丁腈橡膠/碳納米管復(fù)合軸承材料摩擦磨損性能研究

賈承赟，周新聰，王 超，況福明

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

碳納米管(MWNT)在具有極大的長(zhǎng)徑比的同時(shí)具有超高的強(qiáng)度和模量，是一種特殊的一維材料，是復(fù)合材料的理想添加劑[1]。橡膠是一種非金屬聚合物，其彈性性能好、吸振能力強(qiáng)、在受力的情形下產(chǎn)生變形，撤消力后能夠立即恢復(fù)原形，抗沖擊性能好。但橡膠作為水潤(rùn)滑軸承存在一些顯著的缺點(diǎn)，例如在高溫、高負(fù)荷下性能較差，運(yùn)行精度低等[2]，通常使用的碳納米管和橡膠共混方法包括機(jī)械共混法、噴霧干燥法、膠乳共混法、溶液共混法[3]。這些方法中機(jī)械共混法效率高，時(shí)間短，但在混煉的過(guò)程中MWNT易與橡膠基體產(chǎn)生團(tuán)聚，制得復(fù)合材料效果并不理想；噴霧干燥法制備過(guò)程復(fù)雜不易操作；膠乳共混法雖能在一定程度上改善MWNT在膠乳中的分散問(wèn)題，但并不能改變MWNT在膠乳中的團(tuán)聚；溶液共混法可以通過(guò)超聲波的作用打斷MWNT的結(jié)構(gòu)，減小團(tuán)聚的發(fā)生，便于MWNT在橡膠基體中均勻分散，但在制備過(guò)程中會(huì)用到多種有機(jī)溶劑，如果處理不當(dāng)容易造成污染[4]。

以丁腈橡膠(NBR)為基體，采用溶液共混法制備丁腈橡膠/碳納米管(NBR/MWNT)復(fù)合母料，最終經(jīng)過(guò)混煉、硫化等工藝制備出NBR/MWNT復(fù)合材料。通過(guò)試驗(yàn)探究了不同材料的摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用的3種工業(yè)級(jí)多壁碳納米管均為MWNT，純度>90%；內(nèi)徑為5～10 nm；外徑為10～30 nm；長(zhǎng)度為10～30 μm。NBR牌號(hào)為N230S。丙酮含量>99.5%。

1.2 試驗(yàn)材料的制備

本試驗(yàn)采用溶液共混法制備復(fù)合材料母料，首先將NBR切成小段，在60 ℃的恒溫下將稱(chēng)取的NBR溶于丙酮中，并通過(guò)攪拌槳不斷攪拌直至NBR完全溶解，隨后加入MWNT，用超聲波分散器分散60 min，將分散好的溶液放入真空烘干箱干燥直到重量保持不變，制得復(fù)合材料母料。將制備好的復(fù)合母料經(jīng)混煉、硫化得到橡膠復(fù)合材料，具體配方見(jiàn)表1。NBR/MWNT復(fù)合材料試驗(yàn)試塊的制備流程見(jiàn)圖1。

表1 復(fù)合材料配方

圖1 NBR/MWNT復(fù)合材料制備流程

1.3 復(fù)合材料的紅外光譜(FTIR)分析

采用KBr壓片法制備待測(cè)樣品，使用NICOLET 6700型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，圖2(a)和(b)分別顯示了MWNT和NBR/MWNT復(fù)合材料的紅外光譜，從圖2(a)可以看出，MWNT在FTIR光譜中沒(méi)有顯示明顯的峰，而復(fù)合材料的FTIR光譜顯示出了NBR的特征峰，其中2 238屬于-CN的伸縮振動(dòng)，2 852和2 920屬于R1CH=CHR2中的-CH伸縮振動(dòng)，這表明復(fù)合材料和NBR之間不存在化學(xué)鍵。

圖2 材料的FTIR分析

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有試驗(yàn)均在多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)(RTEC)上進(jìn)行，并采用“環(huán)塊模式”進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)ゲ粮睘閆CuSn10Zn2，包括軸承套和橡膠試塊，在每次測(cè)試之前，銅環(huán)外表面用金相研磨紙拋光，試驗(yàn)分為摩擦試驗(yàn)和磨損試驗(yàn)。

1)摩擦試驗(yàn)。為了使試塊與軸保持良好的接觸，在試驗(yàn)初期每種試塊都需要進(jìn)行60 min的磨合過(guò)程，預(yù)加載2 min、加載力至25 N時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，程序自動(dòng)進(jìn)入速度特性試驗(yàn)，試驗(yàn)速度依次為0.027 5 m/s、0.055 0 m/s、0.110 0 m/s、0.220 0 m/s、0.330 0 m/s、0.440 0 m/s、0.550 0 m/s、0.660 0 m/s、0.770 0 m/s、1.100 0 m/s、1.470 0 m/s、1.830 0 m/s、2.200 0 m/s、3.300 0 m/s，重復(fù)以上試驗(yàn)3次，并將試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

