干摩擦滑動摩擦磨損性能實驗分析

1、環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦磨損

    環氧樹脂與納米端氨基聚醚(Jeffamine D2000橡膠顆粒混合后形成環氧樹脂/橡膠納米復合材料，橡膠顆粒的含量分別為Swt.% }  l Owt.%和16wt. % o本節將考察不同試驗條件下，純環氧樹脂和環氧樹脂/橡膠納米復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氧樹脂基復合材料的摩擦系數及磨損質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，環氧樹脂復合材料的摩擦系數都有一個由低到高的變化過程，這是不穩定摩擦階段;大約20分鐘后，摩擦系數隨磨損時間變化不大，屬于穩定摩擦階段。由圖3-2明顯可見，在相同載荷下，環氧樹脂及其納米復合材料的磨損質量損失都隨磨損時間的增加而增加。干摩擦條件下，純環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.%納米橡膠含量的環氧樹脂復合材料的摩擦系數和磨損質量損失低，當進一步提高橡膠顆粒的含量時，摩擦系數和磨損質量損失略有上升，但仍低于純環氧樹脂。

    圖3-3和圖3-4為水潤滑條件下，接觸載荷為98N時，純環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數和磨損質量損失隨磨損時間的變化曲線。可以看出，所有材料的摩擦系數都隨磨損時間的增加而逐漸增大，相同試驗條件下，純環氧樹脂的摩擦系數最高(圖3-3 >。環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料的磨損質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合材料的耐磨性能，當納米橡膠顆粒的含量在Swt.%時，環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數和磨損質量損失最小(圖3-4>0

    水潤滑條件下，環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數均比干摩擦時低，但是磨損質量損失卻遠比干摩擦時高。這可能是由于干摩擦時摩擦副表面的接觸溫度較高，摩擦系數和磨損質量損失較大，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生的熱量，降低了摩擦副表面的溫度，從而使得摩擦系數降低，磨損質量損失增大。

    綜上所述，納米橡膠填充量對環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數和磨損質量損失有一定影響，Swt.%納米橡膠含量的環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數和磨損質量損失低。這是納米橡膠顆粒增韌作用的結果。純環氧樹脂質脆、韌性差，相同實驗條件下，摩擦系數最高，磨損質量損失也較高。納米橡膠的加入后，Jeffamine橡膠中的氨基與環氧樹脂中的環氧端基發生化學反應，產生牢固的化學交聯點，在結構上由單相變成以環氧樹脂基體加橡膠海島的兩相結構。在摩擦過程中，在切應力作用下，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，環氧樹脂及其納米復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，環氧樹脂/橡膠納米復合材料的斷裂韌性比純環氧樹脂高，橡膠粒子的質量分數越大，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，環氧樹脂/橡膠納米復合材料的比磨損率均比純環氧樹脂低，納米橡膠粒子的加入對環氧樹脂/納米復合材料的比磨損率產生顯著的影響。其中Swt.%納米橡膠含量的環氧樹脂/橡膠復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致團聚現象的發生，使得環氧樹脂/橡膠納米復合材料更容易磨損。可見，環氧樹脂/橡膠納米復合材料的耐磨性與材料的韌性有關。

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，純環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料(16wt.)表面磨損前后的顯微硬度。由圖可見，純環氧樹脂經磨損后，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剪應力的作用下發生了化學反應，產生降解、疲勞等導致其表面硬度下降[[142]。相對環氧樹脂而言，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氧樹脂降低。磨損后環氧樹脂/橡膠納米復合材料表面的硬度增加，說明在摩擦過程中聚合物表面發生化學變化，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，環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料的磨損表面形貌的SEM照片。可以看出，純環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)。這主要由于純環氧樹脂脆性較大，在滑動過程中，部分環氧樹脂材料表面因受到摩擦剪切力作用發生脫落，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;與未填充環氧樹脂相比，環氧樹脂/橡膠納米復合材料(} 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;環氧樹脂/橡膠納米復合材料(16wt.)的磨損表面有明顯的塑性變形現象(圖3-7 (c;，從而表明滑動過程中以疲勞磨損為主。由于純環氧樹脂較脆，在剪應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氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦磨損性能的影響，本章對環氧樹脂/橡膠納米復合材料試樣(1 Owt.%)進行透射電子顯微鏡(TEM)分析。圖3-8為環氧樹脂/橡膠納米復合材料的TEM照片。由圖可見，一些納米橡膠顆粒分散在環氧樹脂基體中，還有一些納米橡膠顆粒發生了納米級團聚(圖3-8 (a)和圖3-8 (b>，更高的放大倍數下可見，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生團聚，從而降低其耐磨性。

    對于環氧樹脂/橡膠納米復合材料而言，少量的納米橡膠粒子有助于降低復合材料的磨擦系數和磨損質量損失，提高復合材料的耐磨性。主要的磨損機理由純環氧樹脂的犁削磨損和粘著磨損轉變為輕微的犁溝磨損。然而，進一步增加納米橡膠顆粒的含量，將導致納米粒子發生團聚。一方面，團聚體在基體中成為應力集中點，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合力較低，兩方面作用的結果造成環氧樹脂/橡膠納米復合材料的摩擦系數和磨損質量損失增大，引發疲勞磨損。這與王等[[143]的研究結果相一致。

    通過以上的分析可知，納米橡膠顆粒的加入對環氧樹脂復合材料的耐磨性有重要的影響，其中Swt.%納米橡膠含量的環氧樹脂/橡膠復合材料具有好的耐磨性。

5、磨損表面化學變化分析

    聚合物的摩擦磨損是表面的化學物理過程，摩擦熱引起的溫度高達幾百，不可避免地導致樣品表層的結構發生改變。圖3-9和圖3-10分別為干摩擦條件下環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料(16wt.)與鋼輪對磨前后表面的XPS分析Cls譜圖，相應的結合能分別見表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鍵對應的譜峰。從圖3-9可見，與原始樣品比較，環氧樹脂摩擦后樣品表面的Cls譜發生明顯變化，核心標準譜變低變寬，結合能稍微向高能區移動。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，環氧樹脂/橡膠納米復合材料摩擦后樣品表面的Cls譜也發生明顯變化，核心標準譜變低變寬，結合能稍微向高能區移動。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分析結果可見，在干摩擦過程中，環氧樹脂及環氧樹脂/橡膠納米復合材料表面均發生了氧化。

    由于原子具有較大的負誘導效應，某些碳原子上的H容易受到的攻擊，形成C-O鍵，導致C-O鍵增加，從而表明環氧樹脂表面在干摩擦的過程中發生了氧化反應，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生的主要的機械化學過程。隨著反應不斷的進行，環氧樹脂表面的大分子鏈在剪切應力作用下發生扭轉，出現分子鏈內及鏈間的化學鍵和氫鍵的斷裂，產物脫離基體而產生磨損。