第1章橡塑密封摩擦学概述
1.1 橡塑密封与摩擦学
橡塑是橡胶和塑料的统称，它们是典型的高分子聚合物，往往以合成或天然聚合物为主要成分，并辅以各类填料在一定温度和压力下加工成型。橡胶等高分子聚合物因具有高弹性、耐腐蚀性、抗渗透性、中等应力松弛和蠕变性能、对接触表面具有良好的补偿性和耐磨性等优点，被广泛应用于各类流体机械中的软接触密封。作为重大装备的关键基础零部件，橡塑动密封制品在轨道交通、石油化工、航空航天、海洋工程装备等领域得到了广泛应用。
摩擦学的主要研究对象是相互作用的固体表面，是研究两个接触的固体表面在相对运动中产生摩擦、磨损、黏附、黏滞、表面疲劳等影响的一门学科。摩擦学性能是橡塑动密封制品一项极为重要的关键性指标，它甚至直接决定整套装置的服役寿命。作为一种关键密封形式，橡塑密封常以接触式动密封形式存在。例如，活塞和活塞杆做往复或旋转运动，就是依靠活塞、活塞杆与密封件之间的摩擦来实现密封效果[1，2]。
橡塑密封是防止内部密封介质外泄、抵御外部污染物入侵的重要屏障，已成为保障现代工业高效、长期、安全和稳定运行必不可少的重要技术产品。然而，对于重大装备的橡塑密封及其摩擦学问题，人们往往觉得“微不足道”，关注甚少 [3]。橡塑材料磨损、界面润滑及密封安全等相关科学问题，仍未引起学术界和工业界的足够重视。近三十年来，我国“重整机、轻配件”的研究和发展思路，一定程度上阻碍了橡塑密封系统相关的摩擦学理论研究与工程应用的发展[4]。
1.2 橡塑摩擦学理论
橡胶是一种弹性模量很低、黏弹性很高的聚合物，它具有不同于金属和一般聚合物的特性。橡胶与刚体之间的摩擦包括黏着(adhesion)和滞后(hysteresis)两个作用力分量，黏着摩擦起因于橡胶与对偶面之间黏着的不断形成和破坏，伴随着快速的能量耗散；滞后摩擦则是由表面微凸体作用导致滑动的橡胶产生周期性的变形以及犁削过程中的能量耗散引起的。橡胶的这种耦合摩擦特性也导致橡胶磨损有别于一般聚合物的特性。橡塑摩擦的主要理论*初是由 Schallamach提出的 [5，6]，并由 Grosch、Ludema、Tabo和 Moore等进一步研究发展和逐渐完善，张嗣伟在其著作中很好地总结了相关理论 [7]。事实上，上述理论主要建立在橡胶材料黏弹特性假设的基础上。然而，橡胶的摩擦系数表现为一种 Williams-Landel-Ferry(WLF)类的温度依赖性，WLF公式是黏弹性力学中著名的公式之一[8]。Schallamach是*早报道橡胶的摩擦力与温度和滑动速度有关的研究者，他发现摩擦力随速度的增大略有增大，随温度的降低而大幅增大 [6]，他试验得出的摩擦系数与温度的指数关系类似于液体黏性流动时的流动性与温度的关系，如图 1.1所示。在运动过程中，分子连续地在基质上附着和分离，橡胶链末端在滑动方向上的切向应力作用下有小幅跳跃。
图 1.1 摩擦系数在不同温度下随滑动速度演变的函数分布[6]
Grosch[9]扩展并建立了一个更大的数据集来证明橡胶摩擦对滑动速度和温度的依赖关系，其中摩擦系数是在 10–5～1cm/s的低滑动速度下测量的，并作为温度的函数，如图 1.2所示。 Grosch在试验过程中应用 WLF叠加概念，获得了在 20℃、速度为 10–8～108mm/s范围下的摩擦系数和滑动速度之间独*的钟形主曲线，他假设主曲线上的一个峰值速度对应于一个 tanδ(损耗角正切 )的峰值。 Ludema等[10]也进行了类似的试验。这些发现被报道后，橡胶的摩擦行为由橡胶块本身的黏弹特性决定的概念在橡胶研究领域得到了广泛认可。
在此基础上，Moore[11]提出了橡胶总摩擦系数之和的概念，即 μall由黏着分量 μadh和形变组分 μdef(即滞后分量 μhys)求和得到：
(1.1)
图 1.2 20℃下丁腈橡胶摩擦系数随滑动速度演变的分布函数主曲线[9]
(1.3)