2)磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)條件與摩擦試驗(yàn)相同，但額定速度為0.550 0 m/s，額定載荷為25 N，速度磨損試驗(yàn)進(jìn)行8 h，試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 試塊磨損試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

圖4為4種復(fù)合材料斷面形貌圖，從圖4可知，在相同的放大倍率下添加帶有-COOH和-OH官能團(tuán)的碳納米管復(fù)合材料比單純的碳納米管復(fù)合材料分散性好。研究表明，MWNT-COOH和MWNT-OH能夠通過(guò)無(wú)定型碳的物理和化學(xué)吸附強(qiáng)化與橡膠大分子鏈的結(jié)合，另外MWNT和NBR大分子組成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖4 復(fù)合材料的斷面形貌圖

表2是經(jīng)過(guò)某研究所檢測(cè)得出的材料機(jī)械性能指標(biāo)。測(cè)試復(fù)合材料的物理和機(jī)械性能滿(mǎn)足美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL—DTL—17901C(SH)和中國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)GB/T 769—2008的要求。

表2 不同材料機(jī)械性能表

從表2知，添加了MWNT的復(fù)合橡膠材料硬度普遍提高，這是因?yàn)椴捎萌芤汗不旆梢蕴岣進(jìn)WNT在橡膠基體中的分散，另外極性腈基團(tuán)(CN)與羧基基團(tuán)(COOH)之間存在強(qiáng)烈的界面相互作用，從而導(dǎo)致NBR/MWNT復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加。斷裂伸長(zhǎng)率的增加可能是因?yàn)橄鹉z填料之間良好的相互作用而允許流變性增強(qiáng)[5]。

2.2 摩擦試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5是摩擦試驗(yàn)結(jié)果中的速度特性曲線，當(dāng)載荷相同時(shí)，平均摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增加逐漸減小，當(dāng)速度超過(guò)2.200 0 m/s時(shí)則趨于平穩(wěn)。

圖5 速度特性曲線

從圖5知，平均摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)速度在0.027 5～0.440 0 m/s時(shí)主要經(jīng)歷了邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)迅速降低，NBR材料摩擦系數(shù)最大。而填充了3.2 %MWNT-COOH的橡膠材料的摩擦系數(shù)最小。當(dāng)速度在0.440 0～1.100 0 m/s這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)主要是混合潤(rùn)滑狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，水膜厚度明顯增加，并且水膜承壓增強(qiáng)，潤(rùn)滑效果明顯[6]。當(dāng)速度大于1.100 0 m/s時(shí)，摩擦副之間能夠形成較為明顯的彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑，因此4種材料在這個(gè)速度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)較為接近。在速度特性曲線下平均摩擦系數(shù)相對(duì)于滑動(dòng)速度的趨勢(shì)符合Stribeck曲線。從速度特性試驗(yàn)可以得出，MWNT可以有效降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，且添加了3.2%的MWNT、MWNT-COOH和MWNT-OH即便在低速工況下試塊的摩擦系數(shù)也能保持在較低的程度。

2.3 磨損試驗(yàn)結(jié)果及分析

磨損試驗(yàn)通常采用直接稱(chēng)重法，計(jì)算磨損前后的質(zhì)量差來(lái)表示磨損性能，但由于本試驗(yàn)試塊在水環(huán)境下工作，吸濕比較嚴(yán)重，并且試塊的磨損量較小，稱(chēng)重存在明顯誤差，所以采用間接法計(jì)算比磨損率，再結(jié)合三維表面輪廓儀和掃描電子顯微鏡，從微觀層面觀測(cè)磨損后試塊的表面形貌，分析不同材料試塊的磨損性能。

每次磨損試驗(yàn)前，將試塊的磨面拋光，然后用酒精超聲清洗試塊，將試塊表面上的碎屑清洗干凈。試驗(yàn)中通過(guò)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)攜帶潤(rùn)滑水到摩擦副間實(shí)現(xiàn)水潤(rùn)滑，磨損試驗(yàn)后試塊磨痕長(zhǎng)度、寬度的測(cè)量采用讀數(shù)顯微鏡。磨損體積的計(jì)算見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：Vs為磨損體積，mm3；b為磨痕長(zhǎng)度，mm；B為樣品寬度，mm；R為軸半徑，mm。

