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干滑動摩擦磨損行為的研究
1、尼龍“及其復(fù)合材料干滑動摩擦磨損行為的研究
由上節(jié)的分析可知，在SEB S-g-MA橡膠粒子和有機納米粘土協(xié)同增強的尼龍66基納米復(fù)合材料中，PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料具有較好的耐磨性。本節(jié)將尼龍66, PA66/SEBS-g-MA復(fù)合材料、PA66/organoclay納米復(fù)合材料與PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行對比，從而更好的揭示SEBS-g-MA橡膠顆粒、有機納米粘土及兩者共混后對尼龍66復(fù)合材料耐磨性的影響。
2、磨損時間的影響
圖5-9和圖5-10是干摩擦條件下，接觸載荷為196N時，尼龍66及其復(fù)合材料與調(diào)質(zhì)鋼對磨時摩擦系數(shù)及磨損質(zhì)量損失隨磨損時間的變化關(guān)系曲線。由圖5-9可以看出，磨合階段所有樣品的摩擦系數(shù)都有不同程度的增加而后逐漸減小，30min后進入穩(wěn)定階段，表明摩擦表面己經(jīng)形成了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦系數(shù)幾乎保持不變。磨合階段，摩擦系數(shù)的增大是由真實接觸面積的變化造成的。摩擦初期，對偶間僅有部分微凸體發(fā)生了接觸，真實接觸面積較小，摩擦系數(shù)較低;隨著摩擦?xí)r間的延長，聚合物表面上大部分微突體變形或磨損，真實接觸面積迅速增大，摩擦系數(shù)急劇上升。其中PA66/organoclay納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)甚至要高于純尼龍66的摩擦系數(shù)，而PA66+(SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最小。由圖5-10可以看出，所有樣品的磨損質(zhì)量損失均隨著磨損時間的增加而增大。在給定的實驗條件下，納米橡膠顆粒的加入使得尼龍66基復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失顯著降低，而僅有層狀結(jié)構(gòu)的有機粘土填充PA66/organoclay納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失增加了近1倍。
3、接觸載荷的影響
圖5-11所示為磨損時間為120min時，尼龍66及其復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨載荷的變化曲線?？梢姡赡Σ翖l件下，尼龍66的摩擦系數(shù)隨載荷的增加先增大后減小，在98N時達到最大值，這是摩擦表面形成的轉(zhuǎn)移膜的變化引起的。當載荷低于98N時，試樣與鋼輪接觸區(qū)內(nèi)的應(yīng)力比較小，因而形成的摩擦熱也比較小，很難形成均勻、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜;隨著載荷的增加，摩擦熱也逐漸增加，一部分磨屑粘附到鋼輪表面形成轉(zhuǎn)移膜，但是此時的轉(zhuǎn)移膜不夠連續(xù)，因此摩擦系數(shù)較大。當接觸載荷進一步增加，并高于98N時，更多的磨屑粘附到鋼輪表面，逐漸形成了均勻、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，此時兩表面間的相互作用就變?yōu)榫酆衔锱c一層與之相似的材料之間的摩擦，使得基體材料避免與金屬摩擦副直接接觸，從而降低了材料的摩擦系數(shù)。相同載荷下，PA66/organoclay納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)要高于純尼龍66和PA66/SEB S-g-MA復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，而PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低。
圖5-12所示為磨損時間為120min時，尼龍66及其復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失隨接觸載荷的變化?？梢姡猃?/span>66及其復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失均隨載荷的增加呈持續(xù)上升的趨勢。顯然，接觸載荷越大，摩擦界面的熱量積累越多，磨損表面的磨損機理發(fā)生變化，所以導(dǎo)致磨損質(zhì)量損失持續(xù)上升。其中，PA66+(SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失低，而PA66/organoclay的磨損質(zhì)量損失最高，橡膠顆粒的加入可顯著提高復(fù)合材料的韌性從而降低了磨損質(zhì)量損失，而有機納米粘土卻導(dǎo)致復(fù)合材料的耐磨性下降。
4、磨損表面形貌分析
圖5-13所示為干摩擦條件下，接觸載荷為196N，磨損時間為120min時，尼龍66及其復(fù)合材料磨損表面形貌的SEM照片。可見純尼龍66的磨損表面有少量的犁溝而且有明顯的熔融流動的跡象，由于尼龍的熱導(dǎo)率較低，滑動界面的溫度容易達到其熔點，尼龍66的局部熔融導(dǎo)致較高的質(zhì)量損失(圖5-13(a) ) ; PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損表面比較平整，僅有少量較淺而平行于滑動方向的犁溝產(chǎn)生，此時的磨屑細小并粘附在磨損表面，同時在鋼輪表面形成了一層較均勻的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了粗糙尖峰的微觀切削和犁溝作用，提高了復(fù)合材料的耐磨性(圖5-13 ( b ; ; PA66/SEBS-g-MA的磨損表面脫落的磨屑發(fā)生了嚴重的塑性變形，形成破碎的片狀物粘附在試樣表面表明在滑動過程中以粘著磨損為主(圖5-13 ( c ) ) ; PA66/organoclay的磨損表面比較粗糙，發(fā)生了明顯的局部熔融及塑性變形，造成了磨損表面的大面積破壞，有機粘土的加入使得復(fù)合材料的耐磨性下降(圖5-13 (d> o
圖5-14為尼龍66及其復(fù)合材料的磨損表面的三維形貌。可以看出，純尼龍66和PA66/organoclay納米復(fù)合材料的磨損表面比較粗糙，有大量較深的犁溝存在，而加入SEBS-g-MA橡膠顆粒的復(fù)合材料的磨損表面相對比較平整，其中PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損表面最光滑。表5-2為尼龍66及其復(fù)合材料的磨損表面形貌參數(shù)，即表面平均粗糙度(Ra)和均方根偏差(Rq)的對比數(shù)據(jù)。可以看出，PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料磨損表面的平均粗糙度最小，這是由于干摩擦過程中復(fù)合材料在鋼輪表面形成了均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，鋼輪表面的凹陷處被轉(zhuǎn)移的材料所填充，導(dǎo)致微突體對復(fù)合材料基體的犁削作用減弱，從而使磨損表面比較光滑平整。