湯 潔, 張麗慧, 周春宇, 吳 楊, 于 波*, 周 峰*

(1. 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 煙臺中科先進(jìn)材料與綠色化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 山東 煙臺 264006;4. 煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實驗室, 山東 煙臺 264006)

作為三大合成材料之一，橡膠是1類高黏彈性、低彈性模量的高分子材料，種類繁多. 按照來源與用途分類，橡膠可分為天然橡膠(NR)和合成橡膠，其中合成橡膠又分為通用合成橡膠以及特種合成橡膠，通用合成橡膠包括丁苯橡膠(SBR)、順丁橡膠(BR)和丁腈橡膠(NBR)等，特種合成橡膠包括氟橡膠(FKM)、硅橡膠(MVQ)和聚氨酯橡膠(PU)等. 橡膠具有很多優(yōu)異的物理及化學(xué)特性，已被廣泛用于國防、航空航天、醫(yī)用、交通、建筑及機(jī)械電子等領(lǐng)域.

摩擦學(xué)性能對橡膠制品的安全性影響重大，例如摩擦性能良好的橡膠輪胎起到減震降噪的作用，而輪胎的耐磨性直接關(guān)乎其使用壽命及安全性；橡膠密封件[1]是1種適應(yīng)性很強(qiáng)的密封材料，其中機(jī)械磨損是導(dǎo)致動密封失效的重要原因；水潤滑橡膠軸承[2]受潤滑介質(zhì)中的雜質(zhì)影響易出現(xiàn)磨損故障，承載性能降低.橡膠的應(yīng)用已深入人類生活的各個領(lǐng)域，橡膠的摩擦磨損性能是橡膠制品在應(yīng)用中需要考量的重要因素.實際應(yīng)用中橡膠摩擦磨損性能受機(jī)械作用、熱及化學(xué)作用等諸多因素共同影響，但目前對橡膠摩擦的研究與認(rèn)識仍然不夠深入和清晰，因此如何更加深刻、全面地認(rèn)識并描述橡膠材料的摩擦磨損性能仍然是當(dāng)前研究的一大重點[3].

本文中綜述了近年來橡膠摩擦學(xué)理論、橡膠減摩抗磨改性方法、減摩抗磨橡膠的應(yīng)用及對橡膠摩擦未來發(fā)展方向的展望.

1 橡膠特性及其摩擦學(xué)理論

橡膠是1種用量大、用途廣泛的工程聚合物材料，在微觀尺度上，其分子間存在相互作用和內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力，阻礙分子鏈的運動，因此表現(xiàn)為黏性，作用于橡膠分子上的力一部分用于克服分子間的黏性阻力，同時另一部分用于使分子鏈變形，二者表現(xiàn)為橡膠的黏彈性. 在宏觀尺度上表現(xiàn)為橡膠具有高黏彈性、低彈性模量、耐腐蝕性及抗?jié)B性等優(yōu)點. 但由于橡膠的接觸面容易發(fā)生彈性形變，與金屬及一般聚合物的摩擦學(xué)行為不同，其摩擦磨損過程十分復(fù)雜，且不同條件下機(jī)理也不完全相同.

1.1 橡膠摩擦原理

橡膠的摩擦學(xué)理論最初建立于上世紀(jì)60年代.Schallamach[4]最早提出橡膠的摩擦力與溫度和滑動速度存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，其中摩擦力隨速度的增加而略微增加，隨溫度的降低而大幅增加，如圖1(a)所示，并從試驗中發(fā)現(xiàn)橡膠摩擦系數(shù)和溫度的指數(shù)關(guān)系與液體黏性流動過程中流動性和溫度之間的關(guān)系類似. 為解釋橡膠表面與液體之間的相似性，Schallamach[4]在研究的過程中引入了基于活化機(jī)制的分子運動過程，當(dāng)彈性體在剛性表面相對滑動時，兩表面間的分子不斷地附著與分離，分子連接點不斷形成與破壞，彈性體分子具有小幅跳躍，分子級的黏-滑過程在宏觀尺度上造成橡膠的黏附. Bartenev等[5]在研究中對該理論進(jìn)行了更詳細(xì)的闡述.

Fig. 1 (a) Distribution curve of friction coefficient as a function of sliding velocity at 20 ℃[4]; (b) main curve of rubber friction coefficient versus sliding velocity distribution function at 20 ℃[4]; (c) rubber friction includes adhesion force and hysteresis force圖1 (a)摩擦系數(shù)在20℃下隨滑動速度變化的函數(shù)分布曲線[4]；(b) 20 ℃下橡膠摩擦系數(shù)隨滑動速度分布函數(shù)主曲線[4]；(c)橡膠摩擦力包括黏附力以及滯后力

Grosch等[6]進(jìn)一步拓展研究，通過更多的數(shù)據(jù)證明了溫度和速度等試驗條件對橡膠摩擦行為的影響，摩擦力隨速度增加而略有增加，隨溫度降低而大幅增加，摩擦系數(shù)與溫度的指數(shù)關(guān)系類似于液體黏性流動時流動性與溫度的關(guān)系. Grosch進(jìn)一步應(yīng)用Williams-Landel-Ferry (WLF)疊加概念[7]，將每一溫度下的速度乘以轉(zhuǎn)換因子 αT即可得到logαTV~μ的曲線，滑動速度對摩擦性能影響的獨特鐘形主曲線，如圖1(b)所示，并假設(shè)主曲線上的峰值速度對應(yīng)于tanδ的峰值(tanδ為損耗角正切，又稱為損耗因子，黏彈性質(zhì)包含于tanδ項中)[8].

Ludema和Tabor[9]進(jìn)行了類似的試驗，得到同樣的結(jié)論，并提出了黏著摩擦理論. 此后，橡膠的摩擦行為依賴于黏彈性的概念得到了廣泛的認(rèn)可. 在此基礎(chǔ)上，Moore對摩擦機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，提出了總摩擦系數(shù)的概念，并成為橡膠摩擦最基本的概念，即橡膠的摩擦由黏著項和滯后項共同組成.

總而言之，彈性體的摩擦力是由橡膠所具有的黏彈性本質(zhì)決定的，當(dāng)橡膠在硬質(zhì)表面上滑動時，會產(chǎn)生黏附和滯后變形作用，兩者共同作用產(chǎn)生阻力. 橡膠總的摩擦力由黏附摩擦力和遲滯摩擦力兩部分組成，即F=Fadh+Fdef，如圖1(c)和(d)所示.

