季美琴，張曉蓮，張 煥，孫宗學(xué)，張興東，蔡 慶

（1.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143；2.海洋化工研究院有限公司，山東 青島 266071）

氟橡膠是一種性能優(yōu)異的合成高分子彈性體，其主鏈或側(cè)鏈的碳原子上連接有氟原子。氟原子的存在，賦予了氟橡膠優(yōu)異的耐熱性能、抗氧化性能、耐油性能和耐腐蝕性能等，使得氟橡膠在航空航天、機(jī)械、石油、汽車和軍事等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)尤其是高技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的重要材料[1-5]。氟橡膠制品可在高溫、高壓以及油類和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)存在的苛刻環(huán)境中使用。氟橡膠密封制品的耐磨性能直接影響其使用壽命，如氟橡膠浮動油封O形密封圈在實(shí)際運(yùn)行過程中與金屬環(huán)間易發(fā)生干摩擦或進(jìn)入砂粒，加速橡膠磨損，造成密封失效，發(fā)生漏油現(xiàn)象，影響設(shè)備的工作效率[6]；大型盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動軸氟橡膠密封圈在主驅(qū)動軸高速轉(zhuǎn)動時(shí)，其一方面要承受轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的熱量和摩擦轉(zhuǎn)矩，另一方面工作環(huán)境中沙土、石子、水、油等也會加速橡膠磨損，導(dǎo)致密封失效，從而降低設(shè)備生產(chǎn)效率。因此氟橡膠密封制品對使用環(huán)境適應(yīng)性良好才能保證密封可靠性和安全性。

本文從橡膠摩擦力、摩擦因數(shù)和磨耗量的基本概念入手，并依據(jù)氟橡膠分子結(jié)構(gòu)，包括分子鏈柔順性、相對分子質(zhì)量及其分布，概述影響氟橡膠摩擦性能的因素；同時(shí)，通過分析氟橡膠在不同工況下摩擦性能的研究進(jìn)展，提出未來改善氟橡膠耐磨性能的研究思路和方向。

1 橡膠摩擦性能的基本概念

1.1 摩擦力

橡膠制品在運(yùn)動過程中與接觸面會產(chǎn)生摩擦作用，包括粘附摩擦作用和滯后（粘彈）摩擦作用。滯后摩擦是指粗糙接觸面導(dǎo)致橡膠發(fā)生應(yīng)變，橡膠內(nèi)部分子鏈在應(yīng)力-應(yīng)變作用下發(fā)生的能量損耗。橡膠在摩擦過程中所受的摩擦力（F）可表示為[7]

式中，F(xiàn)a為粘附摩擦力，F(xiàn)h為滯后摩擦力。

1.2 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)可分為動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)，其與接觸面積和滑動速度無關(guān)，通常動摩擦因數(shù)略小于靜摩擦因數(shù)。根據(jù)阿蒙頓-庫侖定律，可以得出摩擦因數(shù)（μ）為[7]

式中，F(xiàn)W為摩擦表面所受正壓力。

系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)動時(shí)所受摩擦力與正壓力的比值為動摩擦因數(shù)；系統(tǒng)從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)時(shí)所需摩擦力與正壓力的比值為靜摩擦因數(shù)，也稱為最大靜摩擦因數(shù)。橡膠制品運(yùn)動時(shí)摩擦現(xiàn)象非常復(fù)雜，同時(shí)存在粘附摩擦和滯后摩擦。

