接觸應力對跨尺度纖維素摩擦學性能的影響

龐皓升 胡晨煒 尹 絢* 張 冰,3

(1.中國航空研究院,北京 100012;2.北京化工大學 機電工程學院, 北京 100029;3.北京化工大學 國際交流與合作處暨港澳臺事務辦公室, 北京 100029)

引 言

減摩降耗是現代工業亟需解決的關鍵問題。 據統計,世界總能源消耗的約23%來自與摩擦相關的消耗,其中20%的能源用以克服摩擦損耗,3%的能源用以重新制造由磨損及相關問題而導致的失效零部件[1-4]。 對于現代工業的核心—機械制造領域,運動機構關鍵零部件的摩擦磨損問題尤為突出,成為制約我國現階段裝備可靠性和制造業高端化發展的主要瓶頸[5-6]。 作為傳統化工機械行業的重要設備之一,雙螺桿擠出機為多個行業提供了高效、精確的生產工藝[7-10]。 然而在實際生產中,隨著雙螺桿擠出機的高強度運轉,其機筒流道內壁與物料間不可避免地會產生摩擦磨損,導致加工難度、內壁損耗增加,影響擠出工藝,致使良品率下降[11-12]。 傳統螺桿及機筒是采用鍍硬鉻工藝,雖然該工藝能滿足螺桿及機筒的工況,但會有電鍍污染、鍍鉻污染以及異型件鍍鉻層厚薄不均勻等技術問題,而陶瓷涂層具有硬度高、厚度薄等特點,可部分替代在螺桿表面實施的鍍鉻工藝,是近年來的研究熱點[13-16]。

在運用螺桿機構進行聚合物加工時,為了考察聚合物分子量及加工工況對螺桿及機筒磨損的影響效果,常選用綠色環保的纖維素作為研究對象[17]。隨著綠色工業技術的高速發展,學者們對于纖維素的加工研究也在逐漸深入,尤其是在探尋纖維素自身的特性,如摩擦學特性等方面。 纖維素的種類繁多,其中,羥丙基甲基纖維素(HPMC)屬于非離子型纖維素混合醚,具有良好的成膜性和親水性[18],常用作增稠劑和穩定劑,是建筑、醫療、紡織等行業的重要原料[19-22]。 在纖維素的加工線上,HPMC 作為填料通常會因為與機筒內壁之間摩擦而導致機筒內壁出現磨損,影響加工性能[23-24]。 Kinoshita 等[25]使用纖維素納米纖維(CNF)水分散體作為潤滑添加劑進行摩擦學實驗,結果發現當摩擦副為不銹鋼板(JIS -SUS304)和鎢鋼球且CNF 的質量分數在0.2%以下時,可降低摩擦副的摩擦系數。 Ilyin等[26]研究了微纖化纖維素(MFC)在檸檬酸三乙酯(TEC)中作為低溫潤滑脂的摩擦學行為,發現纖維素通過纏結會形成凝膠,在鋼盤表面形成一種摩擦轉移膜,從而有效降低摩擦磨損。

此外,依據前人的相關研究,發現原料或填料的摩擦學行為極有可能與機械設備運行時所設定的服役條件(如溫度、載荷、轉速等)存在密切聯系。 例如李頌華等[27]使用銷塊式摩擦磨損試驗機探究不同溫度和載荷下,干摩擦時氮化硅(Si3N4)陶瓷和聚四氟乙烯(PTFE)之間的減摩潤滑效果,研究發現摩擦系數會隨著溫度和載荷的增加,呈現先降低后增加的趨勢,這可歸因于PTFE 在特定溫度和載荷下會生成轉移膜,在溫度為50 ～150 ℃、載荷為50 ～80 N 時,PTFE 轉移膜具有良好的潤滑性能。 Wang等[28]使用氮化硅軸承球和Si3N4圓盤作為摩擦副進行了摩擦學實驗,結果表明隨著載荷和轉速的增加,摩擦系數先平緩后逐漸降低,分析發現在摩擦運動后期的接觸界面上發生了黏著磨損,并產生一層黏接層,進而有效地降低摩擦系數。 因此,通過改變服役工況條件來研究纖維素對摩擦副的摩擦磨損行為是可行的。

