弹性体复合材料的摩擦表征灵敏度 - 文章

弹性体复合材料的摩擦表征灵敏度

作者：固特异 Scherbakov

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在与摩擦有关的领域应用中，有数不清的弹性体和弹性体复合材料。它们在组分、结构、加工、设计和其它变量上有所差别。随着这些变量当中每一种的改变，产品的物理和机械性能将发生显著的变化。

实际的使用条件几乎是不可预测的，问题会更加复杂。因此，很难获得对材料性质和产品应用的准确描述。然而，使用强力而又灵敏的快速测试方法，按照适合材料基准测试、选择和优化的快速、有效而又便宜的方式来描述弹性体的行为仍然是有必要的。

一个众所周知的而且被广泛接受的事实是，当涉及到材料接触时，摩擦是影响任何一种产品运转情况的主要因素之一。可以用多种实验室测试方法来定量地表征摩擦现象，包括标准的和用户定制设计的方法。应用参数试验的低灵敏度表明，设计多种与摩擦相关的方法学是有必要的。传统上，有成组被设计用于每种产品应用的、与摩擦有关的试验。本项研究不是以对所有产品进行详细的评论为目标，而只是列出会令人感兴趣的一些产品。

轮胎是与摩擦最有关系的产品之一，行驶里程是轮胎的主要性能特征之一。因此，对于轮胎研发而言，能够精确地描述轮胎磨损表面的条件和相关材料的摩擦性质是必不可少的。有多种包含轮胎磨损和摩擦测量的ASTM（即美国材料实验协会）程序。其中一个名为ASTM F 408的程序测定湿牵引性、制动系数、打滑以及其它跟摩擦有关的参数。这种测试方法被称作是适合于研究和开发的目的，而不适用于调整状态和作为规范接受，因为所获得的值可能未必允许跟在不同条件（表面、环境等）下获得的牵引性能级别相关或者是分级排序。这是试验输出参数低灵敏度的一个好的例子。

传送带是在摩擦状态下工作的产品的又一个例子，传送带耐磨性和摩擦的测量方法不同。用于矿业的耐磨弹性体材料概述强调了通过正确的测试来理解弹性体物理性质的重要性。ASTM D 2228是多种传统测试方法中的一种，被称为皮可（Pico）磨损，广泛使用于传送带业。在负载有锡的碳化合金刀下按控制好的速度、时间和外力旋转橡胶样品，报告磨损的量。然而，在皮可测试中提到，虽然测试可以用来估计不同橡胶混合物的相对抗磨损性，但是，并没有给出或者是暗示测试与使用性能之间的相关性，部分原因是大大变化的表面条件的性质。传送带业已经证实，由于试验参数的低灵敏度，已知标准的和定制的磨耗试验经常不显示出与传送带现场使用特性的相关性。

高耐磨性产品的最后一个例子是鞋底和鞋跟，有多种开发用于此种应用的标准试验。多年来提出了多种鞋类磨耗试验机器。然而，大多数试验都有灵敏度的限制，譬如说环境、表面和样品几何结构的条件，以及与其它试验不相关。

基于上述对现有量化摩擦方法的简短评述，显而易见的是，没有单一的足够灵敏的方法能满足所有与摩擦有关的应用。

本唯象学研究的目的是提出一种材料表征的方法，该方法基于模拟弹性体和弹性体复合材料摩擦性能的某种摩擦接触。这种试验必须对主要的现场应用参数是灵敏的，像负载、速度或者是接触介质的形状，还有环境条件。试验对材料的基准测试、鉴定等级、选择和成本优化来说应该是适用的。

表征概念

本文提出表征摩擦的一种唯象学的方法。该方法提到，产品由于其使用寿命而发生变化。产品中发生的过程是复杂的，不能够从分析上进行描述。然而，一些现场使用（或者是输入）参数，例如负载、温度、介质性质等是已知的。由于输入参数对产品的影响，诸如产品性能、强度、磨损率、成本等最终现场性质参数（或者是输出）都已定形。