此外，橡膠的摩擦行為還受表面特性的影響，F(xiàn)ukahori等[10]提出了1種新的橡膠摩擦磨損理論，并提出了1種新的橡膠結(jié)構(gòu)模型，指出交聯(lián)橡膠不是由橡膠分子的均質(zhì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，而是由非均相共連續(xù)結(jié)構(gòu)組成的，其中交聯(lián)項體積約占70%，非交聯(lián)項體積約占30%. 非交聯(lián)項在橡膠表面起到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用，這使橡膠表面具有高黏性，并且其高度黏性使橡膠表面具有比范德華力更大的黏結(jié)力. 橡膠極高的摩擦系數(shù)以及強(qiáng)黏滑運動主要是由橡膠表面的高度黏性導(dǎo)致的. 當(dāng)滑塊在橡膠表面通過時，黏附過程可看作熱活化分子的黏-滑過程，不僅橡膠內(nèi)部發(fā)生變形，同時表面產(chǎn)生許多微裂紋，因此黏滑運動項又分為遲滯損失的變形項以及摩擦裂紋形成項，修正后橡膠總摩擦力由黏附摩擦力Fadh以及變形組分Fdef和裂紋形成組分Fcrac共同組成，即

1.2 橡膠磨損機(jī)制

橡膠表面在一定外力作用下與硬質(zhì)表面接觸并發(fā)生相對位移的過程中，發(fā)生周期性形變并與接觸面產(chǎn)生摩擦阻力，最終導(dǎo)致橡膠表面材料的逐漸損耗或轉(zhuǎn)移，即形成磨損，這是1個復(fù)雜的物理與化學(xué)作用相互影響的結(jié)果[11-12]. 橡膠的主要磨損形式有4種：磨粒磨損、侵蝕磨損、疲勞磨損以及卷曲磨損.

不同于金屬和塑料的磨損機(jī)制，橡膠磨損產(chǎn)生的磨痕與摩擦方向垂直，前者則與摩擦方向平行[13]，并且橡膠磨損后形成的磨痕表現(xiàn)為山脊?fàn)钔黄穑黄痖g距和高度相等，形成磨損斑紋. 早期研究人員認(rèn)為磨損斑紋的形成只是機(jī)械作用導(dǎo)致的裂紋生長. Fukahori和Yamazaki[14-15]的研究表明，剛性體滑塊在橡膠表面移動時會產(chǎn)生微振以及黏滑振動2種振動. 橡膠的磨損是在這2種振動周期性的相互作用下產(chǎn)生，這2種振動共同作用產(chǎn)生周期性磨損斑紋. 微振動促進(jìn)了橡膠表面微觀斑紋的產(chǎn)生，而黏滑振動則造成斑紋間距的擴(kuò)展，這個周期性過程中消耗大量的摩擦能量，并且最終表現(xiàn)為橡膠的磨損.

1.2.1 磨粒磨損

橡膠等填充彈性體的磨蝕性以及黏性對橡膠磨損行為具有重要影響，在微觀尺度上，橡膠可看作由填料、橡膠以及界面層組成的三相材料，凹凸不平的接觸產(chǎn)生的接觸應(yīng)力會導(dǎo)致黏附和應(yīng)力集中，并引發(fā)裂紋萌生擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒分離. 在宏觀尺度上，這些裂紋會像疲勞裂紋一樣擴(kuò)展，導(dǎo)致顆粒分離，進(jìn)而在長時間內(nèi)導(dǎo)致嚴(yán)重磨損，如圖2所示.

Fig. 2 Wear as a multiscale contact fracture process[16]圖2 多尺度接觸斷裂的磨損過程[16]

磨粒磨損[16]主要與磨粒尺寸、顆粒銳利度、外加載荷和滑動速度等參數(shù)有關(guān). 磨粒粒徑的變化引發(fā)磨損機(jī)理發(fā)生變化，顆粒在界面誘發(fā)兩體磨損到三體磨損進(jìn)而到滾動磨損. 磨粒尺寸效應(yīng)是兩體或三體磨損的重要特征，大尺寸磨粒會加速橡膠的磨損，對材料的去除和犁削作用更明顯. 陳驥馳等[17]通過試驗證實了摩擦系數(shù)與磨料尺寸的關(guān)系，大尺寸的磨粒會加速橡膠的磨損，隨著磨粒尺寸的增加，摩擦系數(shù)與磨損量均增加. Shen等[18]通過往復(fù)磨料磨損試驗研究了SiC的磨料尺寸對丁腈橡膠磨損表面的影響，對于小磨粒而言，隨著磨粒尺寸的增加，摩擦系數(shù)增加，磨損機(jī)制從黏著磨損轉(zhuǎn)為磨粒磨損.

1.2.2 侵蝕磨損

橡膠發(fā)生侵蝕磨損[19]過程中，機(jī)械作用使分子鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生氧化降解、水解以及熱降解等表面力化學(xué)效應(yīng). 橡膠的侵蝕速率取決于橡膠的回彈性，回彈性越高，抗磨粒侵蝕性越強(qiáng). 對于非填充的彈性體，30°沖擊角的抗侵蝕性能最好，是法向沖擊下的10倍.Arnold等[20]認(rèn)為，低沖擊角下的侵蝕磨損機(jī)理與磨粒磨損相似，在侵蝕的初始階段，磨損表面形成一系列與沖擊方向垂直的磨損斑紋. 高沖擊角下的粒子沖擊會促使表面裂紋不斷擴(kuò)展并相交，進(jìn)而加速材料的移去，侵蝕磨損嚴(yán)重. 此外，侵蝕速率與沖擊速度以及顆粒大小都具有顯著相關(guān)性[21]：侵蝕速度增加會改變顆粒的動能，增大對橡膠表面的沖擊，造成橡膠表面磨損的加??；顆粒粒度增大則同樣會導(dǎo)致磨損速率增大，達(dá)到穩(wěn)定水平后保持不變.

1.2.3 疲勞磨損

橡膠表面由于微凸體的周期性應(yīng)力集中作用使橡膠反復(fù)形變產(chǎn)生疲勞，在表層逐漸出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，造成材料表面的斷裂與剝落，這種磨損現(xiàn)象即為疲勞磨損[22]. 根據(jù)疲勞斷裂過程，橡膠疲勞斷裂理論主要有裂紋萌生法以及裂紋擴(kuò)展法. 橡膠表面出現(xiàn)裂紋后，在力的反復(fù)作用下會導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而在力的持續(xù)作用下，裂紋逐漸斷裂，最終從橡膠表面徹底剝離，形成磨損圖案. 橡膠疲勞磨損的破壞機(jī)理不僅有裂紋擴(kuò)展，還包括熱降解和臭氧侵蝕等. 橡膠的疲勞磨損是力與化學(xué)相互作用的結(jié)果，是1種強(qiáng)度較小卻又極其普遍的現(xiàn)象.

