微凸起阵列对PDMS表面摩擦特性的影响研究

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橡胶是国民经济和人们日常生活中不可或缺的原材料,橡胶材料在摩擦元件上的应用始终保持不断增长的趋势。因此,研究橡胶材料的摩擦学性能具有非常重要的意义。表面织构技术和氧等离子体表面改性技术已经被证明是改善摩擦副摩擦学性能的有效手段,然而对于橡胶这种软质材料,关于表面织构的研究较少。本文采用光刻—复模技术以及氧等离子体表面改性技术制作出具有微凸起阵列的疏水性PDMS(聚二甲基硅氧烷)试样和亲水性PDMS试样,加工的试样图形精确,表面平整,并能稳定控制PDMS表面的润湿性。本研究利用销—盘式摩擦磨损试验机,研究了不同润滑状态下,微凸起阵列的织构参数对不同润湿性PDMS表面摩擦学性能的影响规律,并探讨了微凸起阵列的润滑机理。本研究得到的主要结论有:1.干摩擦条件下,PDMS表面的摩擦主要来自于粘着、变形和弹性粘滞,高面积密度、小直径的微凸起阵列降低了粘合的影响,且形变阻力较小,减摩效果较好。直径d为50μm、面积密度r为40.1%的微凸起阵列在滑行速度v为200mm/s时具有最大的减摩率,达48.26%。2.水润滑条件下,对于疏水性PDMS表面,当滑行速度较低时,摩擦副处于边界润滑状态,微凸起的高度h越高,微凸起阵列的贮水能力越强,微凸起下面的润滑剂受到挤压,为摩擦副的接触区域提供补给,从而有效降低了摩擦因数。直径d为100μm、高度h为11μm、面积密度r为2.6%的微凸起阵列在滑行速度v为40mm/s时具有最大的减摩率,达57.46%。当滑行速度较高时,摩擦副处于混合润滑状态,可能是由于微凸起阵列破坏了摩擦副表面形成的润滑膜的连续性,微凸起阵列表现出增摩的效果。直径d为200μm、高度h为5μm、面积密度r为29.9%的微凸起阵列在滑行速度v为200mm/s时具有最大的增摩率,达889.44%。3.甲基硅油润滑条件下,对于疏水性PDMS表面,当滑行速度较低时,摩擦副处于混合润滑状态,微凸起阵列具有明显的增摩效果。直径d为50μm、面积密度r为40.1%的微凸起阵列在滑行速度v为3mm/s时具有最大的增摩率,达374.5%。当滑行速度较高时,摩擦副处于流体动压润滑状态,摩擦因数主要受润滑剂粘度的影响,微凸起阵列的作用并不明显。4.水润滑条件下,对于亲水性PDMS表面,可能是由于亲水性的PDMS表面存在着一层连续的水膜,减小了粘着的影响,无织构试样的摩擦因数较低。而微凸起阵列的存在破坏了水膜,从而表现出增摩的效果。直径d为200μm,面积密度r为40.1%的微凸起阵列在滑行速度v为16mm/s时具有最大的增摩率,达1499.1%。
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