干摩擦滑动摩擦磨损性能实验分析

1、环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦磨损

    环氧树脂与纳米端氨基聚醚(Jeffamine D2000橡胶颗粒混合后形成环氧树脂/橡胶纳米复合材料，橡胶颗粒的含量分别为Swt.% }  l Owt.%和16wt. % o本节将考察不同试验条件下，纯环氧树脂和环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦磨损性能。

2、摩擦磨损性能

    干摩擦条件下，接触载荷为98N时，不同含量的纳米橡胶填充环氧树脂基复合材料的摩擦系数及磨损质量损失随磨损时间的变化曲线如图3-1和图3-2所示。由图3-1可以看出，在磨损初期，环氧树脂复合材料的摩擦系数都有一个由低到高的变化过程，这是不稳定摩擦阶段;大约20分钟后，摩擦系数随磨损时间变化不大，属于稳定摩擦阶段。由图3-2明显可见，在相同载荷下，环氧树脂及其纳米复合材料的磨损质量损失都随磨损时间的增加而增加。干摩擦条件下，纯环氧树脂的耐磨性较差，纳米橡胶颗粒的加入大幅度提高了材料的耐磨性能，其中Swt.%纳米橡胶含量的环氧树脂复合材料的摩擦系数和磨损质量损失低，当进一步提高橡胶颗粒的含量时，摩擦系数和磨损质量损失略有上升，但仍低于纯环氧树脂。

    图3-3和图3-4为水润滑条件下，接触载荷为98N时，纯环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数和磨损质量损失随磨损时间的变化曲线。可以看出，所有材料的摩擦系数都随磨损时间的增加而逐渐增大，相同试验条件下，纯环氧树脂的摩擦系数最高(图3-3 >。环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料的磨损质量损失都随着磨损时间的增加逐渐增大，纳米橡胶颗粒的加入提高了复合材料的耐磨性能，当纳米橡胶颗粒的含量在Swt.%时，环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数和磨损质量损失最小(图3-4>0

    水润滑条件下，环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数均比干摩擦时低，但是磨损质量损失却远比干摩擦时高。这可能是由于干摩擦时摩擦副表面的接触温度较高，摩擦系数和磨损质量损失较大，而在水润滑条件下，可以在对摩表面形成一层水膜而将摩擦副隔开，减少了粘着磨损，并且水流带走了摩擦产生的热量，降低了摩擦副表面的温度，从而使得摩擦系数降低，磨损质量损失增大。

    综上所述，纳米橡胶填充量对环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数和磨损质量损失有一定影响，Swt.%纳米橡胶含量的环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数和磨损质量损失低。这是纳米橡胶颗粒增韧作用的结果。纯环氧树脂质脆、韧性差，相同实验条件下，摩擦系数最高，磨损质量损失也较高。纳米橡胶的加入后，Jeffamine橡胶中的氨基与环氧树脂中的环氧端基发生化学反应，产生牢固的化学交联点，在结构上由单相变成以环氧树脂基体加橡胶海岛的两相结构。在摩擦过程中，在切应力作用下，以分散相存在的橡胶粒子能终止裂纹、分枝裂纹、诱导剪切变形，提高断裂韧性，从而提高耐磨性。

    图3-5所示为接触载荷98N，磨损时间为75min时，环氧树脂及其纳米复合材料的断裂韧性和比磨损率随纳米橡胶颗粒含量的变化曲线。由图可见，环氧树脂/橡胶纳米复合材料的断裂韧性比纯环氧树脂高，橡胶粒子的质量分数越大，断裂韧性的增加值也越大，材料韧性越好，这与公式(3-1 >所示一致;相同的实验条件下，环氧树脂/橡胶纳米复合材料的比磨损率均比纯环氧树脂低，纳米橡胶粒子的加入对环氧树脂/纳米复合材料的比磨损率产生显著的影响。其中Swt.%纳米橡胶含量的环氧树脂/橡胶复合材料的比磨损率低。这可能是由于较多含量的纳米颗粒容易导致团聚现象的发生，使得环氧树脂/橡胶纳米复合材料更容易磨损。可见，环氧树脂/橡胶纳米复合材料的耐磨性与材料的韧性有关。

3、磨损表面的显微硬度

    图3-6为干摩擦条件下，接触载荷98N，磨损时间为75min时，纯环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料(16wt.)表面磨损前后的显微硬度。由图可见，纯环氧树脂经磨损后，其表面的显微硬度明显下降，表明在摩擦过程中，试样表面的聚合物在摩擦热及循环剪应力的作用下发生了化学反应，产生降解、疲劳等导致其表面硬度下降[[142]。相对环氧树脂而言，橡胶属软性材料，因而，纳米橡胶粒子加入后，材料表面的硬度较纯环氧树脂降低。磨损后环氧树脂/橡胶纳米复合材料表面的硬度增加，说明在摩擦过程中聚合物表面发生化学变化，形成新的、具有较高硬度的摩擦表层[L]。从而也使磨损质量损失减小。

