定實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為100 r/min,旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm,即接觸線速度約為52.3 mm/s。試驗(yàn)儀中使用砝碼進(jìn)行力的加載,實(shí)驗(yàn)溫度由常溫到1 000 ℃可調(diào),此次實(shí)驗(yàn)通過(guò)特制的砝碼實(shí)現(xiàn)1 N和3 N對(duì)比加載,試驗(yàn)溫度范圍設(shè)定為20 ～120 ℃。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前對(duì)樣品表面使用丙酮擦拭以清除表面可能存在的雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響;將下試樣(PMMA)固定在樣品盤(pán)(與主軸相連)上,使用水平儀測(cè)量其水平度并做相應(yīng)調(diào)節(jié);安裝好樣品,鎖緊密封蓋,進(jìn)行抽真空處理;試驗(yàn)機(jī)內(nèi)升溫到指定溫度后再保溫20 min,然后啟動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn);每次摩擦?xí)r間設(shè)定為20 min。實(shí)驗(yàn)后使用日本基恩士制造的激光共聚焦3D測(cè)量顯微鏡(VK-X250)觀察PMMA試樣上劃痕表面形貌,并測(cè)量記錄其表面輪廓的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦特性分析

PMMA樣品分別在不同溫度和加載下進(jìn)行試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)4 次,1 N加載部分溫度下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。從圖5可看出,在90 ℃以下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化較為平穩(wěn),90 ℃后摩擦系數(shù)變得不穩(wěn)定或者需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平穩(wěn),而且摩擦系數(shù)會(huì)出現(xiàn)忽高忽低的“斷層”現(xiàn)象。

圖5 不同溫度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

不同加載下摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線如圖6所示,由圖6可知,1 N載荷下,在低于80 ℃時(shí)摩擦系數(shù)有輕微下降的趨勢(shì),當(dāng)高于90 ℃時(shí)摩擦系數(shù)又有明顯的升高,從圖5可以看出摩擦系數(shù)發(fā)生明顯振動(dòng)也是從90 ℃開(kāi)始出現(xiàn)的。溫度的變化會(huì)改變PMMA表面的力學(xué)性質(zhì),對(duì)摩擦過(guò)程中接觸面的相互作用也有一定的影響。雖然90 ℃還未達(dá)到PMMA轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn),但是摩擦過(guò)程產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)的溫度增高[6-8],從而使接觸點(diǎn)容易形成黏結(jié),黏結(jié)的形成與破壞會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)在一定范圍內(nèi)振動(dòng)。為此,把90 ℃稱(chēng)為摩擦系數(shù)突變的臨界溫度,以區(qū)別于PMMA的轉(zhuǎn)化溫度Tg(115 ℃)。

圖6 摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線

對(duì)于高聚物材料,摩擦力與表面松弛引起的黏彈性耗散直接相關(guān)[9]。PMMA模量與溫度的變化關(guān)系[10]如圖7所示,從圖7可以看出，在20～80 ℃之間損耗模量逐漸變小,在90 ℃耗散模量(tanδ)開(kāi)始增加直到轉(zhuǎn)化溫度,即115 ℃附近,這也與所得到的摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)比不同的加載,可以看出摩擦系數(shù)隨溫度變化具有相似的趨勢(shì)曲線,但是在3 N載荷條件下,摩擦系數(shù)曲線朝著低溫范圍平移了一定的幅度,約為10 ℃。這是由于增加載荷會(huì)相應(yīng)增加摩擦產(chǎn)熱,可能導(dǎo)致耗散模量的提前轉(zhuǎn)變,同時(shí)也應(yīng)該注意到摩擦測(cè)試的溫度間隔是10 ℃,實(shí)際的移動(dòng)幅度可能小于10 ℃。

2.2 摩損特性分析

為了分析PMMA的磨損情況,測(cè)試中使用VK-X250拍攝了每次樣品的劃痕形貌,1 N載荷下8 種不同溫度下的樣品劃痕圖像如圖8所示,從圖8可以看出，劃痕特征隨溫度升高有明顯的區(qū)別。

圖8 不同溫度下的光學(xué)劃痕圖

每個(gè)樣品在不同的位置點(diǎn)拍攝4張劃痕圖像,每張劃痕圖像上選擇3個(gè)位置測(cè)量劃痕輪廓的寬度和深度,并對(duì)其求平均值,繪制了不同加載下劃痕寬度、劃痕深度隨溫度的變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出在低于臨界溫度點(diǎn)時(shí),劃痕寬度和深度基本保持不變，在高于臨界溫度點(diǎn)時(shí)隨著溫度的升高,劃痕的寬度和深度開(kāi)始有了明顯增加;相同溫度下增加載荷,劃痕的寬度和深度也會(huì)增加,且在較高溫度下尤為明顯。

圖9 劃痕寬度和深度隨溫度的變化曲線

磨損率是表征材料磨損程度的重要參數(shù),其計(jì)算公式如下:

K=V/FL，

其中:K為材料磨損率;V為材料的磨損體積;F為載荷;L為摩擦行程。

由于摩擦實(shí)驗(yàn)是在PMMA的圓盤(pán)上完成的,磨損體積不能得到精確的測(cè)量,通過(guò)使用VK分析軟件對(duì)樣品劃痕圖像上的劃痕輪廓橫截面積進(jìn)行測(cè)量,得到不同條件下劃痕橫截面積的平均值,以此來(lái)近似計(jì)算材料的磨損體積。

不同載荷下PMMA磨損率隨溫度的變化曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，2種不同載荷下磨損率具有相同的變化趨勢(shì),在臨界溫度以下磨損率基本不變，約為2×10-4mm3/(N·m),到達(dá)臨界溫度后磨損率急劇升高,在120 ℃時(shí)達(dá)到15×10-4mm3/(N·m),這種磨損率的急劇變化也與圖8光學(xué)圖像所示的劃痕陰影不斷加深相對(duì)應(yīng)。