1.2.4 卷曲磨損

卷曲磨損[23]發(fā)生在橡膠與光滑物體表面，剪切力的作用使橡膠表面凸起的部位發(fā)生變形后被拉伸并卷曲，被破壞后成卷狀從表面脫落. 這種磨損常發(fā)生在橡膠接觸力大于臨界值或者滑動速度增大以及溫度升高時.

實際摩擦過程中，橡膠的磨損往往是2種或者多種磨損機(jī)制同時發(fā)生的復(fù)雜過程. 而橡膠磨損過程受多種因素共同影響，并且同時存在其他磨損形式，如在摩擦生熱和介質(zhì)等的共同影響下產(chǎn)生的滾動磨耗、疲勞磨耗以及油污磨耗等.

2 橡膠減摩抗磨改性方法

降低橡膠的摩擦系數(shù)，在實際應(yīng)用中可避免粘連、降低摩擦生熱、延緩老化、提高橡膠耐磨性、延長橡膠使用壽命并節(jié)約能源. 目前，橡膠材料的減摩抗磨改性主要包括橡膠材料的基體改性、表面改性及表面織構(gòu)化等方法，如圖3所示.

Fig. 3 Antifriction and antiwear modification method of rubber圖3 橡膠減摩抗磨改性方法

2.1 橡膠基體改性

橡膠基體改性可通過加入不同的無機(jī)填料以及樹脂等來改善橡膠基體的摩擦磨損性能. 按照功能可將無機(jī)填料分為抗磨填料以及自潤滑填料. 抗磨填料可以作為橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)劑，達(dá)到減摩抗磨的效果.自潤滑填料則依托其自身的潤滑效果，在橡膠基體中達(dá)到減摩的作用. 有機(jī)樹脂改性則通過將酚醛樹脂(PF)、聚氨酯(PU)以及聚四氟乙烯等與橡膠共混實現(xiàn)雙重特性進(jìn)而達(dá)到減摩抗磨的作用. 然而加入無機(jī)填料以及樹脂等對橡膠進(jìn)行改性時，相容性對改性效果至關(guān)重要. 目前比較常用的辦法是對填料等進(jìn)行預(yù)處理以達(dá)到良好的分散效果，如對填料進(jìn)行表面改性處理，在填料表面接枝各類官能團(tuán)以增強(qiáng)填料與橡膠分子的相互作用達(dá)到均勻分散的目的.

2.1.1 無機(jī)填料改性

2.1.1.1 抗磨填料改性

1. 單一組分填料

1) 碳材料

碳材料如炭黑、碳納米管和碳纖維等都是良好的橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑. 其中炭黑是橡膠工業(yè)最早用于增強(qiáng)橡膠的填料，提高橡膠抗磨性能的主要影響因素包括炭黑的粒徑、炭黑粒子的結(jié)構(gòu)及表面活性[24]. 硫化橡膠的摩擦系數(shù)隨著炭黑粒徑的減小和結(jié)構(gòu)度的增加而下降[25]. 炭黑粒徑的減小可提高其比表面積，增強(qiáng)其與橡膠的相互作用，有利于提高其耐磨性. 炭黑的結(jié)構(gòu)是指炭黑粒子聚熔和吸附而形成的形態(tài)，通常形成的鏈枝結(jié)構(gòu)為一次結(jié)構(gòu)，一次結(jié)構(gòu)在范德華力作用下相互吸附形成二次結(jié)構(gòu). 隨著炭黑結(jié)構(gòu)的增大，復(fù)合材料的耐磨性提高，且炭黑結(jié)構(gòu)具有最佳值，在達(dá)到一定程度后其耐磨耗性能保持不變. 炭黑的準(zhǔn)石墨化晶層邊緣的缺陷有特別高的活性點，可與橡膠相互作用，提高炭黑的分散度，增大活性，提高橡膠的強(qiáng)度和耐磨性[26]. Karger-Kocsis等[27]研究了不同測試條件下，炭黑作為功能填料時三元乙丙橡膠(EPDM)與鋼對偶件之間的干摩擦與滑動磨損，結(jié)果表明，隨著炭黑含量的增加，EPDM的比磨損率降低. 褚夫強(qiáng)等[28]證明了高結(jié)構(gòu)炭黑有助于提高EPDM膠料的耐磨性能.

碳納米管(MWCNT)具有耐久性高、強(qiáng)度高以及重量輕等優(yōu)點被廣泛用于各種工業(yè)領(lǐng)域. 碳納米管可有效提高導(dǎo)電橡膠的抗磨損性及耐用性[29]. 賈承赟[30]探究了多壁碳納米管以及多巴胺改性的多壁碳納米管對水潤滑丁腈橡膠材料摩擦磨損性能的影響. 研究表明，多巴胺改性碳納米管填充的橡膠軸承材料與碳納米管填充橡膠軸承材料以及未改性橡膠材料相比，摩擦系數(shù)依次降低. 其中，填充了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的多巴胺改性多壁碳納米管的橡膠試樣的摩擦系數(shù)最低，填充了8%多巴胺改性多壁碳納米管的橡膠試塊的質(zhì)量磨損量最低.

短碳纖維是1種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小和耐腐蝕性比不銹鋼強(qiáng)的新型材料，主要用于提升橡膠制品的力學(xué)性能及耐磨性. He等[31]制備了丁腈橡膠/短碳纖維復(fù)合材料，并研究了短碳纖維對NBR復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響. 研究結(jié)果表明，在不同作用力下，橡膠的摩擦系數(shù)先增加然后降低到穩(wěn)定水平. 短纖維的加入使復(fù)合材料磨損后的質(zhì)量損失和磨損深度均比未添加短纖維的丁腈橡膠少，這是由于分散在橡膠中的短纖維在硫化過程中形成骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了表面的磨損程度. 武鮮艷等[32]以聚丙烯腈短切碳纖維(CF)為增強(qiáng)劑，天然橡膠(NR)與丁苯橡膠作為基體制備CF/NR/SBR橡膠復(fù)合材料，復(fù)合材料的阿克隆磨耗值隨著CF含量的增加而升高，說明其耐磨性下降，這是由于CF含量的增加導(dǎo)致其出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，在橡膠基體中的分散更加困難.

