軸承材料摩擦磨損性能研究

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(fù)合材料的理想添加劑。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(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，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。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(chǎn) 生團聚，制得復(fù)合材料效果并不理想; 噴霧干燥法 制備過程復(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(jié)構(gòu)，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。

1 試驗設(shè)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(nèi)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(fù)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(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 體配方見表 1。NBＲ/MWNT 復(fù)合材料試驗試塊的 制備流程見圖 1。

采用 KBr 壓片法制備待測樣品，使用 NICOLET 6700 型傅里葉轉(zhuǎn)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(fù)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(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，2 852 和 2 920屬于 Ｒ1CH = CHＲ2 中的 － CH 伸縮振動，這 表明復(fù)合材料和 NBＲ 之間不存在化學(xué)鍵。

2 試驗結(jié)果與討論

磨損試驗通常采用直接稱重法，計算磨損前后 的質(zhì)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(jié)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。當速度在 0． 440 0 ～ 1． 100 0 m /s 這個范圍內(nèi)時主要是混合潤滑狀態(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，潤滑效果明顯。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(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(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。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， 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(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，是因為改性后的 MWNT 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。

3 結(jié)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(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?；谝欢ǖ脑O(shè)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(fù)合材料，在 機械力學(xué)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(fù) 合橡膠材料具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。