一、聚合物磨損的分類

磨損是摩擦產(chǎn)生的必然結(jié)果，有摩擦就一定會(huì)導(dǎo)致磨損。磨損是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域，可以說(shuō)每一種磨損都有幾種性質(zhì)不同、互不相關(guān)的機(jī)理存在。聚合物的磨損有多種形式，按不同的機(jī)理和條件主要可以分為四種類型，即:粘著磨損(adhesive wear;磨粒磨損(abrasive wear;疲勞磨損(fatigue wear)及摩擦中的化學(xué)反應(yīng)(tribo-chemical reaction)等。在實(shí)際摩擦磨損過(guò)程中，幾種磨損機(jī)理會(huì)同時(shí)發(fā)生，至于那一種磨損機(jī)理起主要作用是由聚合物自身的性質(zhì)決定的。磨粒磨損中對(duì)偶面的粗糙度對(duì)磨損大小起決定性作用;接觸疲勞磨損是在循環(huán)應(yīng)力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果，是一種普遍的磨損形式。此外，斷裂能(G或J)決定裂紋的形成和磨損強(qiáng)度，其依賴于聚合物的延展性，直接影響聚合物的磨損;嚴(yán)重的摩擦化學(xué)磨損涉及到活性粒子的產(chǎn)生:如自由基，電子等。對(duì)于聚合物轉(zhuǎn)移膜，表面極性及表面能決定膜的轉(zhuǎn)移;對(duì)于在周期載荷作用下的疲勞磨損，斷裂能是決定材料是否抗疲勞的主要因素;并且熱塑性、彈性體及復(fù)合材料等材料磨損機(jī)理各不相同;而且大多數(shù)的磨損機(jī)理最終會(huì)導(dǎo)致聚合物的疲勞磨損。

二、粘著磨損

作用在固體接觸表面間的粘著是摩擦學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。具體說(shuō)，它對(duì)滑動(dòng)摩擦、磨損以及潤(rùn)滑等起著很重要的作用。粘著磨損是在正常載荷的作用下，由于粘著力的形成而使聚合物轉(zhuǎn)移到對(duì)偶面的現(xiàn)象。宏觀光滑的表面，從微觀尺度看總是粗糙不平的。當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸的只是表面上的一些較高微突點(diǎn)。它們承受著整個(gè)載荷，以致使許多微突點(diǎn)發(fā)生塑性變形，并更緊密地接觸。在這種條件下，這些緊密接觸的微突點(diǎn)表面原子間將發(fā)生相互作用，使兩個(gè)表面微突點(diǎn)粘著、焊合。進(jìn)一步的滑動(dòng)使一些粘著點(diǎn)破壞，這樣聚合物就會(huì)轉(zhuǎn)移到其對(duì)偶面一金屬或聚合物上。通過(guò)以上分析可知:緊密接觸、塑性變形以及摩擦熱的形成都會(huì)使兩物質(zhì)間產(chǎn)生粘著。粘著磨損中，真實(shí)接觸面積表觀接觸面積相比是非常小的。真實(shí)接觸面積約為表觀接觸面積的千分之一，而粘著磨損的磨損質(zhì)量損失與真實(shí)接觸面積成正比。

對(duì)于聚合物一聚合物的滑動(dòng)組，粘著磨損是最重要的磨損機(jī)理。如果表面粗糙度低于某一特定值，粘著也會(huì)發(fā)生在聚合物一金屬之間。對(duì)于一個(gè)光滑表面，很難區(qū)分粘著磨損與疲勞磨損。粘著強(qiáng)烈地依賴于表面界面特性。例如:表面形貌、表面能、界面剪切強(qiáng)度及表面吸附層等。在這些特性中表面能又起決定性作用。轉(zhuǎn)移膜的形成依賴于對(duì)偶面的表面能，通常是從低表面能的一面轉(zhuǎn)移到高表面能的一面。應(yīng)該指出，分子形貌決定轉(zhuǎn)移層厚度及轉(zhuǎn)移的程度。光滑的分子，如高密度聚乙烯(HDPE，將在對(duì)偶面形成一層薄的、高度取向的轉(zhuǎn)移膜，因此表現(xiàn)為粘著磨損率較低。另外，高度交聯(lián)的材料不易在對(duì)偶面形成轉(zhuǎn)移膜，這說(shuō)明交聯(lián)聚合物具有高的抗粘著磨損特性