为了将这种唯象学方法应用到具有高灵敏度的摩擦表征上，现介绍一种新的动态试验。该试验涉及到载重和扭转性质的结合。本研究工作中建议了模拟指定模式接触行为的实验方法。

在试验中将接触物表示为简单的轴对称物体（压头）。所有挑选的压头都是具有不同形状的石头的通用磨削针，包括球形的、圆锥形的、平的等等。关于压头的几何结构的例子见图1。

图1：用于测试的不同形状的压头
（1－球形2－平底，3－平整球形，4－圆锥形，5－尖锥形）

将压头压缩到固定的待测样品里，待测样品定义为一平片具有已知厚度的指定弹性体。可以通过外力或位移来控制压缩过程。在压头上施加一个扭矩载荷，将其作为角位移和压缩的函数记录下来。扭转的阻力认为是由于压头和弹性体待测样品接触表面上的摩擦引起的。

试验程序已有描述，在本研究工作中通过扭转MTS动态机器来执行。将厚度不变的弹性体片放在旋转压头下。弹性体复合材料的厚度对应于实际产品的厚度。在垂直于待测样品表面的方向上将压头压到弹性体样品中，向下直到选定的以轴向力F或轴向位移△表示的负载水平。到达选定的负载或位移后，保持10秒钟，在负载控制模式下按选定的角速度W旋转压头。每隔0.5秒记录一次负载（扭矩T）、位移（角度θ）和时间。将总旋转角设定为200°。

典型的试验结果用示意图表示，见图2。有一个最大扭矩峰，可以用Tmax和θmax表示。此峰表示典型的静摩擦阻力，与文献中所描述的从一个静态位置由一个表面向另一个表面移动所需要的力相对应。Ta表示对于旋转移动的扭转阻力，可以用来量化典型的动摩擦，或者是在给定速度下从一个表面移动到另一个表面的阻力。

在研究中考虑了两组材料，包括4种通用的弹性体产品（1、2、3、4）和2种纤维增强的弹性体复合材料（A、B）。弹性体是基于天然橡胶和不同含量合成橡胶以及碳黑填充料的混合物。测试的复合材料有1层和4层不同密度聚酯和尼龙纤维增强材料，覆盖有基于合成橡胶和天然橡胶以及碳黑填充料混合物的通用橡胶，如图2。

图2：测试的复合材料A和B

摩擦表征灵敏度

对于选定的材料，考察了压头形状、轴向负载、试验温度和扭转速度的影响。

压头形状的影响表示接触产品的不同形状物体的冲击力，例如说，这类似于一块尖石头与一块圆石头压到鞋底里或落到传送带上产生不同的冲击力。

在轴向力的作用下将圆锥形、球形和平球形压头压到具有代表性的橡胶材料（含有硫化体系和碳黑填充料的天然橡胶）里，在室温下转200°角。扭转阻力结果所生成曲线的形状与传统的趋势相似（如图3）。

图3：摩擦行为示意图

不同形状压头产生的扭转阻力明显不同。例如，在300 N的轴向外力作用下，圆锥形压头引起材料阻力扭矩在1000 N·mm，而球形的压头则产生约750 N·mm的扭矩。

试验的下一个方面是研究施加在同一个具有代表性的橡胶材料上的轴向负载的影响。这项测试将复制不同重量的石头从相同高度落到选定材料上的效果。正如所料，轴向负载的增加导致了所有形状压头扭转阻力明显的增加。负载从300 N增加到700 N，扭转阻力加倍还要多。有意思的是，材料对于不同形状压头阻力的等级次序随负载的增加而改变。例如，在低轴向负载的情况下，材料对于球形压头的扭转阻力比对平球形的要稍微低些，但在更高负载下等级次序发生转变。这个结果表明正确选择实验室试验参数以达到适当模拟每种现场使用目的的重要性。

