纳米填料的工作方式及其对摩擦学系统中转移膜的影响

在这次采访中，Azom与GGB的高级摩擦学家Marco Enger进行了交谈，讨论了纳米填料如何影响摩擦学系统中的转移膜。

您能介绍GGB和公司的产品和服务吗？

GGB是一家摩擦学公司，可提供减少摩擦的技术。我们通过提供多种材料来做到这一点。亚博网站下载金属聚合物是GGB最著名的，但我们还制造了工程化的塑料，纤维增强的复合材料，金属和双金属。

最近，我们增加了将聚合物直接涂在客户零件上的能力。在这方面，GGB是独一无二的，因为我们同时提供聚合物本身和涂料操作。

转移和滑动电影的理论基础是什么？这如何为GGB的工作提供帮助？

典型摩擦学系统包括四个组件；两个接触表面，环境和润滑 - 接触的两个表面之间的介质。该星座称为系统结构。

摩擦学系统还包括作用于系统结构的集体应力（负载，速度和温度）。系统结构元素之间的相互作用会导致摩擦和磨损。

摩擦学系统可能非常复杂。相对速度的范围从0.001到每秒几米，即三到四个数量级。运动类型也可以改变 - 可能是连续旋转，振荡或线性往复。可以观察到类似的载荷。温度的范围从冰点低到很高。

每个表面都有多种材料。亚博网站下载

在干燥滑动条件下，基于聚合物的滑动材料可以在称为转移膜的金属柜台表面上形成薄薄的保护膜。亚博网站下载在滑动过程中，复合表面也经过修改 - 该修饰层被称为滑动膜。

滑动膜是聚合物顶部表面积的变化。这可能是表面或体积化学的变化，微观结构的变化，机械性能的变化或它们的任何组合。

转移膜是将材料从表面直接转移到另一个表面。

转移膜非常薄，但是在干燥滑动场景中非常重要，因为它是一个保护层，可以掩盖反表面，减少表面相互作用并控制磨损和摩擦。良好的传输膜应薄而一致。

这些原理已经为GGB材料的开发提供了信息，包括匹配聚合物，金属聚合物，纤维增强的复合材料和涂层表面。亚博网站下载我们的目标是能够在各种情况下控制转移膜的形成，以更好地防止磨损和摩擦。

摩擦学系统。

图片来源：GGB

哪些因素影响转移膜的质量？

在整个相对运动中，自润滑的复合材料能够在攻击计数器面上形成转移膜。在靠在更硬的柜台上滑动时，这些材料的不可避免的磨损会产生磨损亚博网站下载。这种碎片可以从接触区逸出，或者理想情况下可能会沉积在柜台表面上。

整个永久粘附的碎片构成了转移膜，这有可能保护接触免受进一步的磨损损害。当电影具有高质量时，可以达到更高的保护率。

转移膜的质量通常与其特定的微观结构特征有关。薄膜的形成需要保持一致和统一，并且转移膜需要具有足够的覆盖率。

这部电影的另一个基本特性是它的鲁棒性。鲁棒性与电影承受持续的摩擦学压力作用的能力有关。我们还认为，转移膜的质量受相关摩擦学系统决定的不同因素的影响。

转移膜也可以理解为对特定摩擦学系统的响应，因此受到诱导的集体应力，相反表面的特定特性曲线的影响，自润滑材料的组成以及最有可能的条件周围的气氛。

转移膜如何设计和开发？

实际上，我们不会开发转移电影。

我们设计具有正确组合亚博网站下载的材料，即使在苛刻的操作条件下，也可以增强其形成强大传输膜的能力。

作为材料设计师，更改众所周知的材料始终是将新功能传授到材料中的好起点。

增强传输膜形成的潜在方法非常广泛，例如通过复合材料中的不同体积分数来改变结构结构或更改材料的组成。

使用其他填充剂是一种有希望的修改方法，用于增强活性材料形成更好，更健壮的传输膜的能力。亚博网站下载还可以使用不同填充剂的组合来产生协同作用并改善整体组成。

典型的幻灯片活性聚合物化合物是该研究的主题。该化合物由用PTFE颗粒修饰的热塑性聚合物矩阵幻灯片组成。yabo214添加纳米颗yabo214粒以增强化合物的转移膜形成能力。