4、磨损表面形貌分析

    图3-7是干摩擦条件下，接触载荷为98N，磨损时间为60min时，环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料的磨损表面形貌的SEM照片。可以看出，纯环氧树脂磨损表面破坏比较严重，表面极不平坦，有较深的犁沟和裂纹(图3-7  Ca)。这主要由于纯环氧树脂脆性较大，在滑动过程中，部分环氧树脂材料表面因受到摩擦剪切力作用发生脱落，粘附在钢轮表面，在磨损表面形成犁沟，从而表明滑动过程中犁沟磨损和粘着磨损是主要的失效机理;与未填充环氧树脂相比，环氧树脂/橡胶纳米复合材料(} Swt.%)的磨损表面相对比较平整，仅有一些稀疏较浅的平行于滑动方向的犁沟(图3-7 (b>，表明在滑动过程中以轻微的犁削磨损为主;环氧树脂/橡胶纳米复合材料(16wt.)的磨损表面有明显的塑性变形现象(图3-7 (c;，从而表明滑动过程中以疲劳磨损为主。由于纯环氧树脂较脆，在剪应力作用下呈大块脱落。加橡胶颗粒后，韧性改善，疲劳脱落块小，且有明显的韧窝，耐磨性得到了提高。

    为了进一步分析纳米橡胶颗粒的含量对环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦磨损性能的影响，本章对环氧树脂/橡胶纳米复合材料试样(1 Owt.%)进行透射电子显微镜(TEM)分析。图3-8为环氧树脂/橡胶纳米复合材料的TEM照片。由图可见，一些纳米橡胶颗粒分散在环氧树脂基体中，还有一些纳米橡胶颗粒发生了纳米级团聚(图3-8 (a)和图3-8 (b>，更高的放大倍数下可见，这些纳米橡胶颗粒的直径约为Snm左右(图3-8 ( c。表明较高含量的纳米橡胶颗粒容易发生团聚，从而降低其耐磨性。

    对于环氧树脂/橡胶纳米复合材料而言，少量的纳米橡胶粒子有助于降低复合材料的磨擦系数和磨损质量损失，提高复合材料的耐磨性。主要的磨损机理由纯环氧树脂的犁削磨损和粘着磨损转变为轻微的犁沟磨损。然而，进一步增加纳米橡胶颗粒的含量，将导致纳米粒子发生团聚。一方面，团聚体在基体中成为应力集中点，因而在滑动摩擦过程中容易脱落;另一方面，团聚的粒子与基体结合力较低，两方面作用的结果造成环氧树脂/橡胶纳米复合材料的摩擦系数和磨损质量损失增大，引发疲劳磨损。这与王等[[143]的研究结果相一致。

    通过以上的分析可知，纳米橡胶颗粒的加入对环氧树脂复合材料的耐磨性有重要的影响，其中Swt.%纳米橡胶含量的环氧树脂/橡胶复合材料具有好的耐磨性。

5、磨损表面化学变化分析

    聚合物的摩擦磨损是表面的化学物理过程，摩擦热引起的温度高达几百，不可避免地导致样品表层的结构发生改变。图3-9和图3-10分别为干摩擦条件下环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料(16wt.)与钢轮对磨前后表面的XPS分析Cls谱图，相应的结合能分别见表3-1和表3-2。由图可见，Cls谱可解叠为三个峰，分别为C-H键(和/或C-C键)、C-N键和C-O键对应的谱峰。从图3-9可见，与原始样品比较，环氧树脂摩擦后样品表面的Cls谱发生明显变化，核心标准谱变低变宽，结合能稍微向高能区移动。C-H(和/或C-C)峰和C-N峰的强度降低，而C-O峰的强度提高。从图3-10可见，与原始样品比较，环氧树脂/橡胶纳米复合材料摩擦后样品表面的Cls谱也发生明显变化，核心标准谱变低变宽，结合能稍微向高能区移动。C-H(和/或C-C)峰的强度降低，而C-N峰和C-O峰的强度提高。因此，从上述XPS分析结果可见，在干摩擦过程中，环氧树脂及环氧树脂/橡胶纳米复合材料表面均发生了氧化。

    由于原子具有较大的负诱导效应，某些碳原子上的H容易受到的攻击，形成C-O键，导致C-O键增加，从而表明环氧树脂表面在干摩擦的过程中发生了氧化反应，氧化是摩擦过程中由于较高的摩擦温度和接触压力而在样品表面发生的主要的机械化学过程。随着反应不断的进行，环氧树脂表面的大分子链在剪切应力作用下发生扭转，出现分子链内及链间的化学键和氢键的断裂，产物脱离基体而产生磨损。