纖維素的尺度在摩擦學性能研究中是一個十分重要的影響因素,而聚合物的尺度(即分子量)與黏度為正相關關系,在本研究中羥丙基甲基纖維素的由低黏度到高黏度分別對應著低分子量(小尺度)到高分子量(大尺度)和低分子量羥丙基甲基纖維素,再以陶瓷基材料作為摩擦副,旨在揭示服役工況條件對多尺度纖維素摩擦學性能的影響及其磨損機理,為減少生產過程中由于摩擦磨損帶來的機械設備易損壞、能耗大、效率低等問題提供理論參考與技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

5 種不同尺度的羥丙基甲基纖維素(上海阿拉丁生化科技股份有限公司),黏度尺度分別為3 mPa·s、30 mPa·s、100 mPa·s、400 mPa·s 和4 000 mPa·s。

1.2 摩擦學性能測試

使用多功能旋轉式摩擦試驗儀(MS-M9000,蘭州華匯儀器科技有限公司)進行摩擦學測試,其中上摩擦副為直徑6 mm 的氮化硅軸承陶瓷球,下摩擦副為單晶硅片,磨料為HPMC。 摩擦學實驗在室溫下(25 ℃)進行,旋轉模塊半徑為3 mm。 設置高、低轉速,分別為15 r/min 和60 r/min;設置高、低接觸應力(法向載荷),分別為1 N 和4 N,對應的Hertz接觸應力分別為0.72 GPa 和1.14 GPa,Hertz 接觸應力的計算公式如式(1) 所示。 摩擦學行為測試示意圖見圖1。

圖1 摩擦磨損試驗機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of friction and wear testing machine

式中:σmax為最大接觸應力,GPa;P為法向載荷,N;E為彈性模量,GPa;R為摩擦球半經,mm。

1.3 表征手段

采用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7500F,日本電子株式會社)觀察涂層摩擦磨損后磨斑及磨痕的表面形貌。

采用光學顯微鏡(VHX-3000,基恩士(中國)有限公司)觀察涂層摩擦磨損后磨斑及磨痕的表面形貌。

采用拉曼光譜儀(Raman,LabRAM Aramis,HORIBA Jobin Yvon)觀測涂層原料及摩擦磨損后的磨斑、磨痕的表面結構,測試范圍設為100 ～2 000 cm-1,照射時間為30 s,激發光波長為532 nm。

2 結果與討論

2.1 低接觸應力對摩擦學性能與結構形貌的影響

2.1.1 摩擦學性能

如圖2 所示,隨著HPMC 黏度的增加,跑合期后樣品的摩擦系數大多呈現先減小后增大的趨勢(除100 mPa·s 黏度的樣品外),在60 r/min 轉速時尤為明顯。 當HPMC 黏度為100 mPa·s 時,跑合期后的摩擦系數總體在最低值, 分別為0.06(15 r/min)和0.28(60 r/min)。 這可能是由于此時HPMC 的黏度在Si3N4與Si 片之間,因而形成了一定的緩沖摩擦作用,即特定尺度的HPMC 對摩擦副接觸面產生減摩降磨效果,使得平穩態時Si3N4陶瓷球與Si 片之間的摩擦系數下降。 當黏度過高或過低時,此種效應就會被削弱,摩擦系數也會因此升高。 由此推斷,在15 r/min 低轉速條件下,摩擦副間的接觸應力主要為低接觸應力,摩擦學行為可能表現為低接觸應力下的黏著磨損;而在60 r/min 高轉速條件下,摩擦學行為可能表現為低接觸應力下的磨粒磨損或膠合磨損。

圖2 低接觸應力下不同轉速下HPMC 的摩擦系數曲線Fig.2 Friction coefficient speed of HPMC under low contact stress

2.1.2 表面形貌

由圖3 可知HPMC 的單體纖維主要呈長條狀,即當HPMC 黏度分別為3、30、100、400 及4000 mPa·s時,長度依次是215、170、140、150 及160 μm。

