丁腈橡膠/碳納米管復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 能源與動力工程學院， 湖北 武漢 430063)

碳納米管(MWNT)在具有極大的長徑比的同時具有超高的強度和模量，是一種特殊的一維材料，是復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、在受力的情形下產生變形，撤消力后能夠立即恢復原形，抗沖擊性能好。但橡膠作為水潤滑軸承存在一些顯著的缺點，例如在高溫、高負荷下性能較差，運行精度低等[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]。這些方法中機械共混法效率高，時間短，但在混煉的過程中MWNT易與橡膠基體產生團聚，制得復合材料效果并不理想；噴霧干燥法制備過程復雜不易操作；膠乳共混法雖能在一定程度上改善MWNT在膠乳中的分散問題，但并不能改變MWNT在膠乳中的團聚；溶液共混法可以通過超聲波的作用打斷MWNT的結構，減小團聚的發(fā)生，便于MWNT在橡膠基體中均勻分散，但在制備過程中會用到多種有機溶劑，如果處理不當容易造成污染[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)復合母料，最終經過混煉、硫化等工藝制備出NBR/MWNT復合材料。通過試驗探究了不同材料的摩擦磨損性能。

1 試驗設計與分析

1.1 試驗原材料

本試驗所用的3種工業(yè)級多壁碳納米管均為MWNT，純度>90%；內徑為5～10 nm；外徑為10～30 nm；長度為10～30 μm。NBR牌號為N230S。丙酮含量>99.5%。

1.2 試驗材料的制備

本試驗采用溶液共混法制備復合材料母料，首先將NBR切成小段，在60 ℃的恒溫下將稱取的NBR溶于丙酮中，并通過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，制得復合材料母料。將制備好的復合母料經混煉、硫化得到橡膠復合材料，具體配方見表1。NBR/MWNT復合材料試驗試塊的制備流程見圖1。

表1 復合材料配方

圖1 NBR/MWNT復合材料制備流程

1.3 復合材料的紅外光譜(FTIR)分析

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

圖2 材料的FTIR分析

1.4 試驗設計

所有試驗均在多功能摩擦試驗機(RTEC)上進行，并采用“環(huán)塊模式”進行試驗，試驗磨擦副為ZCuSn10Zn2，包括軸承套和橡膠試塊，在每次測試之前，銅環(huán)外表面用金相研磨紙拋光，試驗分為摩擦試驗和磨損試驗。

1)摩擦試驗。為了使試塊與軸保持良好的接觸，在試驗初期每種試塊都需要進行60 min的磨合過程，預加載2 min、加載力至25 N時,驅動電機啟動，程序自動進入速度特性試驗，試驗速度依次為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，重復以上試驗3次，并將試驗結果取平均值。

2)磨損試驗。試驗條件與摩擦試驗相同，但額定速度為0.550 0 m/s，額定載荷為25 N，速度磨損試驗進行8 h，試驗示意圖如圖3所示。

圖3 試塊磨損試驗示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 復合材料的結構

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

圖4 復合材料的斷面形貌圖

表2是經過某研究所檢測得出的材料機械性能指標。測試復合材料的物理和機械性能滿足美國軍用標準MIL—DTL—17901C(SH)和中國船舶標準GB/T 769—2008的要求。

表2 不同材料機械性能表

從表2知，添加了MWNT的復合橡膠材料硬度普遍提高，這是因為采用溶液共混法可以提高MWNT在橡膠基體中的分散，另外極性腈基團(CN)與羧基基團(COOH)之間存在強烈的界面相互作用，從而導致NBR/MWNT復合材料的拉伸強度增加。斷裂伸長率的增加可能是因為橡膠填料之間良好的相互作用而允許流變性增強[5]。

