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。