圖3 HPMC 的SEM 形貌圖像Fig.3 SEM images of HPMC

由圖4(a)可知在低接觸應力(0.72 GPa)和低轉速(15 r/min)下,單晶硅片表面上的磨痕顏色較淺,磨損表面較為光滑。 隨著HPMC 黏度的增加,單晶硅片的表面磨痕逐漸淡化,磨痕寬度逐漸變窄,即從50 μm 過渡到幾乎觀測不到磨痕。 磨屑在HPMC 黏度為100 mPa·s 時開始減少,并且大片磨屑的數量也在相應減少。 當 HPMC 黏度為400 mPa·s 時,觀察到磨屑的數量再次增多。 劉洪濤[29]發現磨損量和磨屑大小與磨損程度有直接關系,磨屑越多,磨損量越大。 另外,由圖4(a)中觀察到在低轉速(15 r/min)時,硅片表面磨痕基本較為光滑,判斷此時的磨損機理主要為摩擦界面處的剪切力與單晶硅片表面產生的輕微黏著磨損。 由圖4(b) 可知,在60 r/min 時,隨著HPMC 黏度增加,磨痕寬度先變窄后變寬(從120 μm 過渡到幾乎無磨痕,再到60 μm),磨屑先變少后變多。 除黏度為30 mPa·s 的HPMC 以外,其他硅片表面磨痕呈現明顯的犁溝形貌,可推測此處的磨損機理主要為磨粒磨損。 曹翔禹[30]在研究鎢酸鋯(ZrW2O8)與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)組成的復合材料的減摩潤滑效果時,發現當ZrW2O8的添加量為5%時,犁溝作用明顯減弱,摩擦后的表面變得光滑平整。 由此推測,此時磨損的機制以磨粒磨損為主。 此外,在某些特定工況條件下(如15 r/min、HPMC 黏度為30 mPa·s 時),硅片上的磨痕并不完全遵循上述規律,這可能是由于實驗中上述變量外的其他因素,如HPMC 擺放位置、機械振動等干擾所致。

圖4 低接觸應力下不同尺度HPMC 的光學顯微鏡照片Fig.4 Optical micrographs of HPMC at different scales under low contact stress

2.1.3 表面結構

從圖5 中可以看到,黏度為3 mPa·s 的HPMC信號峰分別在289、948、1 123、1 369、1 454 及1 614 cm-1。 圖6 (a) 展 示 了 15 r/min 時 磨 痕 的Raman 曲線,發現在521 cm-1和977 cm-1出現了Si的特征峰,并且在289、948、1 123 cm-1及1 614 cm-1出現了與圖5 中3 mPa·s 黏度相似的HPMC 特征峰。表明此時在磨痕表面上除了硅基底之外,還有HPMC,意味著有部分HPMC 參與了摩擦磨損過程。在圖5 中可以看到,黏度為30 mPa·s 的HPMC 信號峰分別位于203、337、1 160、1 366、1 457 cm-1及1 600 cm-1。 從圖6(a)中轉速為15 r/min 時磨痕的Raman 曲線中可發現,在521 及977 cm-1出現了Si的特征峰,在1 366 及1 457 cm-1出現了與圖5 中30 mPa·s 黏度HPMC 相似的特征峰。觀察圖6(a)中黏度100 mPa·s 和4 000 mPa·s 的Raman 曲線,發現磨痕的特征峰均與Si 的特征峰一致,且幾乎觀察不到任何HPMC 的特征峰,表明HPMC 全部參與磨損。圖6(b)展示了轉速為60 r/min 時磨痕的Raman 曲線,發現在521 及977 cm-1附近出現了Si 特征峰,其他位置并未發現與圖5 中3 mPa·s 黏度HPMC 相似的特征峰,HPMC 的特征峰完全消失,表明此時在磨痕表面上只有Si 基底,此時全部的HPMC 參與磨損。

圖5 不同尺度HPMC 的Raman 光譜Fig.5 Raman spectra of HPMC at different scales

圖6 低接觸應力下不同尺度HPMC 的Raman 光譜Fig.6 Raman spectra of HPMC at different scales under low contact stress

