Page 124 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 周新聪, 等: 沙水润滑下纳米改性NBR材料的摩擦学性能 567

表 2 摩擦试验设计 胶以与橡胶大分子形成交联网络、纳米粒子填充橡胶
Table 2 Scheme of friction test 大分子缺陷为主. 微米颗粒由于其粒径较大，表面活

Variables Values 性低，因此补强效果不如改性纳米颗粒. 但是在沙水
Velocity/(m/s) 0.05、0.07、0.10、0.15、0.26、0.39、0.65、0.91
润滑的条件下，NBR-3复合材料表面与沙粒摩擦接
Applied load/MPa 0.4、0.8、1.2
Water temperature/℃ 23±1 触，微米颗粒因其大粒径更容易阻碍同为微米级沙粒
Sand size/μm 48 的嵌入，减少NBR-3复合材料的嵌入摩擦. 纳米SiO 颗
Mass sediment content/% 8 2
粒表面含有富羟基，易形成与NBR基体结合性较差的
硬质团聚体. NBR-2复合材料表层的团聚体在沙粒的
用激光共聚焦测量试样磨损量及表面形貌. 本文中采
作用下更容易脱落，与沙粒一起破坏润滑水膜，并且
用表面粗糙度常用表征参数算术平均高度S 和纹理特
a
[22] 脱落的凹坑容易进入沙粒产生嵌入摩擦. 因此，相比
征比S tr .

NBR-3复合材料，NBR-2复合材料的摩擦系数更大.
3 结果与讨论 NBR-2和NBR-3复合材料在低速条件下出现摩擦系数

交叉现象，推测原因认为是低速条件下基体中的微米
3.1 摩擦系数
颗粒使得沙粒在摩擦区域滞留时间过长，导致NBR-
图4列出三种材料随载荷和转速变化的平均摩擦
3复合材料摩擦系数在该条件下大于NBR-2复合材料.
系数. 从图4中可知即使是在沙水润滑条件下，平均摩
NBR-1复合材料弥补了以上两种材料的不足，改性纳
擦系数随转速的变化仍符合Stribeck曲线. 润滑水在低
米SiO 在NBR基体中分散均匀，基本无大颗粒存在，
速条件下仅有少量进入摩擦副，难以形成稳定的润滑 2
能够与NBR及形成致密的交联网络. 当沙粒与NBR-
水膜，即边界润滑. 此外，沙粒在低速条件下进入摩擦
1复合材料表层接触，复合材料优异的分子间相互作
副产生持续的摩擦接触，造成NBR摩擦系数显著增加.
用力能够阻碍沙粒的嵌入，从而获得较低的摩擦系数.
随着铜轴滑动速度的增加，润滑水膜逐渐完善并且沙

3.2 磨损量
粒更容易被清洗出摩擦副，使得摩擦系数迅速下降并
三种复合材料经磨损试验结束后利用激光共聚
趋于稳定. 载荷的增加也会导致摩擦系数的下降，载
焦测量其表面磨损体积，如图5所示. NBR-2复合材料
荷增加会导致NBR形变量增加，NBR与铜轴表面接触
表面材料损失最为严重，约为NBR-1复合材料表面材
面积增大，从而使单位面积承载减小，摩擦系数下降.
料损失的1.6倍. 纳米SiO 颗粒团聚形成的团聚体与
另一方面可能是因为NBR的形变量增大以及水膜厚 2
NBR基体的结合能力减弱，当沙粒与团聚体碰撞会导
度的减小，阻碍沙粒进入摩擦副，防止沙粒与NBR的
致团聚体的脱落，表面形成团聚体凹坑. 沙粒持续进
过多摩擦接触.
入摩擦副，对团聚体脱落产生的凹坑更容易嵌入其
中，铜轴旋转引起的切向力使得沙粒对该凹坑形成犁

0.75 沟磨损，表面材料磨损严重. 表1结果表明NBR-2复合
NBR-1 材料的拉伸强度低于另外两种复合材料，当沙粒与
NBR-2
0.60
Friction coefficient 0.45 NBR-2表面摩擦接触，两者间相互作用力超过该材料
NBR-3
的拉伸强度，从而引起材料的撕裂与剥落. 单个微米
0.30
颗粒在NBR基体中的补强能力远不如单个纳米颗粒，
[21]
这是由粒子的小尺寸效应引起的 . 微米颗粒虽然粒
0.15
0.05 0.07 0.15 0.26 0.8 1.2 径较大，表面能低，但是在NBR基体中较为分散，使得
0.39
0.65 0.4 Load/MPa NBR-3复合材料的拉伸强度高于NBR-2(见表2). 沙粒
0.91 进入NBR-3复合材料摩擦副，难以形成深度的犁沟磨
Velocity/(m/s)
Fig. 4 Variation of friction coefficients at the different 损. NBR-1复合材料表现优异的补强能力，纳米SiO 颗
2
working conditions 粒与NBR基体结合力能够阻碍沙粒对NBR-1复合材
图 4 不同载荷和速度下三种材料的平均摩擦系数
料的嵌入，此外，沙粒对NBR-1复合材料表层的摩擦
NBR-1复合材料在沙水润滑条件下的摩擦性能 也因复合材料分子间作用力的增加而使得材料不容
优于NBR-2和NBR-3两种复合材料. 纳米颗粒补强橡 易被沙粒磨损，纳米改性SiO 颗粒填充NBR更有利于
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