三、磨粒磨損

磨粒磨損在工業(yè)中存在非常廣泛。據(jù)估計(jì)，工業(yè)中發(fā)生的磨損約50%是屬于磨粒磨損。磨粒磨損是由于對(duì)偶表面的粗糙不平(兩組分磨粒磨損)或磨粒夾在摩擦面之間(三組分磨粒磨損)或兩種情況同時(shí)發(fā)生從而使摩擦面主要因?yàn)榍邢鞫鹉p脫落的現(xiàn)象。磨粒磨損表面通常有多方向的劃痕產(chǎn)生。如果兩個(gè)接觸面中，一個(gè)面比另一個(gè)面硬一些，那么在滑動(dòng)時(shí)硬表面上的硬凸體就會(huì)在軟表面上劃出溝痕。由于這種溝痕很像農(nóng)用犁在田地上犁出的溝，故稱犁溝，這種現(xiàn)象稱為犁溝效應(yīng)。

磨粒磨損主要是犁溝和微觀切削作用，聚合物硬度與大部分金屬材料相比是比較低的，目前最硬的聚合物其硬度也不及低碳鋼。因此，聚合物對(duì)于硬質(zhì)點(diǎn)的切削或刻槽現(xiàn)象極其敏感。尤其是當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn)有尖銳棱角時(shí)，磨粒磨損更為嚴(yán)重。摩擦副接觸面的形成和分開(kāi)過(guò)程伴隨著微突體的刺入和拔出，在這一微觀區(qū)域形成材料的粘著。一般來(lái)說(shuō)容易產(chǎn)生彈性形變和各向異性的材料具有較高的摩擦系數(shù)。因此，在塑料和橡膠的摩擦學(xué)研究中，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)密度、球晶尺寸和分子鏈結(jié)構(gòu)都會(huì)影響摩擦系數(shù)。同時(shí)，聚合物材料的粘彈性還受溫度的影響。摩擦速率、載荷、表面形貌及粗糙度都會(huì)通過(guò)對(duì)界面粘接的影響而作用于摩擦系數(shù)產(chǎn)生磨粒磨損的硬顆粒的大小對(duì)聚合物的磨粒磨損有很大影響，磨粒顆粒越大，在相同的通過(guò)次數(shù)下，從聚合物表面移走的材料越多，磨損越嚴(yán)重。且

在初始磨損階段，磨損率較高，因?yàn)榇藭r(shí)磨粒尖銳且沒(méi)有受到破壞，隨著磨損的進(jìn)行，磨粒受到破壞，磨損率降低。

當(dāng)然，聚合物的磨粒磨損還與聚合物本身性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于脆性聚合物，可用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)確定磨損體積

Vw=kld tang /TCH(1一1)

式中，e表示微凸體的底角，Vw為磨損體積，k為常數(shù)，Z為載荷八偽滑動(dòng)距離，H為硬度。可見(jiàn)，磨損量與tang成正比，與硬度成反比。

許多研究者牙民道了決定聚合物磨粒磨損的重要參數(shù)一斷裂能。如果用s表示聚合物材料的拉伸強(qiáng)度，用6表示聚合物斷裂前的延伸率，那么參數(shù)(S'} (}將是一個(gè)和斷裂能有關(guān)的量。近似的說(shuō)，參數(shù)(S'} (}越大，意味著斷裂能越大。則在相同粗糙度對(duì)偶面的條件下，材料抗磨粒磨損的性能越好。