1.3 磨耗

橡膠磨耗是指橡膠摩擦面上產(chǎn)生物質(zhì)損耗，從而使得橡膠（制品）質(zhì)量和尺寸發(fā)生變化，這是在摩擦過程中橡膠受到熱化學(xué)和電化學(xué)等化學(xué)作用以及摩擦力等機(jī)械作用而導(dǎo)致的。橡膠磨耗成因復(fù)雜，其磨耗形態(tài)可分為圖紋磨耗、起卷磨耗、粘附磨耗、降解磨耗、磨粒磨耗、油污磨耗及疲勞磨耗等類型。橡膠磨耗受諸多因素影響，不僅與摩擦磨損條件密切相關(guān)，而且與橡膠分子結(jié)構(gòu)、性能及形貌有著密切的關(guān)系，分子結(jié)構(gòu)及性能不同，磨耗機(jī)理就不相同，由此引起的磨耗相差很大[8]。當(dāng)橡膠交聯(lián)點(diǎn)較多即交聯(lián)密度較大時(shí)，模量較大，此時(shí)交聯(lián)鍵可以有效地分散橡膠分子鏈所受應(yīng)力，減少橡膠分子鏈因機(jī)械力引發(fā)的斷裂，因而耐磨性能較好；當(dāng)橡膠交聯(lián)密度較小時(shí)，模量較小，粘彈性參數(shù)較大，摩擦力較大，磨耗隨之較大，耐磨性能較差。不同交聯(lián)密度的橡膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示[9-10]。

圖1 不同交聯(lián)密度橡膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.1 Crosslinking structures of rubber with different crosslinking densities

此外，外部環(huán)境因素（包括摩擦面性質(zhì)、摩擦載荷、摩擦速度、環(huán)境溫度和摩擦環(huán)境等）對橡膠磨耗也有重要影響。

2 氟橡膠摩擦性能的影響因素

影響橡膠材料性能的最根本因素是橡膠分子鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈結(jié)構(gòu)不同，橡膠材料性能差異較大。按照分子主鏈結(jié)構(gòu)組成，氟橡膠可分為3種類型：目前最常用且產(chǎn)量最高的烯烴類氟橡膠、性能優(yōu)異的亞硝基類氟橡膠以及其他類型氟橡膠。烯烴類氟橡膠研發(fā)最早且應(yīng)用廣泛，其常用品種如氟橡膠23為偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物，氟橡膠26為偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物，氟橡膠246為偏氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物等。由于氟原子的引入，氟橡膠極性較強(qiáng)，共價(jià)半徑約為碳原子半徑的1/2，C—F鍵鍵能大于C—C鍵鍵能，導(dǎo)致分子鏈上的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)受到很強(qiáng)的阻力，柔順性變差。分子鏈柔順性好的橡膠具有較好的耐磨性能，因此氟原子越多的氟橡膠柔順性越差，耐磨性能越差。為了增強(qiáng)氟橡膠的柔順性，通常對其分子主鏈進(jìn)行改性，引入醚鍵。

玻璃化溫度（Tg）是高聚物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)為高彈態(tài)的溫度，是高聚物使用的下限溫度。橡膠分子鏈柔順性好，Tg低，耐磨性能好。氟橡膠的Tg隨氟含量的增大而提高，要降低氟橡膠的Tg，首先要使氟橡膠分子主鏈柔順性變好[11]。丁基橡膠和乙丙橡膠的Tg分別為－70和－60 ℃，而通用型氟橡膠由于分子結(jié)構(gòu)的影響，Tg都比較高，如氟橡膠26的Tg約為－17 ℃，氟橡膠23的Tg約為0 ℃，故氟橡膠不僅耐寒性能差，耐磨性能也有待提高。

相對分子質(zhì)量及其分布是橡膠的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，是表征橡膠性能的指數(shù)，橡膠的許多性能，如拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彈性和耐磨性能等均與相對分子質(zhì)量及其分布有關(guān)，有關(guān)氟橡膠相對分子質(zhì)量及其分布與摩擦性能關(guān)系的研究并不多見。

3 氟橡膠復(fù)合材料摩擦性能的研究進(jìn)展

和其他熱固性彈性體一樣，氟橡膠硫化交聯(lián)后才能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。模量和交聯(lián)密度是影響氟橡膠摩擦性能的兩個(gè)重要參數(shù)。氟橡膠的耐磨性能隨著交聯(lián)密度的增大有一個(gè)最佳值。由于生產(chǎn)工藝等因素，氟橡膠價(jià)格比較高，為了在降低成本的同時(shí)生產(chǎn)出性能更加優(yōu)異的密封制品，常將氟橡膠與其他一種或幾種橡膠或塑料并用或共混并填充不同填料以制備氟橡膠復(fù)合材料。