由此推測,在低轉速下,較低黏度的HPMC(3 mPa·s 和30 mPa·s)只有一部分參與磨損,并且隨HPMC 黏度的增加,參與磨損過程的HPMC 會增多,直至全部參與。 參考圖2 中摩擦系數的變化規律, 可知HPMC 的黏度增大有助于減少磨損,并降低摩擦系數。 隨著黏度增加,即減少摩擦磨損所需的HPMC 增多,低黏度的HPMC 不足以完全減緩磨損過程,此時摩擦未受到足夠的HPMC 來減緩,所以摩擦系數會上升;在高轉速下,降摩減損所需HPMC 的黏度和量也會增加,5 種黏度的HPMC 均參與了磨損全過程。

2.2 高接觸應力對摩擦學性能與結構形貌的影響

2.2.1 摩擦學性能

如圖7 所示,在高接觸應力下,當轉速為15 r/min 時,存在與低接觸應力時類似的現象,即隨著HPMC 黏度的升高,Si3N4與Si 片間的摩擦系數均呈現先降低后升高的趨勢,當HPMC 黏度為30 mPa·s 時,摩擦系數最低。 說明在這一特定黏度下,HPMC 可以增強摩擦副之間的潤滑性能。 同時,基于上述2.1 節的結果,可推斷在低接觸應力條件下,15 r/min 轉速組的磨損機理隨著HPMC 黏度的變化而改變;同理,在高接觸應力時,HPMC 的磨損機理也發生了類似的轉變,并可能也存在黏著磨損和磨粒磨損共存的形式。 此外,發現60 r/min 轉速組的總體摩擦系數并未呈現出與15 r/min 轉速組相似的變化規律,而是在HPMC 黏度為400 mPa·s 時,擁有同組最小的平均摩擦系數(0.21),其余組的摩擦系數在跑合期后基本保持恒定。

圖7 高接觸應力下不同轉速下的HPMC 的摩擦系數Fig.7 Friction coefficient speed of HPMC under high contact stress

2.2.2 表面形貌

由圖8(a)可知,轉速低時磨痕寬度隨著HPMC黏度的增加先變窄后變寬,磨屑先變少后變多。 當HPMC 黏度為30 mPa·s 時,能夠觀察到磨痕較細,寬度僅為10 μm 左右,且磨痕周圍的磨屑尺寸較大,數量較多。 當HPMC 黏度為100 mPa·s 時,在單晶硅片表面上幾乎觀測不到磨損痕跡,只存在少量磨屑。 當HPMC 黏度為4 000 mPa·s 時,磨痕寬度為同組最大。 可推斷在1.14 GPa、15 r/min 時,磨損程度隨HPMC 黏度的增加先減小后增大。 根據黏著摩擦理論[31],摩擦系數與接觸面積以及單位接觸面積上摩擦力的乘積成正比,與施加的載荷(即接觸應力)大小成反比。 對比圖7 中不同轉速與各種HPMC 黏度下的摩擦系數,發現在1.14 GPa 下HPMC 的平均摩擦系數反而增大,并不符合黏著磨損的規律。 此外,通過觀察15 r/min 轉速下Si 片的表面磨痕形貌,發現除黏度為100 mPa·s HPMC 外,其余皆可以清晰地觀察到磨痕表面存在明顯的犁溝形貌,這種形貌通常是由磨粒磨損作用所導致。 綜上,可推測此時的磨損機理主要表現為磨粒磨損。由圖8(b)可知,在60 r/min 轉速時,Si 片表面磨痕的寬度隨著HPMC 黏度的增加先變窄后變寬至最后消失,而磨屑逐漸變多后至最后觀測不到。

圖8 高接觸應力下不同尺度HPMC 的光學顯微鏡照片Fig.8 Optical micrographs of HPMC at different scales under high contact stress

