SrO·6Fe2O3磁性丁腈橡胶的摩擦、磨损机理与热氧老化研究

论文摘要

丁腈橡胶（NBR）是一种非常重要且用量很大的工业材料,其具有优良的耐油、耐热和耐腐蚀性。丁腈橡胶密封件广泛应用于机械、电子、交通、石油化工、冶金、航空等领域。在高速、高低温、强腐蚀等恶劣工况下,性能不断提高的各种机械电子设备对橡胶密封件的性能要求也日益严格。为了提高密封件的工作能力,除了要考虑密封材料必须的力学性能、弹性和耐油性外,还必须最大限度地提高材料的抗磨、减摩性能,掌握橡胶密封制品的贮存寿命和使用寿命,以及了解密封用橡胶材料的评价指标,从而进行不同密封用橡胶材料之间或同一种密封用橡胶材料不同性能之间的发展程度的比较,最终选择出最适合使用条件的橡胶材料。本研究课题在总结了前期对填充0%16%Fe3O4的丁腈橡胶的研究,以及调研了国内、外橡胶密封现状和发展的基础上,提出了应用具有尺寸小、比表面积大、表面间形态不同于颗粒内部、表面原子配位不全、表面活性强等特性的纳米磁性粒子对广泛应用的丁腈橡胶进行改性。通过干法混炼制备了纳米SrO·6Fe2O3磁性复合丁腈橡胶。试验表明,当丁腈橡胶填充少量未经分散和表面改性处理的纳米SrO·6Fe2O3磁性粒子后,丁腈橡胶的摩擦系数有一定的降低,且在10%时达到最小值。此后加大磁性粒子填充量,试样的摩擦系数值明显大于纯NBR。而且纳米SrO·6Fe2O3磁性粒子在丁腈橡胶材料中的质量分数不同,材料的磨损形式也不同。随着填充质量分数的增加,材料的磨损形式由犁削和粘着磨损逐步转变为粘着、疲劳剥落。当填充质量分数超过15%后,由于大量磁性粒子的团聚,使得抗磨减摩效果并不明显。磨损量出现了与摩擦系数同样的变化过程。而填充经过分散和表面改性处理的纳米SrO·6Fe2O3磁性粒子后,不论填充量的大小,均使得丁腈橡胶的摩擦系数和磨损量均有了大幅度的降低,且在10%时摩擦系数达到最小值0.2069。这是因为经过分散和表面改性处理的纳米SrO·6Fe2O3磁性粒子不仅能稳定地保持单个颗粒存在而不发生团聚,且与丁腈橡胶基体的亲和性增强,从而均匀地分散在丁腈橡胶基体内,而且每个颗粒仍能保持很高的表面能与表面活性,因而其有利于加强丁腈橡胶在摩擦副表面上形成物理吸附膜,该物理吸附膜在摩擦表面具有自修复功能,从而起到了抗磨减摩作用。本研究课题通过对磁性SrO·6Fe2O3丁腈橡胶复合材料进行热氧老化试验研究,利用高分子材料性能变化与老化时间关系式及阿累尼乌斯方程进行了理论推导和数学计算,分别得到了磁性橡胶密封材料在贮存温度下的伸长率保持率与贮存时间、温度的变化规律,以及磁性橡胶密封件在贮存温度下的压缩永久变形与贮存时间、温度的变化规律,建立了其在贮存温度下性能与时间变化的预测方程,预测了该密封材料的贮存以及使用寿命。对以伸长率保持率和压缩永久变形预测贮存和使用寿命结果的进行对比后发现,当纳米SrO·6Fe2O3磁性复合丁腈橡胶用于制作动密封件时,具有较低的摩擦系数;用于制作静密封件时,具有较高的寿命。通过讨论可知,橡胶材料的老化对静密封件的使用寿命起到了决定性作用,而橡胶与金属接触面之间的摩擦系数对动密封件的使用寿命起到了决定性作用。本研究课题基于密封用橡胶材料的使用和评价特点,建立了评价指标体系流程,并明确了评价目的;分析了评价的主要内容为橡胶材料的配方构成、基本性能状况、摩擦磨损情况、老化现象、特殊性能、以及使用经济性等方面;确定了评价指标选取的原则,即科学性、简洁有效性、普遍性、定性指标与定量指标相结合、连续性原则;明确了评价指标体系的功能,即评价功能、监测功能、指导功能、决策功能;建立了评价指标体系。通过实例分析可知此评价指标体系能够对不同密封用橡胶材料之间或同一种密封用橡胶材料不同性能的发展程度的进行比较,从而实现密封用橡胶材料科学、合理发展的评价目的。本研究课题设计了采用纳米磁性橡胶的轴封组合机构,其不仅具备较低的摩擦因数和磨损率,而且有良好的自修复能力和自密封性能,有效地提高了轴封的密封能力。通过仿真与试验发现,后唇角对油封的稳定性起着重要作用,当系统压力较大时,后唇角宜取较小的值,系统压力较低时,后唇角可以适当取大点。最后简单讨论了纳米SrO·6Fe2O3磁性复合丁腈橡胶在密封中的应用以及使用分类情况。