3.1 主體材料對氟橡膠復(fù)合材料耐磨性能的影響

3.1.1 橡塑共混體系

為了調(diào)控橡膠復(fù)合材料的硬度和彈性，通常利用塑料微粒的剛性與橡膠的彈性的互補(bǔ)作用，即具有自潤滑的塑料微粒能夠使復(fù)合材料兼具低生熱和抗蠕變性能，從而提高橡膠復(fù)合材料的耐磨性能。為了滿足氟橡膠用于動密封組件時(shí)高轉(zhuǎn)速和高承載的工況要求，通常使用塑料微粒，如超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）、聚四氟乙烯和聚酰胺等微粒與其并用。當(dāng)硫化溫度達(dá)到150 ℃以上時(shí)，塑料微粒在橡膠基體中部分熔融，從而使塑料微粒與橡膠基體之間的界面粘合強(qiáng)度增大。

閆普選等[12]使用UHMWPE微粒和氟橡膠共混，制備UHMWPE微粒/氟橡膠復(fù)合材料，探究不同UHMWPE微粒用量下復(fù)合材料的摩擦性能和磨損性能。試驗(yàn)所用的面面摩擦形式如圖2所示，復(fù)合材料試樣與金屬對偶面之間的摩擦率按公式（3）計(jì)算：

圖2 面面摩擦形式示意Fig.2 Surface to surface friction form

式中：Ws為摩擦率，mm3·（N·m）-1；Δm為摩擦前后試樣質(zhì)量差，g；ρ為試樣密度，g·mm-3；FN為施加在試樣上的正壓力，N；L為試樣的總摩擦歷程，m。

研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的硬度隨著UHMWPE微粒用量的增大而增大，拉伸強(qiáng)度則下降。這是因?yàn)樵诹蚧瘻囟认?，UHMWPE微粒表面熔化，由于尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的體缺陷，氟橡膠基體與UHMWPE微粒之間界面強(qiáng)度增大。在干摩擦條件下，隨著UHMWPE微粒用量的增大，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)先增大后減小。UHMWPE微粒用量為5份時(shí)，UHMWPE微粒硬度比氟橡膠基體高，復(fù)合材料的硬度較低，當(dāng)載荷相同時(shí)，由于微粒的承載作用，復(fù)合材料的實(shí)際接觸面積相對較小，其發(fā)生滾動摩擦。與剛性對偶面摩擦，當(dāng)復(fù)合材料真實(shí)的摩擦接觸面積較大時(shí)，由于摩擦歷程的波動非常劇烈，會導(dǎo)致復(fù)合材料失效。當(dāng)UHMWPE微粒用量增大為10份，復(fù)合材料由于體缺陷明顯，UHMWPE微粒更容易從摩擦面剝離，從而增大復(fù)合材料的接觸面積，表現(xiàn)為粘附摩擦，形成轉(zhuǎn)移膜，使得摩擦平穩(wěn)期的復(fù)合材料摩擦因數(shù)較小；繼續(xù)增大UHMWPE微粒用量至15份，復(fù)合材料的實(shí)際接觸面積進(jìn)一步增大，滑動摩擦力增大，摩擦因數(shù)隨之增大，單位時(shí)間內(nèi)UHMWPE微粒從復(fù)合材料表面剝離數(shù)目增大，復(fù)合材料的磨損率增大[13]。