2.2 摩擦試驗結果及分析

圖5是摩擦試驗結果中的速度特性曲線，當載荷相同時，平均摩擦系數(shù)隨著滑動速度的增加逐漸減小，當速度超過2.200 0 m/s時則趨于平穩(wěn)。

圖5 速度特性曲線

從圖5知，平均摩擦系數(shù)與滑動速度呈負相關，當速度在0.027 5～0.440 0 m/s時主要經歷了邊界潤滑狀態(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。當速度在0.440 0～1.100 0 m/s這個范圍內時主要是混合潤滑狀態(tài)，隨著轉速的增加，水膜厚度明顯增加，并且水膜承壓增強，潤滑效果明顯[6]。當速度大于1.100 0 m/s時，摩擦副之間能夠形成較為明顯的彈流動壓潤滑，因此4種材料在這個速度范圍內摩擦系數(shù)較為接近。在速度特性曲線下平均摩擦系數(shù)相對于滑動速度的趨勢符合Stribeck曲線。從速度特性試驗可以得出，MWNT可以有效降低復合材料的摩擦系數(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 磨損試驗結果及分析

磨損試驗通常采用直接稱重法，計算磨損前后的質量差來表示磨損性能，但由于本試驗試塊在水環(huán)境下工作，吸濕比較嚴重，并且試塊的磨損量較小，稱重存在明顯誤差，所以采用間接法計算比磨損率，再結合三維表面輪廓儀和掃描電子顯微鏡，從微觀層面觀測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。試驗中通過轉軸的轉動攜帶潤滑水到摩擦副間實現(xiàn)水潤滑，磨損試驗后試塊磨痕長度、寬度的測量采用讀數(shù)顯微鏡。磨損體積的計算見式(1)：

(1)

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

通過磨損體積計算磨損率Ws[7]：

Ws=Vs/(F·2πR·n·t)，

(2)

式中：F為正壓力，N；n為轉速,r/min；t為試驗時間，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，微凸沿著運動方向會產生拉伸變形，隨著轉速的不斷增加，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，這說明摩擦副之間材料在試驗過程中出現(xiàn)了轉移，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照圖，填充MWNT的復合材料具有比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的復合材料比磨損率最低，從表2列出的復合材料的硬度可知，其中填充了MWNT-COOH的復合材料硬度最高，NBR硬度最低。因為MWNT具有高強度高韌性的特性，當MWNT填充到橡膠基體中并達到一定含量時，MWNT將起到“網(wǎng)格骨架”作用，從而提高復合材料的致密性和硬度，而填充了MWNT-COOH的復合材料具有最小的磨損量，是因為改性后的MWNT在復合材料中分散均勻，這些都提高了復合材料的耐磨性能。

圖7 不同材料比磨損率對照圖

2.4 磨損表面微觀形貌分析

通過L1型激光干涉位移表面輪廓儀測量系統(tǒng)觀察磨損后試塊的表面形貌，該系統(tǒng)是通過光的干涉原理來對材料表面進行檢測，該儀器量程為5 mm，分辨率為5 nm，可以在一次測量中同時獲得被測物體表面輪廓的粗糙度、形狀誤差以及波度等參數(shù)。對磨損后的表面進行顯微觀察后生成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)了山脊狀的凸起，許多研究表明，這些突起是由黏滑振動和微振引起的。將NBR和不同組分的MWNT材料進行對比，發(fā)現(xiàn)填充了MWNT的復合材料表面高度差相對于NBR的表面要小，并且突起間距短。在0.8 mm×0.8 mm范圍內，未添加MWNT的NBR表面磨痕高度最大，由此說明該試塊潤滑狀態(tài)較差。而添加3.2%的MWNT-COOH磨痕高度最小，這是因為溶液共混法可以提高MWNT在橡膠基體的分散性，不易在橡膠基體內發(fā)生團聚。從磨損表面的山脊狀花紋間距和高度可以推測出其振動情況，即在相同工況下的MWNT復合材料的黏滑振動頻率要低于NBR材料，潤滑狀態(tài)較好。

3 結束語

采用FTIR檢測發(fā)現(xiàn)MWNT在光譜中沒有明顯的特征峰，而NBR/MWNT復合材料中發(fā)現(xiàn)NBR的特征峰，表明MWNT和NBR之間不存在化學鍵的生成。基于一定的設計配方，并在一定的材料添加順序下，采用溶液共混法制備出的復合材料，在機械力學性能方面各項指標都滿足CB/T 796—2008以及美國軍標MIL—DTL—17901C(SH)的標準。填充了MWNT的NBR在硬度和強度上都有一定程度的提升，通過掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)采用溶液共混的方式有利于MWNT在NBR的均勻分散，減少團聚。同時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復合橡膠材料具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。