四、疲勞磨損

疲勞磨損是在循環(huán)載荷的作用下，非明顯的磨損在粗糙表面積累，致使發(fā)生明顯的磨損現(xiàn)象:在較軟的材料表面形成磨損微粒并脫離下來(lái)。疲勞磨損在相當(dāng)一段時(shí)間的滑動(dòng)(或滾動(dòng))后才能產(chǎn)生。若表面相對(duì)粗糙度較大，磨粒磨損和粘著磨損較嚴(yán)重，材料表面沒(méi)有時(shí)間導(dǎo)致疲勞并產(chǎn)生疲勞磨損。疲勞磨損較溫和，其破壞性通常低于磨粒磨損與粘著磨損，一般在滾動(dòng)條件下形成。在滑動(dòng)條件下，疲勞磨損常與磨粒磨損和粘著磨損同時(shí)發(fā)生。疲勞磨損的重要性最早由蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，Kvaghels場(chǎng)將此進(jìn)一步延伸，推導(dǎo)了一些疲勞磨損公式。

盡管疲勞磨損通常發(fā)生在聚合物表面，但它在某種程度上受材料體積疲勞磨損特性的影響[[47]，疲勞包括裂紋的形成及延伸，因此，它是一個(gè)斷裂的過(guò)程。裂紋的擴(kuò)展(生長(zhǎng))率與斷裂硬度(Kc成反比。因此，一種具有高斷裂硬度的聚合物，在磨損的過(guò)程中具有較長(zhǎng)的疲勞周期，更加耐疲勞磨損。斷裂能在抗疲勞磨損中的重要性在Eiss和Potter[4g]的工作中進(jìn)一步得到證實(shí)。他們的數(shù)據(jù)表明:填加15%的聚硅氧烷彈性體，使疲勞磨損率從600}m2/K下降到90}m2/K,然而彈性模量只有少量的下降，從1.11下降到0.92GPa。耐磨性不僅與彈性模量有關(guān)，而且與斷裂能有關(guān)。

五、化學(xué)磨損

化學(xué)磨損是指由于接觸表面與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)作用而引起的磨損。當(dāng)接觸面與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，其產(chǎn)物會(huì)脫離表面，使材料產(chǎn)生損失。化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行與摩擦過(guò)程產(chǎn)生的能量有關(guān)。雖然塑料都具有強(qiáng)的抗腐蝕能力，不為化學(xué)藥品所侵蝕，但當(dāng)一些化學(xué)藥品、溶劑等進(jìn)入摩擦界面，在應(yīng)力反復(fù)作用下，又有熱、氧等環(huán)境因素，是能夠產(chǎn)生磨損的。在摩擦過(guò)程中，表面上真實(shí)接觸區(qū)域可以產(chǎn)生高溫，同時(shí)可能產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力與變形，在這些熱點(diǎn)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加快了磨損速度。

綜上所述，聚合物材料的摩擦磨損機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，不僅材料本身分子結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、熱性能、化學(xué)性能讓材料具有不同的摩擦磨損性能，而且工況條件如負(fù)載、轉(zhuǎn)速、表面粗糙度、環(huán)境溫度、濕度會(huì)影響材料的摩擦磨損機(jī)理，并且由于各種復(fù)合材料的大量開(kāi)發(fā)和使用，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的組成、相界面的粘結(jié)度、相和相之間的相溶性都有可能改變材料的摩擦磨損特性。隨著掃描電子顯微鏡(SEM、X射線光電子能譜(XPS>、透射電鏡(TEM、原子力顯微鏡(AFM)等*儀器的出現(xiàn)。人們對(duì)微觀世界的了解有了更強(qiáng)有力的手段，對(duì)材料的摩擦磨損機(jī)理的研究也將越來(lái)越深入，但對(duì)摩擦磨損機(jī)理的探索仍將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。