轴承材料摩擦磨损性能研究

碳纳米管 (MWNT) 在具有极大的长径比的同 时具有超高的强度和模量，是一种特殊的一维材 料，是复合材料的理想添加剂。橡胶是一种非 金属聚合物，其弹性性能好、吸振能力强、在受力 的情形下产生变形，撤消力后能够立即恢复原形， 抗冲击性能好。但橡胶作为水润滑轴承存在一些显 著的缺点，例如在高温、高负荷下性能较差，运行 精度低等，通常使用的碳纳米管和橡胶共混方 法包括机械共混法、喷雾干燥法、胶乳共混法、溶 液共混法。这些方法中机械共混法效率高，时间短，但在混炼的过程中 MWNT 易与橡胶基体产 生团聚，制得复合材料效果并不理想; 喷雾干燥法 制备过程复杂不易操作; 胶乳共混法虽能在一定程 度上改善 MWNT 在胶乳中的分散问题，但并不能 改变 MWNT 在胶乳中的团聚; 溶液共混法可以通 过超声波的作用打断 MWNT 的结构，减小团聚的 发生，便于 MWNT 在橡胶基体中均匀分散，但在 制备过程中会用到多种有机溶剂，如果处理不当容 易造成污染。

1 试验设计与分析

1． 1 试验原材料

本试验所用的 3 种工业级多壁碳纳米管均为 MWNT，纯度 ＞ 90% ; 内径为 5 ～ 10 nm; 外径为 10 ～ 30 nm; 长 度 为 10 ～ 30 μm。NBＲ 牌 号 为 N230S。丙酮含量 ＞ 99． 5% 。

1． 2 试验材料的制备

本试验采用溶液共混法制备复合材料母料，首 先将 NBＲ 切成小段，在 60 ℃ 的恒温下将称取的 NBＲ 溶 于 丙 酮 中，并通过搅拌桨不断搅拌直至 NBＲ 完全溶解，随后加入 MWNT，用超声波分散 器分散 60 min，将分散好的溶液放入真空烘干箱干 燥直到重量保持不变，制得复合材料母料。将制备 好的复合母料经混炼、硫化得到橡胶复合材料，具 体配方见表 1。NBＲ/MWNT 复合材料试验试块的 制备流程见图 1。

采用 KBr 压片法制备待测样品，使用 NICOLET 6700 型傅里叶转换红外光谱仪对待测样品进 行检测，图 2 ( a) 和 ( b) 分别显示了 MWNT 和 NBＲ/MWNT 复合材料的红外光谱，从图 2 (a) 可 以看出，MWNT 在 FTIＲ 光谱中没有显示明显的 峰，而复合材料的 FTIＲ 光谱显示出了 NBＲ 的特征 峰，其中 2 238 属于 － CN 的伸缩振动，2 852 和 2 920属于 Ｒ1CH = CHＲ2 中的 － CH 伸缩振动，这 表明复合材料和 NBＲ 之间不存在化学键。

2 试验结果与讨论

磨损试验通常采用直接称重法，计算磨损前后 的质量差来表示磨损性能，但由于本试验试块在水 环境下工作，吸湿比较严重，并且试块的磨损量较 小，称重存在明显误差，所以采用间接法计算比磨 损率，再结合三维表面轮廓仪和扫描电子显微镜， 从微观层面观测磨损后试块的表面形貌，分析不同 材料试块的磨损性能。当速度在 0． 440 0 ～ 1． 100 0 m /s 这个范围内时主要是混合润滑状态，随着转 速的增加，水膜厚度明显增加，并且水膜承压增 强，润滑效果明显。当速度大 于 1． 100 0 m /s 时，摩擦副之间能够形成较为明显的弹流动压润 滑，因此 4 种材料在这个速度范围内摩擦系数较为 接近。在速度特性曲线下平均摩擦系数相对于滑动 速度的趋势符合 Stribeck 曲线。从速度特性试验可 以得出，MWNT 可以有效降低复合材料的摩擦系 数，且添加了 3． 2% 的 MWNT、MWNT － COOH 和 MWNT － OH 即便在低速工况下试块的摩擦系数也 能保持在较低的程度。填充 MWNT 的复合材料具有比 NBＲ 材料更低的比磨损率，这 表明添加 MWNT 可以有效提高材料的耐磨性能， 添加 MWNT － COOH 的复合材料比磨损 率最低，从表 2 列出的复合材料的硬度可知，其中 填充了 MWNT － COOH 的复合材料硬度最高，NBＲ 硬度最低。因为 MWNT 具有高强度高韧性的特性， 当 MWNT 填充到橡胶基体中并达到一定含量时， MWNT 将起到 “网格骨架”作用，从而提高复合 材料的致密性和硬度，而填充了 MWNT － COOH 的 复合材料具有最小的磨损量，是因为改性后的 MWNT 在复合材料中分散均匀，这些都提高了复 合材料的耐磨性能。

3 结束语

采用 FTIＲ 检测发现 MWNT 在光谱中没有明显 的 特 征 峰，而NBＲ / MWNT 复合材料中发现 NBＲ 的特征峰，表明 MWNT 和 NBＲ 之间不存在化学键的生成。基于一定的设计配方，并在一定的材料添 加顺序下，采用溶液共混法制备出的复合材料，在 机械力学性能方面各项指标都满足 CB /T 796— 2008 以及美国军标 MIL—DTL—17901C ( SH) 的 标准。填充了 MWNT 的 NBＲ 在硬度和强度上都有 一定程度的提升，通过扫描电镜观察后发现采用溶 液共混的方式有利于 MWNT 在 NBＲ 的均匀分散， 减少团聚。同时 MWNT 可以有效的提高 NBＲ 的减 摩抗磨性能，而填充了 3． 2% 的 MWNT － COOH 复 合橡胶材料具有最优的摩擦磨损性能。