2.2.3 表面結構

從圖9(a) 中可知15 r/min 轉速下磨痕的Raman 曲線與Si 的基本一致(即在521 及977 cm-1出現了Si 的特征峰),且未出現對應黏度的HPMC的特征峰,表明此時HPMC 已全部參與磨損過程。此時磨損機理可能與上述2.1 節中低接觸應力、60 r/min 轉速時的磨損機理相類似,即在HPMC 黏度較低(3 mPa·s)時,HPMC 并未全部參與磨損,磨粒在摩擦副間運動,表現為三體磨損;隨著HPMC黏度升高,HPMC 全部參與磨損,高黏度HPMC 的表面產生了黏結點,表現為黏著磨損。 由圖9(b)可知,60 r/min 轉速組的Raman 曲線與15 r/min 轉速組的相近,推測其磨損機理也類似。

2.3 不同接觸應力下纖維素的磨損機理

2.3.1 低接觸應力下的磨損機理

圖10(a)為15 r/min 轉速組的磨損機理示意圖,此時的摩擦學行為以輕微黏著磨損為主,主要表現為摩擦副在相對滑動的過程中發生黏著效應,同時生成黏著結點,黏著結點在摩擦副間發生滑移時受剪切斷裂形成磨屑[32]。 在輕微黏著磨損的作用下,磨損程度小,表面材料遷移痕跡不明顯,此時的磨痕較為光滑,磨屑的數量隨黏度先減少后增加,意味黏著磨損效應存在先減小后增大的趨勢,與上述2.1 節摩擦學測試中平均摩擦系數(圖2(a))先下降后升高的趨勢相符。 對于60 r/min 轉速組,由于二體磨損通常是低應力下的磨粒磨損,當磨粒切入硅片后,受到法向載荷的作用,使Si 表面出現破裂,產生裂紋和磨屑[33]。 HPMC 顆粒較小,而對應的接觸應力較大,此時出現二體磨損的概率較低。 推測該磨損機理主要以先三體磨損、后黏著磨損為主,即當HPMC 黏度較低時,接觸應力大,磨粒切入硅片表面造成硅基底破裂或造成材料剝落,如圖10(b)和(c)所示,出現明顯的磨痕;當HPMC 黏度較高時,對Si 片表面產生黏著,并且由于Si3N4的硬度高于Si,使得Si 片表面出現了嚴重的磨損區域。

圖10 低接觸應力下HPMC 的磨損機理示意圖Fig.10 Wear mechanism diagram of HPMC under low contactstress

2.3.2高接觸應力下的磨損機理

如圖11 所示,當HPMC 黏度較低(3 mPa·s)時,發生三體磨損作用,HPMC 磨粒移動于兩摩擦副之間,在高接觸應力下,磨損過程中產生的高接觸應力作用于脆性硅片表面,使得硅片表面產生疲勞,發生脆裂分離,造成明顯的槽狀形貌,并且由于HPMC作用于摩擦副之間,所以在磨痕位置處可檢測到HPMC 的存在。 當HPMC 黏度較高(如400 mPa·s)時,在Si 片表面產生黏結點,其強度高于Si 片表面的剪切強度,導致表面磨損程度增大,磨損形式以黏著磨損為主。 對于高接觸應力、60 r/min 轉速下時,其磨損機理近似。

圖11 高接觸應力下HPMC 的磨損機理示意圖Fig.11 Wear mechanism diagram of HPMC under high contact stress

3 結論

本文通過實驗手段研究了不同載荷和轉速條件下多尺度HPMC 的摩擦學性能,揭示了測試條件和尺度因素對HPMC 摩擦學性能的影響規律及其磨損機理。 主要結論如下:(1)低接觸應力下,隨HPMC 黏度的增加,除了100 mPa·s 黏度外,其余樣品的摩擦系數均在不同轉速下先減小后增大;低轉速組的磨損機理表現為輕微黏著磨損;高轉速組的磨損機理在HPMC 黏度低時表現為磨粒磨損中的三體磨損,HPMC 黏度高時表現為黏著磨損。 (2)在高接觸應力下,隨HPMC 黏度的增加,低轉速組的摩擦系數先減小后增大,高轉速組的摩擦系數在跑合期后基本保持恒定。 低轉速組的磨損機理在HPMC 黏度低時表現為磨粒磨損中的三體磨損,HPMC 黏度高時表現為黏著磨損,高轉速組的磨損機理與低轉速組的類似。