朱立新等[14]使用有“塑料之王”之稱的聚四氟乙烯有機(jī)粒子與氟橡膠26共混，研究了復(fù)合材料的耐磨性能及降摩機(jī)理。聚四氟乙烯的摩擦因數(shù)很小，這是因?yàn)榫鬯姆蚁┑膬?nèi)聚能小，分子間結(jié)合力弱，分子易被拉出晶區(qū)，當(dāng)其與其他物體相互對磨時(shí)，聚四氟乙烯分子轉(zhuǎn)移到對偶面上形成轉(zhuǎn)移薄膜，此時(shí)，摩擦行為發(fā)生在聚四氟乙烯基體與轉(zhuǎn)移膜之間。聚四氟乙烯粒子與氟橡膠的相容性較好，可以均勻地分散于氟橡膠中，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性能。由于聚四氟乙烯粒子容易脫落，隨著聚四氟乙烯用量的增大，復(fù)合材料的阿克隆磨耗量先減小后增大。試驗(yàn)結(jié)果顯示，聚四氟乙烯粒子用量為5份時(shí)，復(fù)合材料的阿克隆磨耗量和摩擦因數(shù)最小，綜合性能最優(yōu)。

3.1.2 橡膠并用

兩種或幾種不同的橡膠并用往往可以提高復(fù)合材料性能和降低其制品成本[15]。為了提高氟橡膠耐磨性能和耐低溫性能，武衛(wèi)莉等[16]將硅橡膠與氟橡膠并用，并分別以偶聯(lián)劑KH550和KH590改性的碳纖維為增強(qiáng)相，制備了碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料的耐磨性能較差，加入偶聯(lián)劑改性碳纖維后復(fù)合材料的耐磨性能變優(yōu)。這是由于硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料的粘度小于氟橡膠，加入剛性的改性碳纖維與并用膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，復(fù)合材料相容性更好，耐磨性能提高，磨耗量減小。復(fù)合材料混煉時(shí)，混煉膠與輥筒的實(shí)際接觸面積與其表面粗糙度有關(guān)，混煉膠表面越粗糙，接觸面積越小，單位面積上的壓力越高，粗糙突起的部分越易被磨平而過渡到穩(wěn)定磨損階段。加入偶聯(lián)劑后復(fù)合材料（硫化膠）表面粗糙度降低，磨耗量減小，耐磨性能得到改善。

偶聯(lián)劑改性碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料原子力顯微鏡照片如圖3所示，碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料的平均粗糙度為31.2 nm，偶聯(lián)劑KH550改性碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料和偶聯(lián)劑KH590改性碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料的平均粗糙度分別為23.1和13.6 nm，這表明偶聯(lián)劑KH590改性效果較偶聯(lián)劑KH550更好。

圖3 偶聯(lián)劑改性碳纖維/硅橡膠/氟橡膠復(fù)合材料原子力顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 AFM photos of coupling agent modified carbon fiber/silicone rubber/fluoro rubber composites

3.2 填料對氟橡膠復(fù)合材料耐磨性能的影響

3.2.1 傳 統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)填料（炭黑和白炭黑）

炭黑具有很強(qiáng)的吸附性能，其粒徑小和比表面積大，與橡膠分子鏈之間的結(jié)合力強(qiáng)，對橡膠材料起補(bǔ)強(qiáng)作用，是橡膠最常用的補(bǔ)強(qiáng)填料。然而，當(dāng)橡膠中炭黑用量較大時(shí)，由于范德華力作用，炭黑粒子極易團(tuán)聚形成聚集體，從而極大影響其補(bǔ)強(qiáng)作用。炭黑的形態(tài)、種類、界面性質(zhì)及分散性均會影響炭黑/氟橡膠復(fù)合材料的耐磨性能。

白炭黑也是橡膠常用補(bǔ)強(qiáng)填料，由于白炭黑粒子表面存在硅羥基活性基團(tuán)，因此其在橡膠基體中易發(fā)生團(tuán)聚，進(jìn)而影響橡膠各項(xiàng)性能。為增大白炭黑/氟橡膠復(fù)合材料的交聯(lián)密度和模量，必須解決白炭黑在氟橡膠基體中分散性問題，如果白炭黑在氟橡膠基體中分散性好，相界面結(jié)合就好，復(fù)合材料的交聯(lián)密度和模量就大，耐磨性能就好。