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摘要

Abstract

插图索引

附表索引

主要符号

第1章绪论

1.1 引言

1.2 本研究课题的学术背景

1.3 本研究课题的理论与实际意义

1.4 本研究课题的目的及主要内容

1.4.1 本研究课题的目的

1.4.2 本研究课题的主要内容

1.5 本研究课题的创新点和关键性问题

1.5.1 本研究课题的创新点

1.5.2 本研究课题的关键性问题

1.6 本研究课题的来源

20₃ 磁性复合丁腈橡胶的制备'>第2章纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶的制备

2.1 橡胶的补强

20₃ 磁性复合丁腈橡胶的配方'>2.2 纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶的配方

2.2.1 试验原料——磁粉的选择

2.2.2 试验原料——橡胶材料的选择

20₃ 复合磁性丁腈橡胶的配方'>2.2.3 SrO·6Fe₂0₃复合磁性丁腈橡胶的配方

20₃ 复合磁性丁腈橡胶的加工'>2.2.4 SrO·6Fe₂0₃复合磁性丁腈橡胶的加工

2.3 本章小结

20₃ 磁性复合丁腈橡胶的摩擦、磨损理论'>第3章纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶的摩擦、磨损理论

3.1 橡胶的摩擦理论

3.1.1 橡胶磨合摩擦机理

3.1.2 橡胶点接触摩擦机理

3.1.3 橡胶线接触摩擦机理

3.2 橡胶的磨损理论

3.2.1 磨损的定义与基本特征

3.2.2 磨损的类型

20₃ 丁腈橡胶的摩擦、磨损性能测试'>3.3 SrO·6Fe₂0₃丁腈橡胶的摩擦、磨损性能测试

3.3.1 试验方法

3.3.2 试验结果与讨论

20₃ 磁性粒子的分散与表面改性处理'>3.4 纳米SrO·6Fe₂0₃磁性粒子的分散与表面改性处理

3.5 本章小结

20₃ 磁性复合丁腈橡胶的热氧老化性能研究'>第4章纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶的热氧老化性能研究

4.1 橡胶材料老化的国内外研究现状

4.1.1 橡胶加速老化试验方法

4.1.2 橡胶寿命预测

4.1.3 受力状态下的老化试验研究

4.2 理论基础

4.2.1 引起橡胶老化的因素

4.2.2 橡胶的热氧老化机理

4.2.3 影响橡胶老化性能的因素

4.3 橡胶制品寿命预测的研究

4.4 热氧老化试验研究

4.4.1 试验设备

4.4.2 试件制作

4.4.3 性能测试

4.4.4 试验结果

4.5 贮存寿命的预测

4.5.1 橡胶材料贮存寿命的预测

4.5.2 橡胶密封制品贮存寿命的预测

4.6 使用寿命的预测

4.7 本章小结

第5章密封用橡胶材料的评价体系的研究

5.1 评价指标体系的建立流程

5.2 评价目的和内容

5.2.1 评价目的

5.2.2 评价内容

5.3 评价指标选取的原则

5.4 评价体系的功能

5.5 评价体系的建立

5.5.1 密封用橡胶材料的基本性能指标

5.5.2 密封用橡胶材料的力学机械性能指标

5.5.3 密封用橡胶材料的物理性能指标

5.5.4 密封用橡胶材料的化学性能指标

5.5.5 微观分析方法

5.5.6 密封用橡胶材料的摩擦、磨损性能指标

5.5.7 密封用橡胶材料的老化性能指标

5.5.8 磁性密封用橡胶材料的磁性能指标

5.5.9 经济性

5.6 实例分析

5.7 本章小结

20₃ 磁性复合丁腈橡胶密封件的设计和应用'>第6章纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶密封件的设计和应用

6.1 橡胶密封

6.1.1 橡胶密封件的工作机理

6.1.2 影响密封结构密封性的因素

20₃ 磁性丁腈橡胶中高压密封圈的设计'>6.2 SrO·6Fe₂0₃磁性丁腈橡胶中高压密封圈的设计

6.2.1 纳米锶铁氧体复合橡胶密封件的特点

6.2.2 纳米锶铁氧体复合橡胶密封结构

6.2.3 仿真与试验结果分析

20₃ 磁性复合丁腈橡胶在密封中的应用'>6.3 纳米SrO·6Fe₂0₃磁性复合丁腈橡胶在密封中的应用

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

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