, 程甘霖1, 张兆想1,2, 黄兴3, 贾晓红11. 清华大学 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084;
2. 机械研究总院 先进成形技术与装备国家重点实验室, 北京 100044;
3. 广州机械科学研究院有限公司 国家橡塑密封工程技术研究中心, 广州 510700
收稿日期：2020-12-11
基金项目：国家重点研发计划(2019YFB1505301);国家自然科学基金项目(U1937602)
作者简介：郭飞(1988-), 男, 助理研究员。E-mail: guof2014@mail.tsinghua.edu.cn
摘要：聚合物摩擦磨损问题研究一直是摩擦学领域热点方向之一。在与金属、陶瓷等硬质材料组成的摩擦副中，由于硬度存在着数量级之差，绝大多数关于材料磨损的研究聚焦于硬度较低的聚合物磨损上。实际上，摩擦过程中硬度更大的硬质材料表面有时也会发生磨损，即出现“软磨硬”的特殊现象。针对该问题，综述了近70年来国内外关于聚合物软材料磨损硬质材料表面的研究进展，总结了“软磨硬”的磨损机理及影响因素，归纳了“软磨硬”特殊磨损现象研究面临的挑战和亟待解决的关键问题，并提出了聚合物软材料磨损硬质材料磨损机理研究未来的发展趋势。
关键词：聚合物软材料硬质材料磨损机理影响因素
Research progress on wear mechanism of hard materials worn by soft polymers
GUO Fei1
, CHENG Ganlin1, ZHANG Zhaoxiang1,2, HUANG Xing3, JIA Xiaohong11. State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment, China Academy of Machinery Science and Technology, Beijing 100044, China;
3. National Engineering Research Center of Rubber and Plastic Sealing, Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510700, China
Abstract: Polymer friction and wear has always been important in tribology research. Friction studies of hard material pairs such as metals and ceramics have generally focused on the lower hardness wear due to the order of magnitude difference in hardness. However, the friction can also wear the hard material surface which has led to increasing interest in the wear of hard materials by soft polymers. This paper reviews the research on the wear of hard materials by soft polymer materials for the past 70 years, and summarizes the observed wear mechanism and the factors influencing the hard material wear. This paper then summarizes the challenges and key problems for this special wear phenomenon and future research trends investigating the wear mechanism of hard material worn by soft polymers.
Key words: polymersoft materialshard materialswear mechanisminfluencing factors
聚合物材料具有优异的物理、化学和力学性能，如比质量小、比强度大、耐腐蚀、良好的弹性及回弹、自润滑、成形方便等，是摩擦学领域典型具有一定不可替代性的应用材料，故对聚合物摩擦磨损问题的研究也一直是摩擦学领域热点方向之一。相较于金属、陶瓷等硬质材料，大多数聚合物材料的硬度远小于这些硬质材料的硬度，这符合密封、轴承等经典的软-硬配副摩擦学系统设计理念[1]。由于硬度存在数量级上的差距，目前绝大多数关于材料磨损的研究聚焦于硬度较低的聚合物磨损及改性上。实际上，摩擦过程中硬度更大的硬质材料表面有时也会发生磨损，如改性聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene，PTFE)往复密封磨损镀硬铬不锈钢活塞杆表面的情况，即出现“软磨硬”的特殊现象[2]。与聚合物相比，硬质材料的更换和维护通常更加困难且成本较高[3]，并且硬质材料的磨损在摩擦学系统设计阶段往往会被忽略，一旦产生就可能会导致系统的永久性失效，因此对此问题的研究对于合理选择聚合物-硬质材料摩擦副材料及开发表面工程新技术非常重要[4-5]。然而，现有的经典磨损理论并不能较好地解释聚合物软材料磨损硬质材料这一特殊现象，因此目前尚不能从根本上提出硬质材料异常磨损的抑制技术。本文通过综述聚合物磨损硬质材料的研究现状，归纳总结硬质材料的磨损机理及影响因素，分析现有研究存在的不足，并在此基础上对未来“软磨硬”特殊磨损现象的研究方向和技术发展趋势进行了展望。
1 “软磨硬”磨损机理的研究进展20世纪60年代，Vinogradov等首次公开报道了某些聚合物软材料磨损硬质材料的特殊现象[6]。20世纪70年代末至80年代中期，Gent等开展了干摩擦条件下多种橡胶材料磨损不锈钢剃须刀片、ASTMC1045钢片以及铝铜合金刀片等金属的一系列实验研究[7-8]；Ab-Malek等[9]实验研究了不同金属压头刺穿固体橡胶块表面时的磨损机理并测量了金属材料磨损率；King等[10]研究了在清洁液体和磨料分散液中聚合物对金属的磨损。20世纪90年代，张嗣伟团队[4-5, 11]研究了橡胶在液体介质中对钢的磨损机理，发现丁腈橡胶/钢摩擦副在湿磨粒磨损条件下，钢的磨损量甚至是丁腈橡胶的100倍[11]，他们认为金属被橡胶磨损的主要机制在于橡胶-金属-介质之间发生的表面力化学反应，并据此提出基于表面接枝化薄膜的金属表面处理工艺。进入21世纪，Myshkin等[12]发现硬质材料转移的硬颗粒在对摩过程中有时会被包埋在软质材料里，起到划伤硬质材料的作用；Ludema等[13]发现当尼龙66、聚甲醛树脂等聚合物材料与440C不锈钢对摩时，在剥落的金属碎屑中有铁和铬元素的存在；沈明学等[14]开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型丁腈橡胶密封/316L不锈钢配副磨粒磨损行为的影响研究，发现不同直径颗粒对硬质材料磨损后的形貌影响各异；Park等[15]认为在动态密封件工作环境中，硬质材料的磨损是由于磨粒磨损与疲劳磨损2种机理共同存在。不同****对不同软硬摩擦配副进行的实验与研究结果各不相同，到目前为止，仍缺少聚合物材料磨损金属的一般性规律总结，也难以对聚合物/金属摩擦副的选型给出指导意见。为深入理解聚合物对硬质材料的磨损机理，本文通过归纳现有文献，将磨损机制总结为以下5种类型：黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、化学磨损及其他辅助磨损机制。
1.1 硬质材料表面黏着磨损Giltrow[16]认为聚合物内聚能的大小决定了聚合物与硬质材料黏着过程中的剪切强度，当聚合物软材料与硬质材料发生黏着磨损时，黏结点的剪切通常发生在内聚能较弱(或剪切强度较小)的材料中[17-18]。Zalisz等[19]提出影响材料黏着磨损的3个主要因素：载荷作用下材料的接触变形、材料基体的断裂剥离以及2种材料间的黏着力大小差异。Myshkin等[12]指出，在特定条件下，硬质材料会被转移到对摩软质聚合物表面上，例如青铜被转移到聚合物上。转移的硬颗粒被包埋在软质材料中，并起着划伤母体材料的作用。Ludema等[13]发现当某些剪切强度较高的聚合物销在440C不锈钢表面进行滑动时，如图 1所示[13]，黏着磨损形成的层状转移膜并不完全由聚合物材料组成，金属中的铁和铬元素也会在黏着剪切中流失，从而造成金属的磨损。表 1[13]列出了实验中使用的5种未添加任何腐蚀性物质、直径为13 mm的塑料销与440C不锈钢表面对摩后金属的磨损情况。实验载荷为222 N，滑动速度为1.47 m/s，对摩50 h后通过轮廓测量法测得尼龙66及聚甲醛树脂2种剪切强度较高的塑料对金属造成了磨损。
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| 图 1 聚合物销在钢平面上滑动时钢的磨损模式[13] |
| 图选项 |
表 1 不同塑料与不锈钢对摩时的黏着磨损情况[13]
| 塑料 | 剪切强度/MPa | 摩擦系数 |
| 尼龙66 | 70.5 | 0.66 (金属磨损) |
| 聚甲醛树脂 | 65.5 | 0.65 (金属磨损) |
| Delrin AF (聚甲醛树脂+聚四氟乙烯) | 55.2 | 0.20 (金属未磨损) |
| 尼龙11 | 41.4 | 0.50 (金属未磨损) |
| UHMWPE | 24.1 | 0.55 (金属未磨损) |
表选项
硬质材料与聚合物之间基于化学相互作用的强黏附力构成了聚合物对硬质材料黏着磨损的基础，聚合物大分子间的Van der Waals力虽然不能直接引起转移膜的磨损，但成为硬质材料磨损的重要摩擦阻力分量[20]。一般来说，对于聚合物，黏着界面力与作用于聚合物链之间的力几乎相等，这就导致与硬质材料发生黏着磨损时，磨损一般会发生在聚合物软材料中。但是，当某些聚合物内聚能及剪切强度较大时或者聚合物填充某些增加强度的材料时，黏着界面的断裂则可能发生在某些剪切强度不高的硬质材料中[21-22]。
1.2 硬质材料表面磨粒磨损聚合物与硬质材料之间的磨粒磨损主要受摩擦配副的表面形貌、材料强度以及介质环境等原因共同影响[23]。Briscoe等[24]认为硬质材料的粗糙度对磨粒磨损起着决定性作用。King等[10]认为橡胶造成的钢磨损是由于钢表面松散附着的材料在滑动过程中嵌入橡胶表面产生了三体磨损；磨蚀性环境下影响弹性体对金属磨损率的3个因素是嵌入弹性体中磨蚀剂总量、磨料进入弹性体或聚合物渗透深度、嵌入颗粒与基材的黏合强度。沈明学等[14]开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型丁腈橡胶密封/316 L不锈钢配副磨粒磨损行为的影响研究，发现直径大于63 μm的磨粒会对金属产生明显犁削磨损；直径小于12.5 μm的磨粒对金属磨损后会呈现出“突脊-犁沟-突脊”交替的特殊形貌。
总体来说，只要在摩擦界面存在与硬质材料相等或更大硬度的磨损颗粒，即使磨粒大部分比较软，也会造成硬质材料的磨粒磨损[21]。在聚合物与硬质材料的两体磨损中，某些聚合物复合材料的填充物会对硬质材料磨损产生犁沟，主要取决于2个控制因素：颗粒迎角和摩擦界面剪切强度。在三体磨损的情况下，自由的磨料容易穿透到聚合物表面并作用于对摩硬质材料，从而加剧硬质材料磨损[12]。
1.3 硬质材料表面疲劳磨损聚合物对硬质材料的疲劳磨损主要受自身材料性能与外加工况共同作用；对摩面之间的润滑介质会深入表面萌生的裂纹内部并造成裂纹扩大[25]。Bhushan等[26]认为当聚合物内聚能及韧性达到一定值，硬质材料就可能发生疲劳磨损。Ludema等[13]指出橡胶对硬质材料的磨损机制主要是疲劳磨损，橡胶在高低起伏但没有尖锐凸起的对摩表面滑动，当达到对摩硬质材料表面破坏的疲劳滑动距离时，硬质材料就会发生磨损。Ab-Malek等[9]通过使用多种合金钢圆柱形压头反复穿刺橡胶块，发现影响金属磨损率的主要因素包括金属和橡胶的硬度、橡胶的碳浓度和交联度、金属氧化物的稳定程度，并提出钢的磨损是由于金属氧化物在反复穿刺过程中承受高负荷应力而引起疲劳。Park等[15]认为在动态密封件(如唇形密封件和压缩密封件)中，介入的磨损颗粒会导致经过热处理的钢轴表面发生磨粒磨损，并且密封表面也可能因为磨损颗粒造成次表面的疲劳磨损。
可以看出，聚合物造成硬质材料疲劳裂纹的产生是由材料内部缺陷引起的，硬质材料表面上的痕迹和凹坑，以及次表面区域中的杂质和空隙，均是造成应力集中的原因。由于反复施加应力而逐渐生成的表面和亚表面裂纹都将逐渐生长，直到在一定次数的应力循环后被剥离造成硬质材料的磨损[12]。
1.4 硬质材料表面化学磨损在聚合物与硬质材料摩擦副对摩过程中，界面因摩擦升温造成聚合物、对摩材料与介质之间发生机械化学或电化学反应，造成化学磨损[27-28]。Harris等[29]指出，PTFE分子链在与钢对摩过程中发生断裂生成羧酸盐链端，接枝到金属表面并通过机械化学反应造成金属的磨损。Vinogradov等[6]发现空气中金属环在塑料盘上滑动过程中，塑料大分子链的热氧化降解产物与钢表面会发生机械化学反应，形成转移膜随摩擦脱落后造成金属磨损。Zaitsev[30]发现含反应性基团(例如酰胺、醚、酯和羟基)的聚合物与硬质合金对摩时，硬质合金磨损值较大；但当与玻璃化温度低且不含反应性基团的高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)和PTFE对摩时，则未发现硬质合金的磨损；其他塑料，例如酚醛树脂(phenol-formaldehyde resin，PF)和聚氯乙烯醋酸乙烯酯塑料(polyinyl chloride-acetate，PCA)，对硬质合金的磨损分别是酯基、羟基与硬质合金在空气中发生氧化作用，最后形成氧化物和有机金属聚合物薄膜导致的。张嗣伟等[3]认为橡胶对钢的磨损过程可分为2个阶段：1) 钢、橡胶和介质之间的机械化学反应使得金属表面形成化学反应膜；2) 较硬颗粒的微切割作用使化学反应膜剥离导致金属磨损。Gent等[31]通过实验发现弹性体吸收金属元素的量取决于分子断裂产生的大基团类型，具有相对稳定自由基的弹性体能吸收更多金属，因聚合物基团与金属化学反应生成的金属化合物随着磨损化合物分离后导致金属的磨损；当自由基具有高反应性时，主要参与内部聚合物之间的反应，自由基与金属发生化学作用的概率减少，致使金属的磨损相对较小。Theile等[32]研究了12种聚合物材料在空气、氢气、氦气以及液态氢环境下对钢制圆盘的摩擦磨损，发现氢的还原作用可以促进含氟基聚合物与铁原子发生反应，促进氟化铁的形成；而在氧气氛围下，会有金属-氧-聚合物化合物的形成，同时增大聚合物对钢盘的附着力造成磨损。
综上所述，在含有反应性基团的聚合物与硬质材料进行对摩时，特别是在腐蚀性液体或气体中，2种材料在介质环境中发生机械化学或电化学相互作用后在表面上形成反应产物，通过摩擦去除反应层的同时伴随着硬质材料的磨损[33]。
1.5 辅助磨损机制除以上4种经典的磨损机理，在文献中还能发现自由基辅助磨损机理、氢键辅助磨损机理与摩擦电辅助磨损机理3种不同的辅助磨损机制。Gorokhovskii等[34]认为聚合物分子机械断裂产生的自由基被钢表面吸收致使钢表层变脆，从而产生钢表面磨损。Li等[35]通过实验发现在水润滑条件下，单向运动的超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight，UHMWPE)可能严重破坏钛合金(Ti6Al4V)表面，由此提出了氢扩散辅助磨损理论。Ginzburg等[36]解释了氢扩散理论，认为摩擦可以促进氢在摩擦副中的解离和扩散，会导致金属脆化，使其韧性和延展性显著降低，从而导致金属磨损。Evdokimov等[37]通过聚合物与金属之间的摩擦磨损实验，提出了摩擦电引起的材料转移辅助磨损理论。他们认为摩擦可使聚合物材料产生正、负电荷，而带负电荷的聚合物在摩擦时会引起金属表面脱碳，这降低了金属的耐磨性能致使金属表面磨损。
表 2总结归纳了上文提到的7种硬质材料磨损机理及主要原因。在实际摩擦过程中，聚合物对硬质材料的摩擦磨损往往同时存在2种甚至多种磨损机理。有关聚合物及其复合材料对硬质材料的摩擦磨损机理还有待更深入研究。
表 2 硬质材料表面磨损机理及主要原因汇总
| 磨损机理 | 主要原因 |
| 黏着磨损 | 内聚能较大的聚合物大分子间的Van der Waals力成为剪切强度小的硬质材料磨损的重要摩擦阻力分量[20] |
| 磨粒磨损 | 摩擦界面存在与硬质材料相当或者更大硬度的颗粒，造成硬质材料两体或三体磨损[20] |
| 疲劳磨损 | 硬质材料内部缺陷在循环接触应力作用下，由于材料疲劳而造成裂纹萌生、扩展与脱落[12] |
| 化学磨损 | 含反应性基团的聚合物与硬质材料对摩时，在介质作用下发生化学反应后生成物的剥落[33] |
| 自由基辅助磨损 | 聚合物分子机械断裂产生的自由基导致硬质材料表层变脆，对摩后产生磨损[34-35] |
| 氢扩散辅助磨损 | 摩擦后解离产生的氢会导致硬质材料脆化，后因韧性和延展性显著降低而导致磨损[36] |
| 摩擦电辅助磨损 | 带负电荷的聚合物在摩擦时引起硬质材料脱碳，造成耐磨性能降低而导致磨损[37] |
表选项
2 硬质材料磨损的影响因素聚合物对硬质材料的磨损机理复杂，影响因素众多，不仅在一定程度上由摩擦副自身材料成分决定，而且还会受工况条件、润滑介质、气氛以及表面微观结构等因素的影响。
2.1 材料的影响聚合物高分子材料类别、相对分子质量、分子间作用力大小以及硬质材料化学键差异都会对聚合物材料与硬质材料之间的摩擦磨损性能产生影响[38]。表 3列举了不同材料组合在不同介质中的磨损率[39-43]，表 4列举了PTFE与不同金属对摩的相对磨耗[44]。关于相对分子质量的影响，Davim[45]指出聚合物相对分子质量越大，摩擦学性能越好，对摩擦副磨损量越大。当同类聚合物相对分子质量差异不显著时，材料强度、机械性能及摩擦学性能也没有显著差异。Yamaguchi等[46]用实验研究了HDPE相对分子质量大小对钢的摩擦磨损性能的影响，发现摩擦系数随着HDPE相对分子质量的增大而减小，耐磨性和对钢的磨损量却随着相对分子质量的增大而增大。刘广建[44]通过砂浆磨损法测试发现UHMWPE的砂浆磨耗指数居常见高分子材料之首，比碳钢、黄铜还耐磨数倍。Yamaguchi等[46]与Tanaka等[47]认为聚合物分子结构决定的材料剪切强度是影响摩擦磨损性能的重要因素。张嗣伟等[3]研究了天然橡胶(nature rubber，NR)、丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber，NBR)和丁二烯苯乙烯橡胶(styrene butadiene rubber，SBR)对45号钢的磨损，发现橡胶对钢的磨损程度大小分别是SBR>NBR>NR，橡胶分子链结构越不对称，对45号钢的磨损越大。
表 3 不同材料组合在不同介质中的磨损率
| 接触摩擦副 | 接触条件 | 摩擦条件 | 润滑介质 | 硬质材料磨损率 | 磨损形式 |
| 不锈钢(型号：316LVM)-UHMWPE[39] | 销盘式往复 | 压强: 3.45 MPa 速度: 50×106 mm/a 温度: 28~32 ℃ 测试持续时间: 2 a | 牛血清 | 未记载 | 表面光滑的聚合物与表面明显划痕的金属材料 |
| 不锈钢(型号: 316L)-UHMWPE[40] | 面面接触往复 | 负载: 445 N 速度: 100 cycles/min 温度: 28~32 ℃ 持续时间: 3.7×106 cycles | 牛血清 | 0.17~0.23 mm3/(106 cycles) | 金属表面划痕 |
| 氧化锆陶瓷(型号: Y-PSZ)与氧化铝陶瓷-UHMWPE[41] | 销盘式往复 | 压强: 3 MPa 速度: 60 mm/s 温度: 24~26 ℃ 总滑动距离：65 km | 牛血清 | 氧化锆陶瓷的磨损率比氧化铝陶瓷小40%~50% | 金属表面标记处有明显磨损 |
| 钴铬钼合金(Co-Cr-Mo)-UHMWPE[42] | 销盘式往复 | 压强: 36 MPa 频率: 2.1 Hz 行程长度: 15 mm 持续时间: 2×106 cycles | 去离子水 | 未记载 | Co-Cr-Mo合金销的氧化磨损 |
| Co-Cr-Mo合金-UHMWPE[43] | 面面接触往复 | 压强: 6.90 MPa 速度: 100 cycles/min 持续时间: 3.7×106 cycles | 牛血清/叠氮化钠 | 未记载 | Co-Cr-Mo合金以黏着磨损与磨粒磨损为主、疲劳磨损为辅 |
表选项
表 4 聚四氟乙烯(PTFE)与不同金属对摩的相对磨耗[44]
| 接触面的材质① | 相对磨耗 |
| 碳钢 | 1.0 |
| 铸铁 | 1.0~2.0 |
| 不锈钢 | 1.5~3.0 |
| 铬板② | 10~20 |
| 青铜 | 10~20 |
| 铝合金 | 20~50 |
| 注：①表面粗糙度都是0.41 μm； ②被接触面材质的相对磨耗大。 | |
表选项
总体来说，聚合物和硬质材料因物理、化学、力学性能及表面特性等的不同导致摩擦学性能有着本质区别，当聚合物材料的相对分子质量、机械强度、分子结构对称性与结晶度等材料性质达到一定程度后，对摩的硬质材料就可能会发生磨损。
2.2 工况条件的影响摩擦副摩擦磨损特性是典型的多条件、多因素耦合作用的结果，会随着润滑介质、载荷、速度及温度等工况条件的不同而变化。
1) 润滑介质的影响。Zhang等[48]指出润滑油成分及使用量决定了聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)复合材料对St50-2钢的摩擦磨损性能。钢的磨损主要是因为PEEK材料在摩擦过程中产生的自由基与钢发生机械化学反应，形成有机金属化合物而造成化学磨损。当使用少量柴油润滑时St50-2钢会表现出良好的摩擦磨损性能；当在2 μL/h柴油润滑介质条件下对摩时，会有较高磨损量；当柴油数量持续增加时，又会逐渐减少对摩面的摩擦和磨损。另外，在机油润滑条件下，PEEK基材料的耐磨性能比St50-2钢更高。张嗣伟等[3]指出某些润滑矿物油会自动氧化产生一些对金属具有催化氧化作用的醛、酮和酸等物质，加速润滑油分子链自由基链段与钢表面的化学反应，生成铁聚合物化合物，并接枝到钢表面；而二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)矿物油却能抑制金属氧化而降低橡胶对钢的磨损。
一般来说，润滑介质的存在会改善摩擦副摩擦界面间的摩擦学性能，但在某些会与润滑介质发生机械化学反应的聚合物-硬质材料配副中，会造成硬质材料磨损现象的发生。
2) 载荷的影响。Yamaguchi等[46]与Arnell等[49]指出大部分聚合物与硬质材料在干摩擦条件下，摩擦系数随着载荷的不断增加呈现先增加后减少。但当载荷加大到一定程度后，界面间摩擦系数往往又随之增加[22]。Vinogradov等[6]使用摩擦计测试塑料粉末对钢球的磨损时发现，所有测试粉末对钢球的磨损均随载荷增加而增加，粉状的二苯粉末即使在低载荷下也会导致钢球受到较高的磨损。El-Domiaty等[50]研究了UHMWPE与316不锈钢、钴铬(Co-Cr)合金间的磨损，发现不锈钢磨损量随载荷的增加而增加，6.90 MPa载荷条件下硬质材料的平均磨损率是3.45 MPa下的2倍，在相同负载下Co-Cr合金的磨损率低于不锈钢。Kandemir等[51]研究了碳纤维增强聚醚醚酮(carbon fibers reinforced PEEK，CFR PEEK)、UHMWPE和交联聚乙烯与Co-Cr合金圆盘在5种不同载荷(即1.11、1.38、1.61、2.00和5.30 MPa)下的磨损行为，结果表明在2.00 MPa载荷下合金圆盘磨损率最高，合金圆盘的磨损随着载荷增大呈现先升高后趋稳的趋势。除了载荷大小、方向及接触方式对硬质材料的磨损有影响，Zhang等[52]研究了聚合物球与硬质硅表面间的磨损行为，发现当硅表面法向与载荷方向垂直时硅表面没有磨损，而当接触表面倾斜时摩擦副因承受额外的静摩擦力，加速了磨损裂纹在硬质硅表面上的萌生和扩展，从而造成硅表面磨损。
总结****们的理论与实验结果可以发现，载荷对摩擦学性能的影响不尽相同，但一般认为，载荷大小的不同可以改变聚合物黏弹性转变的温度，从而改变摩擦磨损机制，造成摩擦系数与磨损率的不同[12]。载荷方向的不同可以改变摩擦副的受力情况，进而改变摩擦学特性[52]。
3) 速度的影响。摩擦学性能与速度之间存在复杂的依赖关系，这可以通过聚合物大分子的弛豫特性和理化活性的变化来解释。当聚合物样品的测试温度接近玻璃化转变温度时，出现摩擦系数对速度的强烈依赖性[53]。当与硬质材料对摩时，与速度无关的摩擦仅PTFE、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly-methyl methacrylate, PMMA)和聚苯乙烯(poly-methyl methacrylate, PS)在有限摩擦速度范围(0.01~1.0 cm/s)内发生[54]，不同聚合物与硬质材料的摩擦系数变化关系可以归结为与聚合物的黏弹性行为有关[52]。Grosch[55]认为聚合物与硬质材料之间的摩擦磨损由聚合物分子链的柔性决定，含有线性柔顺分子链的聚合物摩擦学性能与速度密切相关，而含有刚性链的热固性材料的摩擦学性能则与速度关联性不大。Qu等[56]研究了2种不同的钛合金(Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-Mo)在聚四氟乙烯(PTFE)表面分别在0.3和1.0 m/s的滑动速度下的滑动摩擦磨损性能，发现钛合金在较高的滑动速度下摩擦系数和磨损率均较低。
可以看出，在研究速度对摩擦副摩擦磨损的影响中，主要的难题是如何将速度与摩擦温度的影响区分开，当对摩速度增加时温度同时升高，研究摩擦磨损性能时必须考虑摩擦速度与界面温度耦合的影响[34]。
4) 温度的影响。有研究表明，当温度达到聚合物玻璃化温度时，摩擦系数与磨损量最大[57-59]。Ettles等[60-62]通过实验发现当摩擦界面温度升高至聚合物材料融化后形成转移剪切膜时，在摩擦系数减小的同时对摩材料磨损量却增加。Kurdi等[63]研究了PEEK、芳香族聚磷酸酯(poly-phenyl phosphates，PPP)和聚苯并咪唑(poly-benzimidazole，PBI)3种不同高性能聚合物及其复合材料在25 ℃(室温)、150 ℃和210 ℃(高温)3种温度下与钢盘间的摩擦学性能，发现随着温度升高，PEEK复合材料、PBI和PPP的摩擦系数减小；而纯PEEK材料摩擦系数随测温度增加而增加；所有材料对钢盘的磨损量均随着温度增加而增加。
摩擦副产生的热量是材料接触变形以及黏结膜形成与破裂共同作用的结果，故聚合物的机械特性是决定摩擦界面温度从而影响摩擦学性能的重要因素。聚合物的玻璃化温度是影响硬质材料磨损量的重要因素[57-59]。
2.3 表面粗糙度的影响Pogacnik等[64]在研究聚酰胺(polyamide，PA)对钢的磨损时发现当钢表面粗糙度较小时，黏着过程是控制因素；当钢表面粗糙度较大时，磨粒磨损过程占优；钢表面粗糙度过大或过小，钢的磨损都很大，只有当钢表面处于最佳表面粗糙度时，因形成牢固吸附的转移膜可使得钢的磨损量最低。Takadoum[65]报道了不同金属表面状态与聚合物间的磨损行为，并通过实验发现聚乙烯与钢之间摩擦磨损最小的最佳表面粗糙度值分别为0.1与10 μm。
可以看出，不同的摩擦副在对摩过程中存在一个摩擦学性能最佳的表面粗糙度范围，过大或者过小的粗糙度都会造成较大的摩擦系数以及2种摩擦副材料的磨损量。
2.4 气氛的影响Gent等[31]使用叶片磨料机分别研究了异戊橡胶(polyisoprene rubber，IR)和顺丁橡胶(butadiene rubber，BR)对钢的磨损机理，发现钢的磨损在IR表面比在BR表面更快，并且在惰性气体中比空气中更严重；IR中形成的稳定自由基与钢反应形成了铁碳化合物在磨损过程中被清除；相反，在BR中反应性较高的自由基似乎主要在橡胶内部发生反应，致使钢的磨损要少得多。