傳統(tǒng)填料/氟橡膠復(fù)合材料不同工況下的摩擦性能研究進(jìn)展簡介如下。

3.2.1.1 高溫磨粒條件下摩擦性能

隨著國內(nèi)外深鉆技術(shù)的提高以及對能源需求的增大，鉆井深度逐漸提高，從1 000到7 000 m不等[17]，有時(shí)井下溫度會超過200 ℃。在高溫環(huán)境下，井下設(shè)備配件的性能降低，其中包括氟橡膠密封制品。當(dāng)氟橡膠密封制品在高溫環(huán)境中工作一定時(shí)間后會發(fā)生材料降解[18]，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋[19]，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)改變，密封性能下降[20-22]。

密封界面中存在磨粒也會影響橡膠密封制品的密封性能[23]。磨粒的兩種運(yùn)動形式分別是開槽摩擦和滾動摩擦[24]，開槽摩擦由磨粒在摩擦面上劃過形成，滾動摩擦由磨粒在摩擦界面中滾動形成。對氟橡膠密封制品密封性能產(chǎn)生重要影響的因素有高溫和磨粒兩種[25]，高溫能改變氟橡膠密封制品的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，而密封界面產(chǎn)生的磨痕則是由磨粒運(yùn)動形成。

馮穎亮等[26-27]模擬井下氟橡膠密封制品工作環(huán)境，在高溫磨粒條件下研究氟橡膠摩擦磨損行為和機(jī)理，氟橡膠試樣經(jīng)過不同溫度處理后在三體摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示。從圖4可以看出：試樣的摩擦因數(shù)都經(jīng)歷了兩個(gè)階段，上升階段（Ⅰ階段）和平穩(wěn)階段（Ⅱ階段）；隨著試樣處理溫度的升高，磨粒在摩擦過程中發(fā)生不同程度的破裂，摩擦因數(shù)波動幅度減小。在高溫作用下，磨粒在摩擦界面的運(yùn)動形式發(fā)生改變，試樣的硬度等性能發(fā)生變化，橡膠表面的主磨痕由劃痕狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘伎訝睢?/p>

圖4 不同溫度處理氟橡膠試樣在三體摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)曲線Fig.4 Friction coefficient curves of fluoro rubber specimens with different temperature treatments under three-body friction

3.2.1.2 干摩擦條件下摩擦性能

橡膠磨損失效問題一直是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)心的問題，如橡膠/金屬配副密封件中，螺桿泵剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，橡膠定子與金屬轉(zhuǎn)子之間由于過盈配合發(fā)生干摩擦，橡膠定子后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封性能會因?yàn)楦赡Σ炼陆怠?/p>

王哲等[28]為橡膠/金屬配副密封件的磨損研究提供了理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過對氟橡膠及丁腈橡膠與金屬配副在干摩擦條件下的摩擦磨損行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，氟橡膠和丁腈橡膠均以磨粒磨損（微切削）為主，兩種橡膠磨粒磨損機(jī)理相似，主要物理現(xiàn)象變化發(fā)展過程為宏觀分層剝落；當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，丁腈橡膠磨痕表面出現(xiàn)膠合現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘附磨損，橡膠/金屬配副接觸面發(fā)生了粘合轉(zhuǎn)移，在鋼環(huán)表面形成轉(zhuǎn)移膜；氟橡膠的耐磨性能優(yōu)于丁腈橡膠。在干摩擦過程中，兩種橡膠分子鏈斷裂形成大分子自由基，并且異構(gòu)化發(fā)生氧化反應(yīng)。

3.2.1.3 原油潤滑條件下摩擦性能

在螺桿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)初期，橡膠定子與金屬轉(zhuǎn)子之間不可避免地發(fā)生干摩擦，在螺桿泵正常運(yùn)行階段，橡膠的磨損行為直接影響螺桿泵的使用壽命，摩擦形式由于原油介質(zhì)滲入橡膠與金屬配副中，變?yōu)榱黧w潤滑。

王哲等[29]研究了原油介質(zhì)中丁腈橡膠和氟橡膠的磨損性能，發(fā)現(xiàn)在一定載荷下，丁腈橡膠摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大先增大后略有減?。环鹉z摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大呈線性增大，氟橡膠的磨耗量略小。丁腈橡膠及氟橡膠在低轉(zhuǎn)速下磨痕明顯，均以疲勞磨損為主，循環(huán)應(yīng)力引起的裂紋萌生和擴(kuò)展造成了磨痕。