2) 氧化物

非金屬氧化物填料的典型代表為二氧化硅(SiO2).納米二氧化硅是制造 “綠色輪胎” 胎面的重要填料，其作為增強(qiáng)劑可賦予橡膠良好的機(jī)械性能、高回彈性、優(yōu)異的滾動阻力以及低生熱性能. 然而，表面修飾后的二氧化硅表面富含硅烷醇基團(tuán)，降低了高極性二氧化硅與非極性橡膠基體的相容性和相互作用；此外，納米級二氧化硅顆粒通常表面活性高且容易團(tuán)聚，這也降低了二氧化硅與聚合物基體的相容性，導(dǎo)致填料在橡膠基體中難以均勻分散，從而削弱了二氧化硅填充橡膠的機(jī)械性能. 為克服這些缺點，研究人員需要引入新的添加劑或者通過降低二氧化硅表面的硅烷醇基濃度來提高二氧化硅與橡膠的相容性，進(jìn)而改善二氧化硅填充橡膠的機(jī)械性能. Liu等[33]研究了納米SiO2和NBR的相互作用對水潤滑NBR基復(fù)合材料摩擦性能的影響. 結(jié)果表明，納米SiO2與NBR之間界面結(jié)合較弱，納米顆粒易脫落，在磨損表面留下凹坑和裂紋，裂紋的萌生和擴(kuò)展造成NBR的磨損；而通過硅烷偶聯(lián)劑雙(3-三乙氧基硅丙基)四硫化物(TESPT)進(jìn)行表面羥基化改性的SiO2(TESPT)與基體具有強(qiáng)相互作用，可防止納米顆粒脫離，限制NBR中分子鏈的運動，如圖4所示，可有效降低摩擦副的溫度峰值，顯著提高復(fù)合材料的抗磨損率，但同時會增大摩擦系數(shù).

Fig. 4 Interaction between nano-SiO2 [SiO2 (TESPT)] and composite during wear[33]圖4 納米SiO2 [SiO2(TESPT)]與復(fù)合材料在磨損過程中的相互作用示意圖[33]

Tian等[34]制備了接枝橡膠硫化促進(jìn)劑CZ (N-環(huán)己基-2-苯并噻唑磺酰胺)的納米二氧化硅(DNS-CZ)，巧妙避免了CZ的揮發(fā)及遷移，并通過將DNS-CZ作為添加劑對SSBR/BR橡膠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng). 相比于未填充DNS的橡膠，填充了DNS-CZ的SSBR/BR復(fù)合物具有良好的機(jī)械性能以及阿克隆耐磨性，當(dāng)CZ填充量為81.10 nmol/kg時，SSBR/BR/DNS-CZ復(fù)合物具有最優(yōu)的機(jī)械性能和阿克隆耐磨性.

氧化鋁(Al2O3)、氧化鋅(ZnO)和四氧化三鐵(Fe3O4)是常用的納米金屬氧化物增強(qiáng)填料. ZnO常被用作硫化體系中的活性劑，在硫化過程中起到活化作用，可提高硫化橡膠的交聯(lián)密度，同時提高橡膠與其他材料的結(jié)合性. 賈其蘇等[35]比較了普通氧化鋅與納米氧化鋅對丁腈橡膠(NBR)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅可延長膠料的硫化時間，且在干摩擦及油潤滑條件下均具有優(yōu)異的耐摩擦磨損性能，納米氧化鋅/NBR復(fù)合材料相比于氧化鋅/NBR復(fù)合材料表面更加光滑，其磨損形式表現(xiàn)為磨粒磨損及少量的黏著磨損. 劉增輝等[36]研究了不同粒徑高硬度耐磨氧化鋁對橡膠材料摩擦磨損性能的影響，填充納米氧化鋁后的氫化丁腈橡膠(HNBR)的摩擦系數(shù)和體積磨損率均降低，且隨著Al2O3粒徑的減小而進(jìn)一步降低，填充10 nm Al2O3的HNBR材料耐磨性最好. 何世權(quán)[37]以Fe3O4為丁腈橡膠的填充劑，通過干法混煉方法制得Fe3O4復(fù)合磁性丁腈橡膠. 納米Fe3O4的填入明顯降低了丁腈橡膠的摩擦系數(shù). 隨著納米Fe3O4粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦系數(shù)先降低后增大. 填充少量的納米Fe3O4粒子可改善轉(zhuǎn)移膜的形成，且摩擦試驗測試后表面沒有明顯的犁溝，磨損主要表現(xiàn)為黏著磨損，磨損率較小.

2. 混合組分填料改性

將2種及以上具有減摩抗磨效果的填料共同加入橡膠中可達(dá)到改善橡膠摩擦學(xué)性能的目的. Harea等[38]研究了MWCNT和炭黑總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，摩擦學(xué)性能隨MWCNT含量的變化. 當(dāng)MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到5%時，摩擦系數(shù)減小但磨損量基本不變.Tian等[39]研究了嵌入Fe3O4粒子以及SiO2粒子對硅橡膠(PDMS)微柱摩擦行為的影響，隨著Fe3O4顆粒含量的增加，F(xiàn)e3O4/PDMS復(fù)合材料的摩擦力呈先減小后增大的趨勢.

2.1.1.2 自潤滑填料改性

在橡膠基質(zhì)中加入具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑劑可在橡膠表面形成潤滑層，有效減輕承載表面間的摩擦磨損作用，是橡膠減摩抗磨改性的有效途徑之一.其中，石墨烯(及其衍生物)以及二硫化鉬都是性能優(yōu)良的自潤滑填料，具有良好的減摩效果.

1. 石墨烯(及其衍生物)

石墨烯(及其衍生物)[40]是典型的納米層狀填充物，具有良好的電學(xué)、熱機(jī)械和自潤滑性能，并且其表面活性基團(tuán)數(shù)量多，易于化學(xué)修飾，是理想的多功能填充材料之一[41]. 影響石墨烯/橡膠復(fù)合材料摩擦磨損性能的主要因素包括石墨烯自身的自潤滑性能、在橡膠基體中的均勻分布以及復(fù)合材料界面的穩(wěn)定性.Agrawal等[42]對比研究了石墨以及石墨烯片層填充丁腈橡膠形成的復(fù)合材料的抗磨性能. 滑動磨損結(jié)果表明，石墨烯填充丁腈橡膠的摩擦系數(shù)為0.373，石墨填充丁腈橡膠的摩擦系數(shù)為0.422，未填充丁腈橡膠的摩擦系數(shù)為0.457，石墨烯填充丁腈橡膠的摩擦系數(shù)較石墨填充的丁腈橡膠降低了2.3倍. 為了提高石墨烯和橡膠基體的相容性同時避免石墨烯的損傷，Wang等[43]制備了納米多孔形態(tài)的液體改性石墨烯(TrGO-IL)，并將TrGO-IL與氟醚橡膠混合以制備復(fù)合材料(即FMTrGO-IL-1)，如圖5所示，與未改性石墨烯的復(fù)合材料相比，改性石墨烯和橡膠的相容性更好，交聯(lián)密度增加，且磨損系數(shù)和磨損率分別下降13.1%和59.8%. 這是由于離子液體在石墨烯表面提供了界面結(jié)合性能良好的自潤滑層，從而降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù).

