Page 114 - 摩擦学学报2025年第4期
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602 摩擦学学报(中英文) 第 45 卷
z/μm z/μm z/μm
(a) S a =6.7 μm 48 (b) S a =178.9 μm 70 (c) S a =116.2 μm
40 −200 0
20 2 189.7 μm 5 168.8 μm −80 3 497.9 μm
0 −400 −160
−20 −600 −240
−40 5 216 μm 5 216 μm −340 5 216 μm
TPU Si12-CF0 Si9-CF3
z/μm (d) z/μm (e) z/μm (f)
50 S a =70.3 μm S a =25.9 μm 90 S a =21.3 μm
0 3 031.3 μm 40 2 177.1 μm 40 2 041.3 μm
−50 0
−100 −40 0
−80
−150 −120 5 216 μm −40 5 216 μm
−80
−200 5 216 μm −145 −110
Si6-CF6 Si3-CF9 Si0-CF12
Fig. 7 3D wear scar profile of TPU and its composites under 30 N, 120 r/min: (a) pure TPU; (b) Si12-CF0;
(c) Si9-CF3; (d) Si6-CF6; (e) Si3-CF9; (f) Si0-CF12
图 7 改性TPU复合材料在30 N,120 r/min 工况条件下的磨痕三维形貌:(a)纯TPU;(b) Si12-CF0;
(c) Si9-CF3;(d) Si6-CF6;(e) Si3-CF9;(f) Si0-CF12
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纯TPU [0.11×10 mm /(N·m)]. 随着CF含量的增大和 料的磨损表面上仅有少量的磨损碎屑,且大量的CF聚
SiO NPs含量的减小,改性复合材料的磨损率急剧下 集并填充在磨痕表面[图9(e1)];此外,在沿着裂纹扩
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降,Si3-CF9复合材料的磨损率为0.47×10 mm /(N·m), 张的方向上观测到CF的断裂现象[图9(e2)]. 随着CF含
相比Si12-CF0降低了96.28%. 而CF单独改性TPU复 量的进一步增大,CF在Si0-CF12复合材料磨痕表面上
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−3
合材料(Si0-CF12)的磨损率仅为0.32×10 mm /(N·m). 堆积填充的现象更为显著.
在不同的转速与载荷工况下,改性复合材料的磨损率 2.5 纳米SiO 与CF协同改性TPU防滑性能的机理
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表现出相似的变化趋势. 以上结果表明,纯TPU作为 分析
基体材料具有良好的耐磨性,但磨损表面粗糙度较小. 通过分析不同含量SiO NPs和CF协同改性TPU复
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SiO NPs作为增摩填料提高了复合材料的表面粗糙 合材料的机械性能,表面润湿性能和摩擦学性能,揭
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度,但削弱了TPU材料的耐磨性能. 添加CF能够有效 示SiO NPs和CF对TPU材料的防滑与耐磨性能的影响
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提高改性复合材料的耐磨性能;同时也有利于提高磨痕 机理,如图10所示. 水润滑条件下,由于TPU材料亲水
表面的粗糙度,增强复合材料的防滑性能. 总而言之, 性的本质,纯TPU与ZrO 陶瓷球的摩擦界面易吸附
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添加适当比例的SiO NPs和CF能够协同增强TPU材料 1层润滑水膜,导致摩擦系数急剧下降[图6(a)],弱化
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的防滑性能,同时增强改性复合材料的耐磨性能. 了TPU材料的防滑性能[图10(a)]. 添加SiO NPs后,改
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2.4 磨痕微观形貌分析 性复合材料表面形成SiO NPs微凸体质点,当ZrO 球
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为了进一步探究SiO NPs与CF协同增强TPU材料 与SiO NPs改性的TPU复合材料产生相对滑动时,摩
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防滑与耐磨性能的作用机理,利用SEM观测改性复合 擦表面上粗糙的SiO NPs微凸体质点与ZrO 球表面微
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材料的磨痕微观形貌,如图9所示. 纯TPU的磨痕表面 粗糙峰之间形成啮合作用[图10(b2)],磨损形式由黏
呈现为波纹状流动形变,磨损表面较为光滑[图9(a)], 着-滑动磨损转变为磨粒磨损,摩擦系数增大,增强了
表明纯TPU的主要磨损形式为黏着-滑动磨损. 与之相 改性复合材料水环境下的防滑性能. 当ZrO 球越过复
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比,Si12-CF0复合材料的磨损表面存在明显的裂纹和 合材料表面的微凸体质点时摩擦系数先增大后降低,
材料剥落现象,伴随有大量磨损碎屑[图9(b)],表明添 表现为摩擦系数的波动现象;添加SiO NPs含量越
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加SiO NPs后,改性复合材料的磨损形式由黏着-滑动 大,摩擦系数的波动现象愈剧烈[图6(c)],表明微凸体
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磨损转变为磨粒磨损. 当添加CF后,Si9-CF3复合材料 的数量越多. 另一方面,SiO NPs增大了改性复合材料的
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的裂纹和磨损碎屑明显减少,磨痕表面上存在少量外 水接触角,将亲水性的TPU转变为疏水性复合材料,有效
露的CF[图9(c)]. 随着CF含量的增加,改性复合材料磨 降低水分子在摩擦表面的润湿性和吸附性[图10(b1)],
损表面上外露的CF逐渐增多[图9(d)]. Si3-CF9复合材 削弱了水的润滑作用,进一步改善TPU材料的防滑性