呂曉仁等[30]對干摩擦和原油潤滑條件下丁腈橡膠和氟橡膠的磨損行為進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明，原油潤滑下，丁腈橡膠的磨耗量由于剪切力和摩擦熱的降低而小于氟橡膠。在干摩擦高載荷下，丁腈橡膠由于摩擦生熱導(dǎo)致硬度降低，發(fā)生粘附磨損，磨耗量大幅增大且遠(yuǎn)大于氟橡膠；在低載荷條件下，丁腈橡膠的磨耗量比氟橡膠略小。

3.2.1.4 低壓氣體密封微動摩擦性能

在干氣密封設(shè)備中，端面密封氣膜的穩(wěn)定性會影響O形密封圈的密封性能，這是由于O形密封圈軸向振動產(chǎn)生微動摩擦力，使得密封端面的閉合力產(chǎn)生波動，當(dāng)密封壓力較低時(shí)，密封端面開啟力變低[31]。隨著干氣密封向反應(yīng)釜等低壓低速裝備的擴(kuò)展應(yīng)用，輔助O形橡膠密封圈的摩擦特性引起人們的重視。

朱啟惠等[32]分析了O形密封圈處于低壓密封條件下微動時(shí)的摩擦特性，研究了影響摩擦力的因素，包括密封壓力、壓縮率、循環(huán)次數(shù)以及位移與摩擦力的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)微動狀態(tài)下O形密封圈粘滯特性明顯，位移與摩擦力成線性關(guān)系，摩擦力隨著位移的增大而升高。在低壓微動條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，O形密封圈的摩擦力逐漸變低并趨向平穩(wěn)，密封壓力和壓縮率對摩擦力影響明顯。

3.2.2 綠色環(huán)保填料

橡膠工業(yè)使用最多的填料是炭黑和白炭黑，然而，生產(chǎn)過程中使用炭黑會嚴(yán)重危害工人的健康，也會對空氣造成嚴(yán)重污染。同樣，三廢污染問題在白炭黑生產(chǎn)中一直存在。因此，尋找可替代的綠色環(huán)保填料一直是科研工作者追求的目標(biāo)。硅藻土是一種綠色環(huán)保的新型填料[33]，結(jié)構(gòu)成分與白炭黑類似，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，耐磨耐腐蝕。武衛(wèi)莉等[34]分別采用改性硅藻土填充氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠以及氯丁橡膠制備復(fù)合材料，研究改性硅藻土對橡膠分子結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性的影響。研究表明：改性硅藻土對上述橡膠均有增強(qiáng)作用，與橡膠相容性較好，其中對氟橡膠改性效果最明顯；與白炭黑相比，改性硅藻土填充氟橡膠的力學(xué)性能明顯提高，耐磨性能提高30%；改性硅藻土能夠改善氟橡膠和三元乙丙橡膠的耐熱性能。

3.2.3 減磨潤滑填料

添加自潤滑性的填料可減小橡膠表面的摩擦因數(shù)，降低生熱。其作用機(jī)理為潤滑劑從橡膠中噴出時(shí)，橡膠表面形成的潤滑膜產(chǎn)生自潤滑效果[35-36]。石墨與二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢都是性能優(yōu)良的固體潤滑材料，石墨是片層結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)填料，二硫化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢都是無機(jī)剛性粒子，在非常苛刻，如高溫、低溫、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷及化學(xué)腐蝕等工況下具有優(yōu)異的潤滑性。

方曉波等[6]探討了石墨和二硫化鉬用量對氟橡膠復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加兩種填料均可使氟橡膠復(fù)合材料的耐磨性能提高，其磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘附磨損；復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨耗量隨著石墨和二硫化鉬用量的增大先減小后增大；復(fù)合材料的耐磨性能在石墨和二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03和0.05時(shí)最佳。