Fig. 5 Schematic diagram of tribological improvement mechanism of ionic liquid modified graphene/flurane rubber composites[43]圖5 離子液體(IL)改性的石墨烯/氟醚橡膠復(fù)合材料摩擦學(xué)性能改善機(jī)理示意圖[43]

氧化石墨烯(GO)[44]是石墨烯的氧化物，其表面含有豐富的含氧基團(tuán)，產(chǎn)生大量褶皺，易于吸附和堆疊，填充體積分?jǐn)?shù)很小時就能夠形成完善的填料網(wǎng)絡(luò)，且和橡膠分子鏈之間有強(qiáng)界面作用，具有優(yōu)異的減摩效果. 加入氧化石墨烯后，不僅能夠降低摩擦系數(shù)，而且橡膠的磨耗表面變得光滑，磨耗紋變窄，耐磨耗性能提高. 張濤等[45]將氧化石墨烯作為分散相加入丁腈橡膠(NBR)基體中，制備GO/NBR復(fù)合材料，與純NBR相比，GO/NBR復(fù)合材料耐磨性得到提高，且在GO添加量為2.0 g時，復(fù)合材料的耐磨性能最優(yōu).

2. 二硫化鉬

二硫化鉬(MoS2)作為1種應(yīng)用廣泛的固體潤滑劑，具有優(yōu)異的潤滑性能，與橡膠復(fù)合后在橡膠表面形成潤滑層，可以改善橡膠材料的摩擦性能. 王軍等[46]以橡塑復(fù)合材料為基體，并將納米和普通二硫化鉬添加到基體材料中制備水潤滑橡膠復(fù)合軸承材料，研究結(jié)果表明，該復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨著MoS2含量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且都低于普通復(fù)合材料.劉中強(qiáng)等[47]通過分子動力學(xué)模擬證明了MoS2可有效提高NBR復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能. 改性后的MoS2在與橡膠復(fù)合后具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能. Liang等[48]使用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、硅烷偶聯(lián)劑 KH570以及聚乙二醇分別改性MoS2. 將改性后的MoS2與NBR機(jī)械共混制備復(fù)合材料并分別探究其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，CTBA改性的MoS2與NBR共混制備的復(fù)合材料具有最佳耐磨性能，其中在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的CTBA改性的MoS2后，復(fù)合材料較未改性時摩擦系數(shù)降低了50 %.

2.1.2 有機(jī)樹脂改性

在橡膠中加入樹脂使材料表現(xiàn)出雙重特性，借此可實現(xiàn)橡膠材料的抗磨減摩[49]. 在摩擦熱的作用下，樹脂可以在界面處形成具有減摩作用的轉(zhuǎn)移膜，同時，樹脂與基體結(jié)合可增加接觸面積，從而實現(xiàn)復(fù)合材料較低的摩擦系數(shù). 例如， PF具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐熱性能，且價格低廉，但其脆性較大. 在高溫?zé)崽幚黼A段與柔性橡膠發(fā)生接枝反應(yīng)，增強(qiáng)了整體材料的連續(xù)性. 李慧亮等[50]研究了PF/NBR復(fù)合材料在不同溫度下的摩擦學(xué)性能. 研究結(jié)果表明，加入PF后試樣在較高溫度下仍能保持較好的摩擦性能. 陳晨等[51]制備了丁腈橡膠與PF共混的雙基體材料，并研究了丁腈橡膠含量對雙基體材料的摩擦與磨損性能的影響. 研究結(jié)果表明，隨著橡膠含量的增加，雙基體材料的摩擦系數(shù)先增大后降低，在丁腈橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，材料的摩擦系數(shù)最大，對偶材料的磨損最小.

采用可原位交聯(lián)的固體聚氨酯(PU)制備橡膠/PU共混物也可有效提高橡膠的耐磨性. Karger-Kocsis等[52]研究了HNBR和原位產(chǎn)生的聚氨酯組成共混物的機(jī)械性能與摩擦性能. 研究結(jié)果表明，隨著PU含量的增加，共混物的比磨損率降低，這是由于PU的加入使磨損軌跡出現(xiàn)Schallamach波紋，如圖6所示；在滾動摩擦中摩擦系數(shù)不受PU含量的影響，但比磨損率隨著PU含量的增加而降低.

Fig. 6 (a) Schallamach-type waves triggered by surface cracks; (b) surface cracking; (c) crater-like; (d) schematic diagram of schallamach wavy surface structure[52]圖6 (a)表面裂紋引發(fā)的Schallamach型波；(b)表面裂紋；(c)形成的隕石坑狀；(d) Schallamach型波表面結(jié)構(gòu)的示意圖[52]

聚四氟乙烯(PTFE)又被稱為 “塑料王” ，具有高強(qiáng)度、優(yōu)異密封性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高耐磨性、低摩擦系數(shù)以及高溫下易伸展等優(yōu)點[53]. 胡曉陽等[54]通過聚四氟乙烯微粉與氟橡膠復(fù)合對其進(jìn)行改性，并研究了PTFE對氟橡膠摩擦的影響. 研究結(jié)果表明，隨著PTFE含量的增加，體積磨損率和摩擦系數(shù)均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢. 其中質(zhì)量含量為5%的PTFE改性氟橡膠具有最佳的耐磨性，質(zhì)量含量為10%的PTFE改性氟橡膠摩擦系數(shù)最小. Qi等[55]以氟硅橡膠為相容劑，通過機(jī)械共混的方法在硅橡膠中加入PTFE以改善硅橡膠的高溫摩擦性能. 研究結(jié)果表明，復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫耐磨性，隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)基本不受影響，磨損量降低，這是由于高溫下橡膠的磨損方式由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp. Khan等[56]研究了填充有PTFE微粉的EPDM的物理和摩擦性能，其中PTFE微粉是通過將高分子量的PTFE輻照降解為低分子量微粉得到的. 研究結(jié)果表明，團(tuán)聚體形態(tài)、分散性以及與EPDM的界面相互作用是影響其物理和摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素. 微粉填充的EPDM的比磨損率顯著降低，其摩擦磨損行為主要以塑性變形和能量耗散為主，這2種現(xiàn)象都在減少PTFE微粉填充EPDM的摩擦和磨損方面發(fā)揮了重要作用.

2.2 表面處理

表面處理方法包括表面改性以及表面涂層法. 表面改性[57]是利用橡膠基體特殊官能團(tuán)的反應(yīng)性，對橡膠表面進(jìn)行化學(xué)改性，通過改變橡膠表面結(jié)構(gòu)形態(tài)和基團(tuán)特性增加表面致密性、硬度、光潔度以及抗腐蝕性能，進(jìn)而達(dá)到減摩抗磨的目的. 表面涂層法是通過在橡膠表面沉積或涂覆潤滑涂層，通過形成轉(zhuǎn)移膜、提升表面的平整度和硬度等方法從而獲得顯著的減摩抗磨效果.