式中，K1.、K2.均为恒量常数；E为弹性模量；P为法向压力；tanδ为损耗角正切，又称损耗因子；r≤1；n≥1； .hys为对应于橡胶在接触刚性粗糙表面时的形变所损失的滞后能量。值得一提的是，式 (1.1)～式(1.3)中 .all 、 .adh 、 .def 都可以表示为材料特性相关的函数。
Carbone等[12]基于表面黏附能理论，根据弹性力学、断裂力学的基本原理，在忽略波的传播和黏弹性所引起的能量损失条件下，给出了摩擦系数 .的计算公式：
其中，
(1.5)
(1.6)
式中， P.为橡胶弹性体垂直地面距离接触表面无限远处的压应力；E为材料弹性模量； .为微观波动长度；h为表面粗糙度；a为微观接触面积半径；v为滑动速度；e为在滑动速度 v下接触面积的中心与静态接触面积的中心偏离量。
近十几年来，Persson等[13-15]提出了一种新颖的随机粗糙表面接触力学理论，以解释粗糙度对弹性体接触的作用；给出了不仅可以计算接触面积和压力分布，而且可以推导如黏附、界面分离、介质泄漏和接触几何的统计特性等相关参数的方法。此外，他们在系统研究的基础上，基于黏弹性力学的计算方法，计算说明了雨天轮胎摩擦力大幅度减小的原因，这一发现让人们看到了统一各项研究成果的希望[16]。
Fukahori等[17]对总摩擦系数相关方程进行修正和改进，考虑了橡胶滑移过程中，Schallamach花纹根部断裂的能量损失，指出橡胶总摩擦系数 .all由黏着分量 .adh、形变组分 .def和裂纹形成组分 .crac求和得到，修正方程如下：
(1.7)
式中，Kε为衡量常数；η为未交联相的黏度；E为交联相的弹性模量；v为滑动速度；c为裂纹长度；W为法向载荷。
综上所述，Moore理论仍是目前橡塑摩擦昀基本的基础理论，上述学者的相关理论推导也有力支撑了 Moore理论，使得该理论至今仍被广泛应用。国内橡塑材料摩擦研究起步相对较晚，中国石油大学 (北京)张嗣伟教授所著的 Tribology of Elastomers[7]以橡胶典型的磨损机理以及磨损中涵盖的物理和化学问题为切入点，围绕材料、结构、环境等因素对橡胶磨损原理进行了较为系统且深入的研究。
1.3 苛刻服役环境下的橡塑密封及其典型失效
影响橡塑密封失效的因素主要包括以下几方面。
(1)材料结构性能缺陷：尽管橡塑材料本身的性能足够突出，但在设计选材和加工成型方面，难免存在对产品服役需求、性能评估以及实际安装条件认识不足等问题；在加工成型方面，原料的品质不稳定、入料配比偏差、工艺条件把控不当等均会影响密封材料的服役性能表现。
(2)接触状态：在密封件装配或服役过程中，可能会陷入间隙或存在错位倾角，使得密封件未能处于良性接触状态。此外，橡胶密封件常处于压缩或伸张状态，其永久性形变远较其他密封材料严重，长时间的压缩或伸张导致材料的机械性能逐步衰退，昀终丧失实际使用价值。粗糙的配副表面 (轴承上的微毛刺 )也会加速密封件损伤失效，进而被迫停机拆修。
(3)运行参数：一般涵盖滑动速度、运动频次、接触载荷、位移幅度等参数 (主要取决于密封件的实时运行条件 )，这些含有密封件的整机运行参数在一定程度上也会影响密封件的摩擦学性能表现。
(4)环境因素：橡塑密封应用面临复杂交变的服役环境，受环境因素 (高温干燥、低温冰雪、高寒高湿、风沙多尘、易腐环境等 )的影响，促使橡塑材料产生严重的磨损、黏附、断裂、疲劳失效等问题。
近年来，随着高端装备制造技术的发展，橡塑密封服役所面临的环境工况会愈加苛刻，未来的橡塑密封逐渐向适应复杂多变环境的多重功能一体化以及超长寿命方向发展，这对橡塑密封性能提出了更高的要求，且受橡塑材料自身特点所限，其“瓶颈效应 ”也日益凸显。常规服役工况下的橡塑密封技术已经不能满足日益发展的轨道交通、海洋、空天、核能行业宽温、高速、沙尘等苛刻环境工况下机械装备的需求，这就需要基础理论研究结合试验分析，在密封副摩擦学设计与防护、材料优化匹配以及全寿命服役与失效机制等方面，进一步明确橡塑密封摩擦副的构效关系、表界面作用等，从而实现橡塑密封制品的长寿命、高可靠性。