这项研究中使用的第一批纳米燃料是氧化陶瓷性质，平均直径为50纳米。第二个粒子是平均直径约为25微米的碳同素同素异形体。这些颗粒的厚度为5-8纳米。yabo214

您如何在摩擦学上描述此类材料？亚博网站下载

当我们创建新的化合物或复合材料时，将使用具有各种边界条件的摩擦学测试方法对其进行测试。这还包括监视性能和转移膜的变化。关键目标是了解不同的拼图零件如何结合在一起。

测试方法包括简单的模型测试，还包括高级组件测试。在这两种情况下，我们都采用定义的集体应力（P和V），并随着时间的推移测量材料对的摩擦力，温度和磨损。

此外，材料的模型和仿真测试仅允许在应用程序和测试环境的特定操作条件相同时对特定现实生活应用亚博网站下载中的摩擦学行为进行估计。

基础研究是使用简单且抽象的模型测试仪进行的。但是，为了模拟实际应用，可以使用典型的期刊轴承钻机进行测试。

什么因素会影响金属聚合物接触的磨损性能？

许多干燥的操作轴承复合钢对通常会在其一生中发生两种特征性摩擦和磨损阶段。它们通常从较高的摩擦开始，该摩擦力在覆盖的滑动距离内下降，直到达到稳态相（低操作摩擦）。

这种对的磨损特征也可以分为两个阶段。第一阶段的特征是高磨损坡度，并且磨损速率降低，直到达到操作性能窗口为止。在此阶段，经常观察到线性磨损特性。

增加PV组合通常会导致更高的磨损。高速是至关重要的，尤其是在达到聚合物基质的玻璃过渡温度时。这导致聚合物状态发生变化，这导致机械性能的降低通常伴随着降低磨损动作的耐药性。我们还看到，这往往会导致过早失败。

当经历高聚合物磨损时，反表面粗糙度可能是主要因素。这伴随着主导磨损机制的变化。

例如，对于粗糙的表面，磨料磨损动作主导着，而对于光滑的表面，粘合剂相互作用更为常见。同时，中等粗糙的柜台表面通常会导致低磨损，因为它们促进了稳定的转移膜的建立。另一个合理的解释是粘合剂和磨料相互作用之间的平衡。

这两个例子表明摩擦和磨损不是内在的材料特性。它们是系统响应。

纳米填料的合并对磨损性能产生了巨大影响。

当使用纳米化合物时，系统行为完全改变了，早期失败的系统转变为表现良好的系统。这可能是由于对磨损动作的更高，更健壮的保护，或者可能是由于早期形成了强大而保护性的转移膜。或两者的协同组合。

将纳米燃料列入聚合物复合材料时，初始磨损速率和操作磨损速率都可以降低。我们的测试显示，当我们在协同作用中添加纳米填料时，磨损率降低了三到四倍，并且明显减少了初始材料消耗，这确保了更长的磨损寿命。

磨损性能比较。

图片来源：GGB

哪种工具用于表征转移膜的质量和特性？

我们可以使用多种不同的方法来表征转移膜。数字显微镜是一种易于使用和快速的工具，但是它有一些局限性。

典型的图像显示传输膜和周围区域之间的对比度有限，从而使转移膜检测具有挑战性。这些问题取消了此方法的资格，作为使用其他图像处理工具对转移膜质量进行定量评估的基础。

SEM成像相对较慢，但是它提供了传输膜的高质量和高对比度图像。

我们使用反向散射电子检测，因为它与标准二级电子检测相比提供了附加优势。这种模式强调了材料对比，同时抑制了地形细节。这些高对比度图像非常适合使用图像处理软件进行进一步的定量分析。