2.2.1 表面改性

表面改性方法主要包括表面氟化、氯化、溴化、碘化和磺化等方式，通常采用溶液浸漬以及等離子體處理實現(xiàn)改性. Han等[58]采用碘化鉀溶液對NBR表面進(jìn)行碘化改性，并探究了碘化鉀溶液濃度以及浸泡時間對改性后樣品摩擦性能的影響. 結(jié)果表明，隨著碘化鉀溶液濃度的增加和浸泡時間的延長，丁腈橡膠表面碘化程度加深，其表面致密光滑，有利于提高NBR的抗磨損性和抗油性，其中在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%碘化鉀溶液中浸泡4天的樣品摩擦系數(shù)降低為原始樣品的2/5.秘彤等[59]以四氟化碳為反應(yīng)氣體對丁腈橡膠試樣表面進(jìn)行了等離子體氟化改性，橡膠表面氟化處理沉積了含氟物質(zhì)后摩擦系數(shù)明顯降低，氟化處理功率對試樣表面潤滑性能具有顯著影響，其中功率為140 W時，氟化處理減摩效果最優(yōu).

2.2.2 涂層

涂層可在不改變橡膠材質(zhì)的情況下，避免其與摩擦副的直接接觸，將摩擦界面轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉优c摩擦副的接觸，從而降低磨損，減小摩擦系數(shù). 涂層可以在不改變基材整體性能的前提下，調(diào)整基材的表面形態(tài)、磨損性能、附著力和疲勞強(qiáng)度. 目前，常用的涂層材料有無機(jī)潤滑薄膜、有機(jī)潤滑薄膜及涂層以及固液復(fù)合類等.

2.2.2.1 無機(jī)潤滑薄膜

類金剛石(DLC)膜具有較高的硬度、結(jié)構(gòu)可控性及低摩擦和抗磨損性能，因此被廣泛用作潤滑防護(hù)材料. 由于DLC膜具有脆硬的特性，沉積在橡膠表面的黏附力弱，易形成裂紋，基底與DLC膜之間存在模量不匹配的問題，因此需要在橡膠表面進(jìn)行等離子體預(yù)處理[60]. 等離子體預(yù)處理可以去除表面低分子量物質(zhì)，從而獲得清潔表面，改變橡膠表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)和形態(tài)，進(jìn)而提高柔性橡膠與剛性DLC膜的黏附. Bai等[61]分別用Ar、O2、N2和H2等離子體預(yù)處理橡膠表面并使DLC膜與橡膠表面具有良好的附著力. 摩擦試驗結(jié)果表明，Ar等離子體處理后，橡膠沉積DLC薄膜具有良好的減摩效果，DLC/橡膠的摩擦系數(shù)低且穩(wěn)定為0.19，并具有優(yōu)異的耐磨性，如圖7所示.

Fig. 7 SEM micrographs of DLC/rubber with different plasma pretreatments: (a) Ar-O2, (b) Ar-H2, (c) Ar-N2 and (d) Ar-Ar[top: lower magnification (scale bar: 500 μm); bottom: higher magnification (scale bar: 5 μm][61]圖7 等離子體處理的DLC/橡膠的微觀結(jié)構(gòu)形貌的SEM照片：(a)Ar-O2；(b)Ar-H2；(c)Ar-N2；(d) Ar-Ar (上排為低倍率圖；下排位高倍率圖)[61]

Donnet等[62]認(rèn)為，含氫DLC膜在惰性氣體環(huán)境中具有非常低的摩擦系數(shù). 在碳網(wǎng)絡(luò)中引入氫鍵可以鈍化表面，使σ鍵以共價鍵或自由鍵的形式存在，DLC在真空或惰性環(huán)境下的干滑動摩擦系數(shù)低至0.001~0.01，Ji等[63]通過脈沖輔助和直流輔助等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了2種不同結(jié)構(gòu)的DLC薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，紫外輻照可改變碳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，改善摩擦和磨損行為.此外，DLC膜與橡膠具有良好的化學(xué)相容性，其沉積溫度也可調(diào)至低于橡膠的沉積上限溫度，這使得在橡膠表面沉積DLC膜成為1個可行的選擇. Lubwama等[64]比較了沉積在丁腈橡膠表面的DLC和Si-DLC薄膜的摩擦行為，研究發(fā)現(xiàn)Si-C夾層的附著力增強(qiáng)，使Si-DLC薄膜具有更高的柔韌性，在濕滑動條件下，Si-DLC膜的摩擦系數(shù)更低.

2.2.2.2 有機(jī)薄膜及涂層

將聚四氟乙烯(PTFE)薄膜包覆于橡膠密封表面，可使密封件既具有橡膠的彈性又具有PTFE的耐高溫和耐磨性[65]. 但由于C-F鍵能高，F(xiàn)原子緊密地分布在C-C主鏈表面，PTFE具有化學(xué)惰性、低表面能以及弱邊界層(Weak boundary layer, WBL)，其難與橡膠表面形成有效結(jié)合，因此不僅要在PTFE表面生成含氧自由基和官能團(tuán)，而且要去除并恢復(fù)PTFE表面的WBL以改善其附著力. 化學(xué)腐蝕法是使用腐蝕性溶液，如鈉-萘和鈉-鉻絡(luò)合物溶液處理PTFE薄膜，處理后聚四氟乙烯的附著力明顯提高. 此外，等離子體轟擊PTFE薄膜表面也可改變表面的黏結(jié)性，這是通過活性粒子轟擊使薄膜表面產(chǎn)生多種自由基，提高表面自由能來實現(xiàn)的[66]. Liu等[67]通過電子束分散法在硅和丙烯腈-丁二烯橡膠基材上制備了PTFE涂層，并研究了基材性質(zhì)、涂層厚度以及基材與靶材的距離等對涂層表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能的影響. 研究結(jié)果表明，PTFE涂層的表面能隨著涂層厚度增加先降低后又緩慢增加. 摩擦區(qū)域涂層的破壞面積隨著涂層厚度的增加而減小，涂層厚度為1 μm時，聚四氟乙烯涂層在改性橡膠摩擦過程中具有最低的摩擦系數(shù)，涂層厚度超過1 μm時，摩擦系數(shù)增加，表面出現(xiàn)更深的裂痕.

方勝陽等[68]選擇了可與橡膠基體界面黏合的成膜性樹脂，并將其與水性聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)配從而自制水性PTFE改性自潤滑材料，隨后將水性PTFE改性自潤滑涂料滾噴到O形圈表面. 試驗結(jié)果表明，噴涂后的O形圈表面摩擦系數(shù)降低，平均摩擦系數(shù)值為0.252.