为了模拟现场使用中变化的环境温度，还研究了温度对材料摩擦性质的影响。例如，在室温、60℃和80℃，轴向负载300 N、500 N和700 N的条件下测试材料对平整形压头的扭转阻力，结果表明，随温度的增加，材料的扭转阻力减小，无疑是橡胶软化的结果。圆锥形压头也观测到相同的趋势。

先前用一种弹性体材料研究了速度的影响，记录的300 N轴向外力下扭矩的值具有非常一致的依赖性：随着速度的增加，扭转阻力的值也增大。在目前的工作中，研究了在700 N更高轴向外力下多种材料，包括4种橡胶混合物（1、2、3、4）和2种弹性体复合材料（A、B），速度从每秒1°变化到每秒2°的影响。可见，橡胶混合物的扭转阻力等级次序没有随速度的增加而改变，对于所有测试的材料而言，高速度的确与高扭矩结果相关联。

材料基准测试

20世纪50年代，A. Schallamach曾指出，任何两种混合物基准测试的相对等级依赖于试验的条件。为了将材料和产品划分等级并进行比较，基准测试是必需的。在本研究工作中，在室温下以不同速度压入球形石头来测试4种具有代表性的橡胶混合物和2种复合材料，将它们的扭转响应划分等级。重要指出的是，由于对材料形状高的测试灵敏度，不同材料的结果之间会有明显的不同。这些结果表明为了避免材料分级中产生令人误解的结果，在明确鉴定参数下进行基准测试的重要性。

能量组分角色

先前讨论的所有试验都是用外力控制轴向压缩模式进行的，表示穿透物的重量引起接触压力的情形：例如，传送带运石头。在一些现场使用场合，形变是必不可少的，例如固定压缩下的密封剂。这就意味着实验室试验必须安排成位移控制模式。最终，某些应用是由能量因素协调配合的，例如减震器或支架装置。对于这些情况，有尝试将负载和形变控制模式组合到能量组分控制试验中，然后比较在负载模式下得到的扭转阻力级别和能量组分控制试验得到的级别。

试验的第一部分里，室温在3种轴向负载下测试4种橡胶混合物和2种复合物。将球形压头压入样品中，以每秒1°的速度转200°，然后彻底松开。在300 N、500 N和700 N轴向外力下重复3次，共旋转600°（200°重复3次）。和前面的试验一样，对于这些具有代表性的材料，扭矩明显不同。总体扭矩分级显示4号材料最高，接着是1号、3号和2号。2种复合物的扭矩值十分接近。有意思的是，300 N负载出现了典型的静摩擦最大值，而在更高负载时，扭矩单调增加。

试验的第二部分是通过用球形压头在室温下以10 N/sec的压缩速度运行负载检测曲线来确定每种材料的能量组分。计算每种材料曲线下方的面积，指定名称为能量组分E（N·mm）。测定了每种材料对应于3个级别能量组分的负载，如图4。

然后重复试验的第一部分，但是并非所有材料外加的负载都一样。相反地，分别测定对应于700 N·mm、1000 N·mm和1500 N·mm3个级别能量组分的材料的轴向力，如图4所示。由于试验的控制模式从负载变换成能量组分，材料扭转阻力的等级次序完全改变了，3号混合物和复合物B具有最高的扭矩。然而，注意到有些材料似乎保持它们的等级次序：例如，2号混合物和复合物A仍然处于扭转阻力低的一边。

这是说明根据部件明确的现场使用情况正确选择试验控制条件是多么重要的一个颇有价值的例证。

结论：本研究提出了材料表征的一种方法，开发用于弹性体和基于弹性体的复合材料，以强调它们独特的摩擦性能。基于这种方法，在复杂的动态负载和环境条件下选择一组材料参数来量化摩擦性能。

观测到了提出的参数对于负载条件（压力，速度）、环境条件（温度）、接触样式（压头的形状）和材料组成（不同弹性体和复合物）具有高的灵敏度。基准测试可以认为是基于现场使用性能的有限可用信息、用于弹性体选择和优化的一种加速方法。

本文摘自Rubber World 国际橡胶商情编译(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/25/2005)


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