互补的微型和纳米结构研究可用于获得有关转移膜的结构深度曲线的其他信息。一种典型的方法是使用聚焦离子束生成纳米截面。通过将扫描电子或透射电子显微镜应用于这些切片来评估纳米结构特征。

可以使用典型的分析工具（例如能量色散X射线光谱，X射线光电子光谱和傅立叶变换红外光谱法）确定转移膜的化学性质。

标准化合物产生的转移膜显示出非常弱的覆盖率。聚合物沉积主要在计数器表面的负粗糙度特征中发现。这种柜台面部掩盖不足不会减少表面相互作用。

使用纳米化合物观察到增强的传递膜质量。转移膜的覆盖范围很高。我们还观察到转移膜涵盖了高原样的地形结构。

负粗糙度特征仍然充满聚合物。转移膜形态的这种改变表明转移膜和反表面之间的键合机制发生了变化。键合从纯机械锚定为化学机械键合。

图1。转移膜形态：由纳米化合物形成的转移膜。

图2。转移膜形态：由标准化合物形成的转移膜。

图片来源：GGB

如何定量分析转移膜以确定其质量？

分析大量数量可能非常耗时SEM图像。我们分析这些图像的方式每天都会改变，而客观的工具就是缺少的。

另一个问题是，诸如薄，依从性和覆盖率之类的定性特征不容易与摩擦学数据相关。为了克服这些缺点，我们与曼海姆大学合作开发了一种MATLAB算法，可用于定量地表征转移膜的质量。

该算法确定聚合物斑块之间的自由空间长度。换句话说，它决定了聚合物斑块的几何密度。

它还决定了传输膜的覆盖率，并可以区分膜的厚区域和薄区域。

为此，该算法从顶部到底部从左至右扫描SEM图像。该算法忽略了黑暗的区域，当检测到白色区域时，正方形向X和Y方向展开，直到正方形边界到达黑暗区域。然后记录正方形的尺寸。

在使用SEM图像之前，我们需要使用图像预处理步骤清洁它们。这些步骤可能包括裁剪区域，这些区域可能被错误地识别为传输膜，并将图像中的灰度从255个灰度降低到三个。

在标准化图像中，白色区域代表不存在膜的转移膜中的局部空隙，浅灰色区域代表薄膜，黑色区域代表厚膜或厚聚合物斑块。

噪声过滤器也可以应用于整个图像，以删除没有直接邻居的单像素。也可以应用中位过滤以进一步降低像素噪声。

此过程已在柜台表面盘的三个不同区域完成。我们倾向于在不同的宏伟元素下运行该算法，以确保有关转移膜质量的足够可靠的统计数据。

发现了磨损性能与传输膜斑块之间的自由空间长度之间的良好相关性。在许多情况下，覆盖率也与摩擦学表现相关，这表明需要最低覆盖率来促进最佳的磨损性能。

评估转移膜关键特征的算法。

图片来源：GGB

工作步骤图像预处理。

图片来源：GGB

传输膜关键特征与磨损性能。

图片来源：GGB

关于Marco Enger

Enger拥有博士学位。在机械工程领域拥有超过10年的摩擦学，摩擦学和所有相关子主题的经验。2014年，他成为GGB的高级摩擦学家，并负责与摩擦学有关的所有基本研究工作。在加入GGB之前，他曾在曼海姆大学的摩擦学能力中心工作。

关于安德烈亚斯·凯勒

安德烈亚斯·凯勒（Andreas Keller）是曼海姆应用科学大学的能力中心摩擦学（CCT）的研究员。亚博老虎机网登录他有M. Sc。在机械工程和8年的摩擦学和底层经验中。这次，他曾在几个公共资助的项目中工作，除其他方面，分析了CFRP的碳化钨 - 卡比德工具的磨损机制，测试了用于齿轮油的新型添加剂配方，并与GGB一起研究了PTFE转移膜形成。

此信息已从GGB提供的材料中采购，审查和调整。亚博网站下载

有关此消息来源的更多信息，请访问GGB。