Zhou等[69]報道了1種親水性聚(甲基丙烯酸羥乙酯)(PHEMA)涂層，可以輕松地涂覆在PDMS表面，并通過調(diào)節(jié)甘油濃度調(diào)節(jié)摩擦性能. 隨著甘油濃度的增加，涂層表面逐漸變得光滑，表面粗糙度降低后趨于穩(wěn)定.與未涂層的橡膠相比，G40 (G代表甘油，數(shù)字代表甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù))涂層的摩擦系數(shù)降低了98%，如圖8所示.此外，該涂層具有優(yōu)異的親水性能，接觸角低至9.39°，涂層與基材之間結(jié)合緊密，表現(xiàn)出良好的減摩性能.

Fig. 8 Frictional properties of the PHEMA coating: (a) variation in friction coefficient of PDMS and the PHEMA coating with different concentrations of glycerol in pure water and simulation blood; (b) variation in friction coefficient with load on the 40%glycerol-containing coating; (c) schematic illustration of the lubrication mechanism about the hydrophilic coating[69]圖8 PHEMA涂層的摩擦性能：(a)在純水和模擬液體中具有不同濃度甘油的PDMS和PHEMA涂層的摩擦系數(shù)變化；(b)在含40%甘油的涂層上，摩擦系數(shù)隨負(fù)載的變化；(c)親水涂層的潤滑機(jī)理示意圖[69]

PDMS表面水凝膠涂層可有效提高其親水性和潤滑性. 通過二苯甲酮(BP)處理硅橡膠可將水凝膠與硅橡膠基材之間組裝成結(jié)合極強(qiáng)的界面，但水凝膠涂層存在厚度難以控制及表面粗糙度高等特點. 馮海燕等[70]通過在PDMS表/亞表面填埋引發(fā)劑二苯甲酮，并通過表面光引發(fā)聚合的方式使表面生長具有潤滑功能的水凝膠-聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)[P(AA-co-Aam)]，并表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，如圖9所示.

Fig. 9 Schematic illustration of hydrogel-lubricated silicone rubber preparation procedures[70]圖9 可黏附水凝膠潤滑硅橡膠的原位生長示意圖[70]

受關(guān)節(jié)軟骨組織的啟發(fā)，Huang等[71]設(shè)計了1種水凝膠-PDMS混合表面，通過光引發(fā)劑BP在紫外光下引發(fā)原位聚合反應(yīng)，得到穩(wěn)定且潤滑性能優(yōu)異的水凝膠彈性體雜化表面，如圖10所示，其中水凝膠作為過渡和黏合區(qū)滲透到聚合物彈性體基底中. 該表面在高負(fù)載(＞100 kPa的接觸壓力)條件下具有非常低的摩擦系數(shù)(~0.05)，且在10.9 MPa下經(jīng)過100 000次以上循環(huán)仍能保持潤滑特性以及輕微磨損.

Fig. 10 Schematic illustrating the formation procedures of the hydrogel-elastomer hybrid surface[71]圖10 水凝膠-彈性體混合表面形成過程的示意圖[71]

2.2.3 固液復(fù)合

固液復(fù)合涂層材料以固體為主體(連續(xù)相)材料，液體為客體(分散相)材料，其同時兼具固體和液體的屬性，并具有單一組分無法實現(xiàn)的性能[72]. Zhao等[73]模仿蚯蚓開發(fā)了1種液體可釋放聚合物涂層，潤滑劑以離散液滴的形式存在于由脲和聚二甲基硅氧烷共聚物(UPDMS)制成的聚合物中，在表面硅油潤滑劑損耗后自動放出硅油. 在此基礎(chǔ)上，研究人員通過呼吸圖(Breath figure)的方法在其表面制備了具有一定尺寸的微觀結(jié)構(gòu). 由于UPDMS超分子聚合物凝膠是通過動態(tài)可逆氫鍵交聯(lián)而成的，在固體摩擦等外部條件下可通過紋理結(jié)構(gòu)快速在特定部位釋放出潤滑油形成潤滑層，降低摩擦系數(shù)并增強(qiáng)耐磨性. 表面紋理結(jié)構(gòu)的引入可降低動摩擦系數(shù)值，這是由于形成了固體潤滑層，表面之間的接觸較少導(dǎo)致的. 而當(dāng)粗糙表面用硅油溶脹時，界面間形成了薄的液體夾層，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，且經(jīng)過循環(huán)測試仍能保持良好的耐磨性，如圖11所示.

實驗采用CuNi2Si材料,其具體化學(xué)成分如表1所示。本文實驗采用兩種熱處理工藝，一種是含有預(yù)冷變形處理的熱處理工藝，具體熱處理工藝為：850℃固溶處理+預(yù)冷變形處理+時效處理400℃保溫2h，室溫空冷，該材料加工的試樣稱為預(yù)冷變形試樣，簡稱PCW(Pre-cold worked)試樣；另一種是不含預(yù)冷變形的熱處理工藝，具體熱處理工藝為： 850℃固溶處理+時效處理400℃保溫2h，室溫空冷，該材料加工的試樣稱為非預(yù)冷變形試樣，簡稱Un-PCW試樣。

Fig. 11 (a) Schematic representation of membrane synthesis strategies and stimulus response release; (b) top view of gel films formed at different time; (c) oil release behavior of freshly washed samples under local pressure (the thickness of the films in (b) and (c) is about 400 μm)[73]圖11 (a)薄膜合成策略和刺激響應(yīng)釋放的示意圖；(b)不同時間段形成凝膠膜的俯視圖；(c)局部施壓的情況下樣品的油釋放行為[(b)和(c)中的膜的厚度約為400 μm][73]

2.3 表面織構(gòu)化

表面織構(gòu)化(Surface texture)[74]是指在橡膠表面加工制備具有一定尺寸以及分布的圖案陣列，獲得摩擦學(xué)性能良好的表面，延長橡膠的使用壽命. 表面織構(gòu)的構(gòu)建源于自然界中使生物呈現(xiàn)出優(yōu)異自潤滑性能的非光滑表面的微納米結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)使生物呈現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑性能[75-76]. 表面織構(gòu)的類型繁多，主要有凸體、凹坑、凹槽及各類混合形貌[77]，其中凹坑和凹槽為目前主要研究類型. 凹槽結(jié)構(gòu)對油膜具有形成、補(bǔ)充、穩(wěn)定以及磨屑存儲作用. 表面織構(gòu)的形式一般為圓形、三角形或方形. 這些表面織構(gòu)可以改變接觸壓力分布，并可以存儲潤滑介質(zhì)或磨粒，進(jìn)而改善潤滑性能. Yang等[78]研究了有/無表面微織構(gòu)對水潤滑橡膠軸承摩擦性能的影響，研究結(jié)果表明微織構(gòu)的存在能夠改善摩擦表面的潤滑性能，進(jìn)而降低摩擦系數(shù)，抑制高頻摩擦振動. Kasem等[79]將聚乙烯基硅氧烷(PVS)橡膠澆鑄到預(yù)制模型，通過3D打印制備不同紋理結(jié)構(gòu)的樣品，并研究了橡膠柱塞表面織構(gòu)對醫(yī)用注射器摩擦阻力的影響. 摩擦測試結(jié)果表明，采用不同液體(包括水、甘油和酒精)以及不同的速度(2.5、5和10 mm/s)時，帶紋理的柱塞的摩擦阻力都會顯著降低，且較小的紋理能產(chǎn)生較小的阻力.

