Page 114 - 摩擦学学报2025年第4期
P. 114

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


                               3
                          −3
            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
               2
                                               −3
                                                   3
            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
                                                    3
                                               −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
                                                                           2
            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
                                                                                      2
            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
               2
            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
                                                                    2
            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
                                                                                    2
            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
                             2
            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
                                                                                                   2

            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
                                                                                                          2
                                                                                     2
                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
                                  2
                                                                    2
            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
                                                                                2                   2
            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
                                                                                                    2
            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
                                                                                                  2
            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
                  2
            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
                                                                                     2
            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
   109   110   111   112   113   114   115   116   117   118   119