基于磨耗表面形貌表征的橡胶高温磨耗特性研究

发布时间：2020-11-01 13:19

　　 橡胶高分子材料作为一种重要的工业用原料,由于其独特的性能,已在许多领域得到了普遍的应用。磨耗性能作为评价橡胶性能的一个重要的指标,受到摩擦学系统中诸多因素的影响,也吸引了众多学者的深入研究。而轮胎或橡胶零部件在实际应用过程中,由于受到周期性应力的影响会产生大量的滞后生热,由此而带来温度的提升。由于橡胶高分子材料独特的热物理性质,橡胶高温磨耗特性及磨耗机理研究也就尤为重要。本文通过搭建高温磨耗实验平台来模拟轮胎及橡胶零部件在使用过程中的滞后生热。利用LEXT OLS4100 3D测量显微镜(LSCM)和Hitachi SU 8010电子扫描显微镜(SEM)实现橡胶磨损表面形貌图像及轮廓、粗糙度特征参数的获取。利用参数统计方法得到粗糙度特征参数的统计分布规律,通过多元回归分析的方法构建磨耗性能和表面粗糙度特征参数的回归模型。应用分形理论及傅里叶红外光谱对高温磨损表面微观形貌和力化学反应进行了表征。基于多种磨耗表面形貌表征方法,对橡胶高温磨耗特性进行了研究。本文研究内容主要体现在以下几个方面:(1)基于3D测量显微镜和扫描电子显微镜观测不同测试条件下的磨耗表面并提取磨损表面粗糙度特征参数,得到实验测试条件(角度、负荷和温度)对磨损表面形貌结构及表面轮廓特征的影响;对粗糙度参数进行统计分析,得到不同实验测试条件下粗糙度参数的统计分布;基于大型数据处理SPSS软件,通过多元回归分析的方法构建磨耗性能和表面粗糙度特征参数的回归模型。(2)基于分形理论中的盒维数计算法,编写多重分形的MATLAB计算程序,并对黑白二值化后的磨损表面形貌图片进行多重分形计算,得到了不同温度和角度下的多重分形谱曲线和相关参数值。(3)利用基于Akron磨耗试验机改进的高温磨耗实验平台测量不同测试条件(温度、角度、负荷和里程)下的橡胶磨耗率,得到了橡胶磨耗性能对实验测试条件的依赖性。(4)基于全数字化FT-IR VERTEX 70,对比80℃磨耗后的红外光谱和对照组(磨损前)的红外光谱,通过定性分析和定量计算可以发现:经过80℃下的高温磨耗实验后,磨损表面主要发生了分子键断裂和氧化降解两种表面力化学反应。(5)从橡胶磨耗表面微观形貌及轮廓、粗糙度特征参数等方面对橡胶磨损微观形貌进行表达,运用分形理论中多重分型谱、傅里叶红外光谱等手段对磨损表面进行表征和分析。综上所述,本文综合运用了多种手段和方法对橡胶磨耗性能与实验测试条件的依赖性及橡胶磨耗性能和机理等方面进行了较为深入的研究。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ330.1
【部分图文】：

图 1-1 技术路线Fig.1-1 Roadmap图 1-1 为本文技术路线图。结合技术路线图，本文研究内容具体可分为以下几个方面：（1） 根据 GB/T 1689-2014，基于改进的高温磨耗试验机进行不同测试条件（里程、角度、负荷和温度）下的高温磨耗实验。建立橡胶磨耗性能与测试条件之间的联系，为后续研究的进行提供实验基础。（2） 通过多种实验手段（3D 测量激光显微镜、SEM）对磨损表面的形貌和结构特征进行微观表征，获得磨损表面形貌图像、表面形貌轮廓参数（波长、波高等）及表面粗糙度特征参数等。建立试验测试条件与微观形貌之间的联系。（3） 运用分形理论、多元线性回归、参数统计等方法对磨损表面图像及粗糙度特征参数进行分析与处理，深度揭示实验测试条件对磨损表面形貌结构特征的影响，建立磨耗性能与粗糙度特征参数之间的多元线性耦合关系。（4） 运用红外光谱对高温磨损表面进行定性定量分析，对高温磨损表面

得到更精确的试验结果，本文采用第二种加热方式。并通过漏沙装置来减少高温胶屑粘附，同时在实验过程中加强磨耗表面的清扫以带走胶屑。通过胶轮中的内置电阻丝来加热，以模拟轮胎在滚动过程中因周期性应力而产生的滞后损失生热。用热电偶来实时监测温度，实现了高温条件下不同角度与压力的磨耗实验，更加真实地模拟轮胎在实际路面滚动的过程。待测胶条与凹槽中布满电阻丝的胶轮被中垫胶合在一起制成待测胶样。电阻丝通过导线经过滑环（防止导线随胶轮的转动而缠绕）与变压器相连接，实现对胶样的加热升温。胶样靠近转动表面的位置插有热电偶与温控仪表相连，胶轮的温度就实时显示在温控仪表上，如此就可以通过变压器调节电流来控制胶轮的温度。负荷为胶样胶面所受砂轮压力的大小，是通过磨耗机平衡尺上的刻度来调节的。角度指胶轮与砂轮之间的夹角，通过手动旋柄控制。当轮胎在路面上行驶滚动时，轮胎胎肩部位温度可达到 70~80℃，在该温度下橡胶材料软化，胶屑会由于粘性而粘结在胶轮上，所以设置如图 2-1 所示的沙漏装置，一方面是为了带走胶屑，另一方面则是为了模拟真实路况。

图 2-2 LEXT OLS4100 型 3D 测量显微镜光路图Fig.2-2 Optical Path Map of LEXT OLS4100 3D Measuring MicroscopeOLS4100 型3D 测量显微镜相比于其它表面测量工具具有诸LEXT OLS 4100 可以实现非接触式无损测量。由于传感器接触式和非接触式之分。触针式主要通过细针经过表面的起受到针头形状和直径的限制，触针式有很大的局限性，并不真实形貌；而且，触针在使用过程中很容易对表面产生损伤测量显微如 LEXT OLS4100，不会受到触针的限制，也不会可以实现无前期准备的无损测量。OLS 4100 在 XY 平面达到了 0.12 μm 的亚微米级的分辨率。于光子和波长的光学显微镜，激光扫描显微镜（LSM）采用了导体激光，且配备有 OLYMPUS 特有的扫描型 2D 扫描仪，和 Galvano 振镜分别负责 X 方向和 Y 方向。如图 2-2 所示的仪的轴和物镜、瞳镜处在共轭位置这一理想光学布局，实现 扫描的同时，实现了高达 4096×4096 像素的高分辨率。
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本文编号：2865589