迄今，对橡胶在连续旋转或大位移往复运动下的摩擦磨损行为进行了较为广泛而深入的研究 [7，18]。然而，关于橡胶微动磨损的研究鲜见报道。在往复轴密封工作时，橡胶 /金属摩擦副可能出现相对静止、不连续滑移、部分滑移和完全滑移等复杂的接触状态，势必引起橡胶/金属接触副间微动的产生[2，19]。微动常被认为是工业中的“癌症”，大量的研究已证实，微动会造成接触表面磨损、加速疲劳裂纹的萌生与扩展，具有很大的潜在危险性[20]。Darling[21]明确指出微动是引起密封失效的主要原因之一，微动作用可以导致橡胶密封圈甚至与之配副的金属材料表面产生严重的微动损伤。 Felh.s等[22，23]研究了不同炭黑含量的三元乙丙橡胶 (ethylene propylene diene monomer，EPDM)在销-平面接触、滚动平面接触、微动磨损三种不同试验配置下的摩擦磨损性能。通过对比发现，摩擦系数和磨损性能强烈地依赖于相关接触方式，具有很大程度的不确定性。 Baek等[24]发现橡胶弹性体微动磨损过程中产生的磨屑会引起摩擦界面应力场、温度场演化，磨屑行为受微动参数、表面粗糙度和材料性能等影响。然而，他们未能准确揭示橡胶 -金属接触的微动行为和微动磨损损伤机理。
摩擦即意味着相互接触的摩擦副表面发生相对运动，长期的摩擦作用致使配副金属硬表面出现磨损失效，表层材料不断被去除而脱落，恶化的磨损表面变得粗糙，橡胶/金属配副的二体磨粒磨损逐渐形成。目前，大多数学者[7， 25]研究橡胶材料的摩擦学特性是以光滑的金属或涂层平面作为对偶件，忽视了对摩副表面粗糙度对橡胶的影响。在很多实际应用中，橡胶密封摩擦副往往不能实现全膜润滑而处于乏油状态[26， 27]。表面粗糙度对摩擦和磨损、接触状态、润滑性能、附着力和界面分离等均有显著影响，而密封副的摩擦学行为与接触副的表面粗糙度和摩擦副材料的表面特性密切相关 [13，14，28]。工程上往往通过尽量降低“硬”对摩副表面粗糙度的方法来减缓橡胶等“软”材料的磨损，但已有的研究表明，配副金属的表面粗糙度并非越小越好，过于光滑的表面反而会增加对摩副表面的黏着力、增大摩擦系数和加剧磨损。Sedla.ek等[29]研究了粗糙度参数与摩擦学行为间的关系，他们指出摩擦系数与表征摩擦副表面粗糙度的参数 Rk(核心粗糙度深度)、Rpk (简约峰高 )、Rvk(简约谷深 )等密切相关； Myers[30]认为利用表面粗糙度均方根 (root mean square， RMS)预测材料的摩擦磨损昀为有效；代汉达等 [31]讨论了偶件表面粗糙度对聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene， PTFE)摩擦学性能的影响机制，提出了减缓 PTFE磨损的粗糙度参考范围。然而上述相关结论主要来源于“硬 -硬”配对接触摩擦副，对于橡塑密封“橡胶 -金属”的“软-硬”接触摩擦副是否适用仍需要进一步验证。如何实现橡塑密封配副表面粗糙度优化以达到减摩、抗磨、降耗的目的，这是当前迫切需要解决的主要问题之一。
工程上，橡胶 /金属摩擦副在服役过程中往往将橡胶本身视为主要易损件，但忽视了弹性体 (橡胶)对硬质金属对偶件的磨损，文献 [21]明确指出核反应堆主冷却剂泵橡塑密封在微动作用下能引起金属表面的严重损伤；文献 [32]分析了某在役盾构机唇形密封的失效机理，表明砂石微粒 (SiO2)等硬质颗粒能嵌入摩擦副基体内，以及颗粒的存在加速了铬钴合金的磨损。通常，粉尘等外界颗粒物的侵入、摩擦副自身产生的磨屑、密封介质被污染或涂镀层脱落形成的颗粒也会引起橡胶密封副的过早失效；此外，颗粒嵌入摩擦副表面产生的微切削效应，将加速金属表面的损伤 [33]。迄今，关于软 /硬配副开展磨粒磨损的研究绝大多数依据 ASTM-G6
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