通過(guò)磨損體積計(jì)算磨損率Ws[7]：

Ws=Vs/(F·2πR·n·t)，

(2)

式中：F為正壓力，N；n為轉(zhuǎn)速,r/min；t為試驗(yàn)時(shí)間，min。

圖6為掃描電鏡下NBR磨損表面形態(tài)。從圖6(a)中可以看出，在NBR表面有撕裂的“犁溝”[8]，這是由于材料的抗撕裂能力小于摩擦力，橡膠表面的微凸會(huì)被銅環(huán)表面的粗糙峰擠壓變形，由于界面黏滯力的作用，微凸沿著運(yùn)動(dòng)方向會(huì)產(chǎn)生拉伸變形，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，位于最大拉伸處的微凸被撕裂拉伸，逐漸形成了“犁溝”。從圖6(b)中可以看出，在橡膠表面還存在一部分由于磨損作用從銅環(huán)上脫落下的金屬粒子，這說(shuō)明摩擦副之間材料在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出磨粒磨損的特征。

圖6 掃描電鏡下NBR磨損表面形態(tài)

圖7為不同材料比磨損率對(duì)照?qǐng)D，填充MWNT的復(fù)合材料具有比NBR材料更低的比磨損率，這表明添加MWNT可以有效提高材料的耐磨性能，從圖7知，添加MWNT-COOH的復(fù)合材料比磨損率最低，從表2列出的復(fù)合材料的硬度可知，其中填充了MWNT-COOH的復(fù)合材料硬度最高，NBR硬度最低。因?yàn)镸WNT具有高強(qiáng)度高韌性的特性，當(dāng)MWNT填充到橡膠基體中并達(dá)到一定含量時(shí)，MWNT將起到“網(wǎng)格骨架”作用，從而提高復(fù)合材料的致密性和硬度，而填充了MWNT-COOH的復(fù)合材料具有最小的磨損量，是因?yàn)楦男院蟮腗WNT在復(fù)合材料中分散均勻，這些都提高了復(fù)合材料的耐磨性能。

圖7 不同材料比磨損率對(duì)照?qǐng)D

2.4 磨損表面微觀形貌分析

通過(guò)L1型激光干涉位移表面輪廓儀測(cè)量系統(tǒng)觀察磨損后試塊的表面形貌，該系統(tǒng)是通過(guò)光的干涉原理來(lái)對(duì)材料表面進(jìn)行檢測(cè)，該儀器量程為5 mm，分辨率為5 nm，可以在一次測(cè)量中同時(shí)獲得被測(cè)物體表面輪廓的粗糙度、形狀誤差以及波度等參數(shù)。對(duì)磨損后的表面進(jìn)行顯微觀察后生成3D圖像如圖8所示。

圖8 不同材料試塊的微觀表面形貌

由圖8知，4種材料磨痕表面都出現(xiàn)了山脊?fàn)畹耐蛊穑S多研究表明，這些突起是由黏滑振動(dòng)和微振引起的。將NBR和不同組分的MWNT材料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)填充了MWNT的復(fù)合材料表面高度差相對(duì)于NBR的表面要小，并且突起間距短。在0.8 mm×0.8 mm范圍內(nèi)，未添加MWNT的NBR表面磨痕高度最大，由此說(shuō)明該試塊潤(rùn)滑狀態(tài)較差。而添加3.2%的MWNT-COOH磨痕高度最小，這是因?yàn)槿芤汗不旆梢蕴岣進(jìn)WNT在橡膠基體的分散性，不易在橡膠基體內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚。從磨損表面的山脊?fàn)罨y間距和高度可以推測(cè)出其振動(dòng)情況，即在相同工況下的MWNT復(fù)合材料的黏滑振動(dòng)頻率要低于NBR材料，潤(rùn)滑狀態(tài)較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用FTIR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)MWNT在光譜中沒(méi)有明顯的特征峰，而NBR/MWNT復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)NBR的特征峰，表明MWNT和NBR之間不存在化學(xué)鍵的生成。基于一定的設(shè)計(jì)配方，并在一定的材料添加順序下，采用溶液共混法制備出的復(fù)合材料，在機(jī)械力學(xué)性能方面各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足CB/T 796—2008以及美國(guó)軍標(biāo)MIL—DTL—17901C(SH)的標(biāo)準(zhǔn)。填充了MWNT的NBR在硬度和強(qiáng)度上都有一定程度的提升，通過(guò)掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)采用溶液共混的方式有利于MWNT在NBR的均勻分散，減少團(tuán)聚。同時(shí)MWNT可以有效的提高NBR的減摩抗磨性能，而填充了3.2%的MWNT-COOH復(fù)合橡膠材料具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。