Nosaka等[80]在硫化橡膠表面制備了1種具有各向異性的溝壑微結(jié)構(gòu)用以改善其表面的摩擦學(xué)性能，如圖12所示. 研究發(fā)現(xiàn)，由于溝壑結(jié)構(gòu)使刮頭和硫化橡膠表面的接觸面積減小，具有該結(jié)構(gòu)的硫化橡膠摩擦系數(shù)小于平整表面硫化橡膠的摩擦系數(shù). 在不同法向載荷下，垂直于溝壑方向滑動具有最低的摩擦系數(shù)和摩擦力. 硫化橡膠的黏彈性特性致使刮頭在溝壑微結(jié)構(gòu)上滑動時出現(xiàn)滯后摩擦現(xiàn)象. 當(dāng)壓頭置于彈性表面時，表面受壓成凹形形狀，在摩擦過程中，凹面前段受擠壓不斷發(fā)生變形，而凹面后部逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)，彈性體內(nèi)部產(chǎn)生黏性損失. 在平行于溝壑方向滑動時，受溝壑的影響經(jīng)常發(fā)生滯后摩擦；垂直于溝壑方向滑動時，溝壑與凸起間存在的間隙阻礙滯后摩擦的發(fā)生，導(dǎo)致垂直于溝壑方向滑動摩擦性能較好. 其表面結(jié)構(gòu)變形改變其接觸面積以及滯后摩擦的狀態(tài)，可以降低摩擦力和摩擦系數(shù)，從而改善其表面摩擦性能.

Fig. 12 Mechanism of the effect of each anisotropy of the microstructure of vulcanized rubber on the friction of rubber[80]圖12 硫化橡膠微觀結(jié)構(gòu)的各項異性對橡膠摩擦力影響的機(jī)理圖[80]

3 應(yīng)用

橡膠材料廣泛用于國防、汽車、航空航天、電子電氣和石油化工等領(lǐng)域，起到減震、緩沖和密封等作用. 其中具有減摩抗磨特性的橡膠主要用于以下幾類關(guān)鍵部件：

(1) 橡膠密封件在航空航天、汽車工業(yè)、建筑和輕工等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，一直默默支撐著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展. 其中，我國的航天飛行器密封技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但國民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中，橡膠密封技術(shù)還仍然處于令人尷尬的落后局面，依然大量依賴于進(jìn)口[81,5].常見的橡膠密封圈主要有O型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈以及孔用XY型密封圈等，可有效降低機(jī)器因泄露造成的能耗損失，提高機(jī)器效率，節(jié)省能源. 而摩擦磨損性能直接影響著密封件的使用性能與密封效果，提高橡膠密封件的抗磨損性可有效提高其密封效果防止泄露，提高密封件的使用壽命.

(2) 水潤滑橡膠軸承具有無污染、吸振以及對沖擊不敏感等優(yōu)點被廣泛用于水泵和發(fā)電廠等動力推進(jìn)軸系中. 水潤滑橡膠軸承[82-83]在用水潤滑后摩擦系數(shù)大大降低，但長期在水中工作，易受水中雜質(zhì)和細(xì)砂等顆粒影響造成磨損，提高其抗磨損性能可有效提高機(jī)器的使用壽命.

(3) 汽車輪胎是橡膠應(yīng)用中十分常見的例子. 法國的米其林輪胎具有極高的靜音舒適性，日本的普利司通輪胎是高端品牌中耐磨性最好以及濕地安全性能最好的，美國的Goodyear輪胎具有優(yōu)異的抓地性能，并且極其堅固耐磨. 橡膠輪胎在行駛過程中的安全性能、耐磨性能、抗?jié)窕阅芤约爸苿有阅苁窍鹉z輪胎性能的重要指標(biāo)，提高橡膠輪胎的耐磨損性能可提高汽車的安全性能和行駛體驗.

4 研究展望

橡膠高分子摩擦學(xué)研究已形成了較完善的理論體系和理論框架，在減摩抗磨方法研究方面，研究人員通過無機(jī)填料改性、有機(jī)樹脂共混改性和表面處理等方法改善橡膠基體的摩擦學(xué)性能并達(dá)到減摩抗磨的效果. 然而，其潤滑性能有待進(jìn)一步提升，另外復(fù)雜服役工況下的摩擦磨損機(jī)制認(rèn)識仍然不足，需從界面分子相互作用、微觀真實接觸行為以及服役環(huán)境等方面深刻揭示橡膠失效機(jī)制.

因此建議未來可以聚焦以下2個方向的研究：

a. 仿生潤滑改性方法的研究. 近年來，仿生學(xué)的迅速發(fā)展也為橡膠摩擦學(xué)的發(fā)展指出了新方向，如蚯蚓的爬行無損傷及防泥污染的潤滑特性、骨組織的形態(tài)和密度隨著生物力學(xué)環(huán)境的改變而改變的重塑現(xiàn)象[84]等都為橡膠減摩抗磨方法提出革新性研究范式.基于此，減摩抗磨性能優(yōu)異的仿生潤滑改性方法值得進(jìn)一步深入研究.

b. 復(fù)雜服役工況下橡膠潤滑材料的研究. 高端裝備的快速發(fā)展對橡膠的服役性能提出了更高的要求，一些減摩抗磨橡膠材料已無法滿足應(yīng)用要求，為了拓寬橡膠的應(yīng)用范圍，需對其進(jìn)行功能集成. 在特殊工況下，如高低溫、壓力以及介質(zhì)等因素耦合作用下，開發(fā)一些綜合性能優(yōu)異的潤滑改性方法與技術(shù)，提升對橡膠減摩抗磨材料的相關(guān)設(shè)計理論、制備方法及潤滑機(jī)制的認(rèn)識，提升其環(huán)境適應(yīng)性并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍.