随着科技的进步，聚合物及其复合材料在工程领域的应用日益广泛，越来越多地被用作制造机械零件。特别是在那些存在相对运动和承受负荷的场合，对材料的耐磨性和力学性能提出了更高的要求。因此，研发具有优异减摩耐磨性能的聚合物及其复合材料成为了当前研究的热点。
在相对运动的机械零件中，接触表面在力的作用下必然会产生摩擦，进而导致磨损现象。材料的摩擦学特性与力学性能之间存在着密切的联系，深入探究两者之间的关系，对于优化聚合物及其复合材料的结构设计、配方设计和制备工艺具有重要意义，从而更好地满足实际应用需求并提升使用质量。
尼龙（PA）1010作为一种具有独特优势的工程塑料，因其优异的性能在我国得到了广泛应用。当用于制造齿轮、轴承等承受载荷且有相对运动的机械零件时，其耐磨性能显得尤为重要。
刘玉坤等研究人员通过熔融共混的方法制备了PA1010／硅灰石复合材料，并系统研究了硅灰石填充量对PA1010的挤出和注塑工艺、力学性能以及热性能的影响。本研究在此基础上，重点探讨了该复合材料的摩擦磨损性能，采用扫描电子显微镜（SEM）对其磨损机理进行了深入分析，旨在揭示力学性能、耐热性与摩擦学性能之间的内在联系。
01
实验材料
PA1010：熔点为205℃
硅烷偶联剂：KH-550
硅灰石：长径比小于15：1，长度约20μm
02
试样制备
硅灰石经过硅烷偶联剂改性处理后，与PA1010按照特定比例在高速捏合机中进行均匀混合，随后通过熔融挤出工艺制备出硅灰石填充PA1010复合材料[8]。根据性能测试的需求，将复合材料进行注射成型以制备试样。在复合材料中，硅灰石的质量分数分别设置为10%，20%，30%，40%，50%，60%和70%。
03
结果与讨论
摩擦系数和磨损量
图1展示了PA1010及其复合材料的摩擦系数随时间变化的曲线。纯PA1010的摩擦系数最大，且波动较为剧烈，达到摩擦稳定状态所需的时间较长，即跑和时间（从摩擦开始到摩擦稳定的时间）较长。随着硅灰石的添加，摩擦系数呈现逐渐减小的趋势，并且能够迅速进入摩擦稳定期。
a—硅灰石质量分数为0%，10%，20%，30% 的PA1010／硅灰石复合材料；
b—硅灰石质量分数为0%，40%，50%，60%，70% PA1010／硅灰石复合材料
图1 不同硅灰石含量的PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数随时间的变化曲线
根据图1数据，绘制了各试样摩擦系数与硅灰石含量的关系曲线，如图2所示。随着硅灰石含量的增加，摩擦系数呈现逐渐降低的趋势。纯PA1010的摩擦系数为0.53，当硅灰石质量分数从10%增加到70%时，摩擦系数几乎呈线性下降，在硅灰石质量分数达到70%时，复合材料的摩擦系数降至0.29，仅为纯PA1010摩擦系数的54.7%。这一结果表明，硅灰石的加入显著降低了PA1010的摩擦系数，有效提升了其耐磨性能。
图3描绘了体积磨损量与硅灰石含量的关系曲线。PA1010／硅灰石复合材料的体积磨损量随着硅灰石含量的增加而减少。纯PA1010的体积磨损量为1.76mm3，当硅灰石质量分数为10%时，磨损量降至0.72mm3，仅为纯PA1010的40.9%；而在硅灰石质量分数达到70%时，PA1010／硅灰石复合材料的磨损量最小，为0.20mm3，仅为纯PA1010的11.4%。由此可见，硅灰石的加入能够显著改善PA1010的耐磨性能。
图2 PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数与硅灰石含量的关系
图3 PA1010／硅灰石复合材料体积磨损量与硅灰石含量的关系
摩擦磨损机理分析
通过磨损表面的形貌分析，可以揭示材料的磨损机理，为材料的改性提供理论支持。本研究采用SEM技术观察了纯PA1010及其PA1010／硅灰石复合材料的摩擦表面，其照片如图4所示。
（a）
(b)
(c)
a—纯PA1010 ；b—硅灰石质量分数为20% 的PA1010／硅灰石复合材料； c—硅灰石质量分数为70% 的PA1010／硅灰石复合材料
图4 纯PA1010 及PA1010／硅灰石复合材料的摩擦面的SEM照片
从图4a可以看出，纯PA1010的磨损表面受损严重，凹凸不平，存在明显的粘着和熔融现象，同时可见胶合后的撕裂痕迹。这说明PA1010在摩擦过程中主要经历了粘着磨损和疲劳磨损，并伴有少量的磨粒磨损。随着摩擦时间的延长，摩擦表面之间开始产生摩擦热，并且随着摩擦的进行，摩擦接触面处的温度不断升高。当温度接近PA1010的熔融温度时，试样开始出现熔化现象，产生熔体流动，导致摩擦球与PA1010之间粘着在一起。在往复摩擦的过程中，粘着点被进一步撕裂，从而加剧了粘着磨损现象。当摩擦面接触处的PA1010基体所受应力达到受压屈服极限时，试样发生形变，导致试样受力增大，最终PA1010基体产生应力开裂，进一步出现疲劳磨损。
从图4b和图4c可以看出，加入硅灰石的复合材料的摩擦磨损表面较为平整光滑，硅灰石含量越高，复合材料的磨损面越平整，图4c中主要观察到较为轻微的犁沟现象。无机刚性硅灰石的加入增大了复合材料的承载力，从而增强了耐磨性，这与摩擦系数和磨损量的降低结果相一致。
摩擦磨损性能与力学性能的关系
如前所述，随着硅灰石含量的增加，摩擦系数和磨损量逐渐降低。前期研究已经表明，PA1010／硅灰石复合材料的拉伸弹性模量也显著提高。图5展示了硅灰石质量分数分别为0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%的PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数和磨损量与拉伸弹性模量的关系曲线。拉伸弹性模量越大，摩擦系数和磨损量越低。拉伸弹性模量反映了材料的硬度，拉伸弹性模量越大，材料越硬，摩擦面不易受损，耐磨性越好。
图5 PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数和磨损量与拉伸弹性模量的关系
图6 PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数、磨损量与热变形温度关系
04
结论
（1）硅灰石的加入，显著降低了PA1010与钢材间的摩擦系数和磨损量，到达摩擦稳定的时间缩短。
（2）纯PA1010主要为粘着磨损和疲劳磨损，并伴随着少量的磨粒磨损，随硅灰石的加入磨损减轻，当硅灰石的质量分数为70% 时只有轻微的犁沟现象。
（3）硅灰石含量越多，复合材料的拉伸弹性模量越大，热变形温度越高，摩擦系数和磨损量越低，复合材料的耐磨性越好。