朱立新等[14]研究了添加減磨填料，如聚四氟乙烯粒子、石墨及二硫化鉬等對氟橡膠性能的影響。聚四氟乙烯粒子是一種塑料有機(jī)粒子，與氟橡膠相容性較好，大量加入只能起到增塑作用，減小氟橡膠的交聯(lián)密度，少量加入有利于氟橡膠分子鏈之間的潤滑或/和炭黑的分散。對比3種減磨填料，在氟橡膠中加入5份二硫化鉬時(shí)，其壓縮永久變形最小，耐磨性能最佳。

3.2.4 其他補(bǔ)強(qiáng)填料

采用不同維度的填料對橡膠進(jìn)行改性是當(dāng)今橡膠領(lǐng)域的研究方向，通常使用一維或二維填料代替?zhèn)鹘y(tǒng)零維度的炭黑或與炭黑并用改善橡膠性能。凹凸棒、海泡石和累托石等纖維狀或?qū)訝罟杷猁}作為一維納米填料，多用于改善橡膠的物理性能。閆普選等[37]采用酸改性纖維狀海泡石，制備纖維狀海泡石/氟橡膠復(fù)合材料，研究海泡石剝離前和剝離后的微觀特性，分析纖維狀海泡石用量不同的復(fù)合材料耐磨性能和力學(xué)性能。

此外，具有高剛度和強(qiáng)度的碳納米管、中空玻璃微珠和石墨烯等填料，可直接提高橡膠耐磨性能，以這些填料與傳統(tǒng)填料組合可協(xié)同改善氟橡膠摩擦行為，將進(jìn)一步拓寬氟橡膠的應(yīng)用范圍。

4 表面化學(xué)處理對氟橡膠基材耐磨性能的影響

橡膠表面光滑平整和模量高，則耐磨性能好，如果表面不平整，那么突出部位在載荷和剪切力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞、脫落，導(dǎo)致橡膠耐磨性能下降。為了改善橡膠耐磨性能，可以涂抹耐磨性能好的涂層，或者利用橡膠分子具有反應(yīng)性的特殊官能團(tuán)對橡膠表面進(jìn)行化學(xué)改性。

陳旭明[7]采用浸涂法將液相超聲法制備的氟橡膠/層狀二硫化鉬涂層分散液涂覆在氟橡膠基材表面，有效地減小了氟橡膠基材的磨耗量和摩擦因數(shù)。常用于改善氟橡膠基材耐磨性能的二硫化鉬是一種優(yōu)良的減磨填料和固體潤滑劑，但大量填充二硫化鉬會破壞氟橡膠基材的物理性能，這種氟橡膠/二硫化鉬分散液涂層對氟橡膠基材的物理性能沒有影響，且二硫化鉬用量小。直接涂覆法改善氟橡膠基材的耐磨性能簡單而易操作。

5 結(jié)語

本文基于橡膠摩擦力、摩擦因數(shù)和磨耗量等基本概念，分析了氟橡膠分子結(jié)構(gòu)，包括分子鏈柔順性、相對分子質(zhì)量及其分布對氟橡膠摩擦性能的影響；闡述了近年來氟橡膠摩擦性能的研究進(jìn)展，從橡塑共混、橡膠并用、填充減磨填料和對氟橡膠基材進(jìn)行表面化學(xué)處理等方面展開分析；討論了高溫磨粒、干摩擦和原油潤滑等不同工況下氟橡膠的摩擦特性。

在實(shí)際應(yīng)用中，氟橡膠的摩擦性能往往受多個(gè)因素同時(shí)或交替影響，而各因素之間又相互影響、相互制約、相互轉(zhuǎn)化，增加了研究工作的難度。因此需要深入研究氟橡膠減磨和降摩作用機(jī)理、氟橡膠與對偶間摩擦物理和化學(xué)效應(yīng)以及兩種效應(yīng)之間的關(guān)系等。此外，發(fā)展綠色環(huán)保減磨填料和自潤滑減磨填料等將強(qiáng)力推進(jìn)氟橡膠應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。