为了详细研究机械化学反应过程，Gent等[8]通过使用不锈钢剃须刀片、ASTM C1045刀片以及铝青铜合金与丁苯橡胶(styrene butadiene copolyme rubber，SBR)、标准马来西亚橡胶(standard Malaysian rubber，SMR)、丁基橡胶(butyl rubber，IIR)、TPR橡胶(添加树脂的热塑性丁苯橡胶)、顺丁橡胶(BR)、乙丙橡胶(ethylene propylene rubber，EPR) 6种橡胶上进行对摩实验，发现当橡胶的硬度和摩擦力都保持恒定时，橡胶对钢的磨损率可以变化约50倍，除IIR对金属的磨损量在空气中约为氮气中的3倍外，其余橡胶在氮气中对金属的磨损量远远高于空气，介于5~50倍之间。Gorokhovskii等[34]观察到当钢板在PMMA上滑动发生磨粒磨损时，摩擦界面加入添加了5%的聚异丁烯(polyisobutylene，PIB)的W2B5陶瓷磨粒粉末，钢板的磨损率提高116%。这种作用在氩气中比在空气中更明显，但是当添加超过10%的PIB时，钢板的磨损量开始下降。Theiler等[32]研究了12种聚合物材料在空气、氢气、氦气以及液态氢环境下对钢制圆盘的摩擦磨损，发现在液态氢中的磨损要比室温或空气、氢气中的磨损小，认为液氢的低温可作为有效的冷却剂消除摩擦热，从而降低了钢的磨损。综上所述，不同的摩擦副在不同气氛中表现出来的摩擦学性能截然不同。
表 5总结归纳了上文提到的4种硬质材料磨损影响因素及主要表现。在实际应用中，需要综合分析各种因素影响，采取相应的表面改性措施与工况优化来抑制和避免不良影响因素导致的硬质材料磨损，防止造成系统性失效。
表 5 硬质材料磨损影响因素及主要表现汇总
| 影响因素 | 主要表现 | |
| 材料 | 当聚合物材料的机械强度、分子结构对称性及结晶度等材料性质达到一定程度后，对摩硬质材料就可能发生磨损[38] | |
| 工况条件 | 润滑介质 | 聚合物-硬质材料摩擦副与润滑介质发生化学反应后造成磨损[3, 48] |
| 载荷 | 载荷大小不同改变了聚合物黏弹性转变的温度，载荷方向的不同改变了摩擦副的受力情况，从而影响摩擦学性能[12, 52] | |
| 速度 | 摩擦速度与界面温度的耦合作用共同影响摩擦学性能[34] | |
| 温度 | 聚合物的机械特性决定摩擦界面温度，其玻璃化温度影响硬质材料磨损量[57-59] | |
| 表面粗糙度 | 过大或者过小的粗糙度都会造成较大的摩擦系数以及2种摩擦副材料的磨损量[64-65] | |
| 气氛 | 不同的摩擦副在不同气氛中表现出来的摩擦学性能截然不同 | |
表选项
3 结语与展望在摩擦副应用系统中“软磨硬”磨损现象并不少见，但现有经典磨损理论并不能较好地解释这一现象，尤其是针对硬度存在着数量级之差的聚合物软材料与钢、硬质合金等硬质材料组成的摩擦副，“软磨硬”的机理解释就更为复杂。虽然对于该机理的研究已经过近70年的历程并取得较多进展，也针对不同情况给出了不同解释机理，但仍然存在很多问题亟待进一步思考与解释。比如现有机理解释只针对特定条件而不具有普适性，材料配副更换后该机理解释可能不再适用；比如“软磨硬”摩擦磨损基础实验数据不充分，对磨损现象理解深度不够，以橡胶磨损钢为例，有****[12-13]认为疲劳磨损诱发为主，而其他****[30, 36]则认为化学磨损诱发或者辅助磨损诱发为主；再比如缺乏有效的改进措施来进一步证明磨损机理，可通过一定改性手段以减少特定硬质材料磨损原因的发生，以验证机理的唯一性和判断的正确性。
为建立“软磨硬”磨损现象的普适性解释机理，下一步研究中，充足的摩擦磨损实验数据是必需的，包括多种聚合物材料以及金属、陶瓷等硬质材料、多种工况、多种表面特征等；借助原位观察测试仪器，实时分析软、硬材料表面变化规律等；采用分子动力学模拟方法，从理论抽象层面研究硬质材料磨损的物理化学原因；利用多种表面改性/改形技术，设计能够控制硬质材料磨损的方法，从而验证各种机理的正确性。
软-硬配副中硬质材料的磨损在摩擦系统设计阶段往往被忽略，然而其一旦产生可能会导致摩擦系统的永久性失效。研究“软磨硬”磨损机理，以期提出抑制硬质材料异常磨损的解决方案，从而减缓摩擦系统的磨损失效，具有重要的理论与工程实践意义。
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