圖10 不同載荷下磨損率隨溫度的變化曲線

2.3 摩擦磨損機(jī)理分析

磨損率和摩擦系數(shù)關(guān)于溫度的綜合曲線如圖11所示,圖11全面表征了摩擦磨損隨溫度的變化規(guī)律,兩者曲線趨勢(shì)類(lèi)似,從圖11可以看出,摩擦磨損都是在90 ℃附近發(fā)生明顯的變化,這種變化與PMMA的黏彈特性相關(guān)。

圖11 磨損率、摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線

不同溫度下劃痕、截面輪廓與摩擦系數(shù)的對(duì)比如圖12所示。

從圖12可以看出，在20 ℃條件下劃痕中間沿摩擦方向有明顯的犁溝,這是由于摩擦過(guò)程中氮化硅球面上的硬粗糙峰在法向載荷的作用下嵌入PMMA表面并切削材料產(chǎn)生了犁溝現(xiàn)象,因此磨損主要是以擦傷的形式產(chǎn)生。值得注意的是劃痕上存在一些裂紋,并且裂紋的方向與劃痕方向成45°延伸到槽的側(cè)邊緣。由于40 ℃為PMMA的二級(jí)相變溫度,40 ℃以下時(shí)屬于脆性材料,Si3N4相對(duì)PMMA順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí),壓縮區(qū)域出現(xiàn)在接觸區(qū)前面,接觸區(qū)后拉伸材料產(chǎn)生拉應(yīng)力[5],當(dāng)這些拉伸應(yīng)力達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度時(shí),材料破裂產(chǎn)生裂紋。

圖12 不同溫度下劃痕、截面輪廓與摩擦系數(shù)的對(duì)比

40 ℃以下時(shí)隨溫度的升高,PMMA的彈性降低、韌性和塑性提高,使材料發(fā)生斷裂所需要的能量也就越大,磨粒磨損的影響會(huì)逐漸減弱,因此70 ℃劃痕圖像上并沒(méi)有觀察到明顯的裂紋,而是沿摩擦方向材料有拉伸頸縮[11]的現(xiàn)象。

90 ℃以上時(shí)PMMA劃痕上陰影部分開(kāi)始聚集,劃痕輪廓明顯增大,并且輪廓邊緣開(kāi)始出現(xiàn)清晰的凸起部分,這表明有一部分材料在摩擦過(guò)程中由于受到超過(guò)其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力,發(fā)生了明顯塑性變形[12],導(dǎo)致材料堆積在劃痕邊緣。結(jié)合90 ℃及其以上摩擦系數(shù)出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象可以推測(cè)此溫度區(qū)間內(nèi)PMMA與氮化硅的摩擦機(jī)理主要為黏著摩擦[12-14],首先,塑性接觸變形引起PMMA與氮化硅之間的顯著黏結(jié),在滑移過(guò)程中氮化硅拉伸PMMA表面,黏結(jié)被破壞,然后再形成黏結(jié),這個(gè)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致摩擦力發(fā)生變化,表現(xiàn)為摩擦系數(shù)出現(xiàn)類(lèi)似“黏滑”的振動(dòng)現(xiàn)象。

觀察120 ℃樣品下的劃痕輪廓,發(fā)現(xiàn)很少或幾乎沒(méi)有材料因塑性變形堆積在劃痕的邊緣,這可能是由于PMMA的溫度超過(guò)Tg溫度,摩擦表面軟化嚴(yán)重,導(dǎo)致材料的極限強(qiáng)度降低,材料在摩擦過(guò)程中更加容易被去除而沒(méi)有造成堆積[15]。

綜上可以發(fā)現(xiàn),低于70 ℃時(shí)摩擦系數(shù)平穩(wěn),磨損有裂紋,磨損機(jī)理主要為磨粒磨損;90 ℃以上時(shí)摩擦系數(shù)曲線振動(dòng)明顯,并且為有規(guī)律的振動(dòng),劃痕處存在堆積;120 ℃時(shí)無(wú)明顯規(guī)律,且無(wú)堆積。綜合磨損微觀圖像、劃痕截面堆積、摩擦系數(shù)大小及曲線振動(dòng)幅度的連續(xù)變化,可以直觀地反映摩擦磨損的特性及機(jī)理隨溫度的轉(zhuǎn)變。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)高溫真空摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)和激光共聚焦3D測(cè)量顯微鏡對(duì)不同溫度和加載下的PMMA與氮化硅的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究,分析了溫度和載荷對(duì)摩擦系數(shù)、磨損現(xiàn)象和磨損機(jī)理的影響,得出以下結(jié)論:

(1) PMMA的摩擦系數(shù)在臨界溫度(約90 ℃)以下較為平穩(wěn),臨界溫度以上表現(xiàn)為類(lèi)似于“黏滑”的振動(dòng)現(xiàn)象;不同載荷下的摩擦系數(shù)隨溫度曲線具有相似的變化趨勢(shì),增加載荷臨界溫度有降低的趨勢(shì)。

(2) 在臨界溫度以下時(shí),PMMA磨損率基本不變,約為2×10-4mm3/(N·m);達(dá)到臨界點(diǎn)溫度以上時(shí),PMMA的磨損明顯增加,在120 ℃時(shí)磨損率為15×10-4mm3/(N·m)。

(3) 綜合分析摩擦系數(shù)曲線振動(dòng)幅度、磨損微觀圖像和劃痕堆積形式,可以直觀反映摩擦磨損機(jī)理隨溫度的轉(zhuǎn)變,得出PMMA在70 ℃以下的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損,90 ℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)橐责ぶp為主。