0 前言

橡胶材料作为高分子材料之一，在经济发展和日常生活中有着不可或缺的作用。它因为具有黏弹性强、摩擦因数较高、耐磨耐油等特性，被广泛应用到军用装备、交通运输、航空航天、建筑等行业中。其摩擦特性对橡胶产品的性能和寿命有着决定性的影响，例如橡胶密封圈的耐磨性^[1]，橡胶轮胎的耐磨性、耐油性以及其抗湿滑性能等特性^[2-4]。针对不同的应用领域，对橡胶材料的需求各有不同。汽车轮胎在湿滑路面上由于水膜润滑作用会导致摩擦力明显减小，当行驶速度加快时，水膜产生的弹性流体动压力会对轮胎产生上抬作用，使轮胎容易出现滑水现象^[5-7]。因此，对于汽车轮胎领域，橡胶材料需要一定程度的增摩才能拥有更好的刹车和抗湿滑性能，提高车辆驾驶的安全性。而对于密封器件等产品，减小橡胶材料的摩擦因数，可以降低材料的摩擦生热效应、改善材料的老化状态。

为了改善橡胶材料的摩擦特性，国内外许多学者也对此进行了大量的理论分析和试验探究，例如改变橡胶的表面特性^[8]、黏弹特性^[9]、材料^[10]及其成分^[11]、橡胶和路面表面形貌的影响^{[7, 12-13]}等。1963年，GROSCH^[14]研究了橡胶材料的动态特性对轮胎胎面抗湿滑特性的影响，以速度、温度等为变量研究了这些因素对橡胶抗湿滑特性的影响，模仿WLF方程，获得橡胶滑动速度和温度对抗湿滑性能耦合作用的规律曲线，为橡胶动态性能对其抗湿滑性能的影响研究奠定了基础。PAN^[15]在丁苯橡胶的胶基基础上填入不同填料，制成不同黏弹性的橡胶化合物，通过改变乙醇和水的初始液量来改变润滑条件，在硅酸盐水泥混凝土表面上对橡胶进行了湿摩擦试验。结果表明，乙醇润滑下的滑动摩擦明显低于水润滑条件下。水润滑条件下填充炭黑的橡胶摩擦因数比填充二氧化硅低。DO等^[16]针对路面微观形貌和水膜厚度对橡胶摩擦特性的影响建立了连接模型，研究发现表面润湿后摩擦因数会明显减小，并且随着水膜厚度的增加摩擦因数会不断减小，同时还提出了临界水膜厚度的概念，在该水膜厚度下橡胶摩擦因数会急剧减小。HEINRICH等^[17]建立了转变温度和拉伸形变下的动态滞后损失tan＆与橡胶抗湿滑性能的联系性，发现相关系数高达0.96，研究认为tan &作为动态性能的表征参数与抗湿滑的相关性较好。FENG等^[18]研究了表面粗糙度对橡胶表面的摩擦磨损特性的影响，分析比较橡胶在不同表面形貌的钢板上的摩擦因数，发现当钢表面有适当的表面粗糙度值时，可以实现较小的摩擦因数，从而提出橡胶在金属表面滑动的最佳表面粗糙度值。IDO等^[19]研究了橡胶表面形貌对其湿滑摩擦特性的影响。他们用不同黏弹特性的橡胶材料制备不同表面粗糙度的样品，并在水润滑条件下与刚性表面进行滑动测试，研究发现滞后摩擦的作用随着橡胶的表面粗糙度的增加而变得更加明显，由润滑引起的抑制黏附摩擦的作用随着表面粗糙度的降低也愈加显著，从而证明橡胶表面形貌在确定水润滑条件下的摩擦因数中的重要性。张彦辉^[20]采用数值模拟的方法研究了胎面花纹对轮胎胎面胶抗湿滑特性的影响，并对花纹结构的排水功能和压力分布进行了相关探究，发现斜对角、抛物线型和交叉花纹的抗湿滑性能普遍较好。

以上关于橡胶摩擦界面的研究主要针对橡胶材料本身的黏弹特性（改变PDMS主剂与固化剂的比例）、表面改性、橡胶的材料成分组成及比例（不同种类和粒径的炭黑）、外界工况（载荷、速度、温度等）和简单的二维表面形貌参数展开，而对于橡胶表面相对规则的微织构阵列（尤其是微观凸织构） 所诱导的润湿性规律和织构本身的结构特性对橡胶接触界面摩擦学特性的影响却缺乏较为系统的研究，而大量的研究表明，表面形貌对摩擦界面润湿性和摩擦特性影响显著。本文拟通过改变橡胶表面织构类型和形貌参数，来研究微观凸织构及其润湿性变化对橡胶滑动界面摩擦特性的影响，以期为橡胶接触界面的摩擦学设计与调控奠定一定的理论基础。

1 试验设计

1.1 试样制备

选择直径为6mm的GCr15滚动轴承钢球作为上试样，硬度为HRC63。在试验之前将钢球放在无水乙醇中超声清洗25min，再用去离子水漂洗3min，最后用无尘纸将其擦干，以便得到洁净无污染的上试样，清洗后的钢球表面粗糙度Ra=0.21 μm。

试验采用激光打标、研磨及转印固化的方式来制备PDMS下试样，其制备步骤如图1所示。先利用YLP-F10光纤激光打标机在金属铝片表面制造预设参数的微凹坑织构，然后通过砂纸打磨对微织构表面进行去毛刺处理，再放入丙酮溶液超声清洗2h后拿出，用去离子水冲洗后烘干，烘干后的金属铝片即可作为PDMS转印模具。将PDMS主剂和固化剂按照10∶1的质量比混合，充分搅拌10min后放入真空罩中静置至无气泡。最后将抽完真空的混合胶液缓慢浇注在铝片模板上，并水平放到80℃烘箱内高温固化10h，完全固化后即可揭下带有凸织构的PDMS试样。

试验所采用的转印模板基底材料为5052铝合金薄片，厚度为1mm，表面粗糙度Ra=0.25 μm，可视为近似光滑。设计的凸织构参数类型分别为形状、面积占有率、直径、高度。形状参数为圆形、正方形、矩形（平行长边方向对磨）、矩形（垂直长边方向对磨），样品代号分别为M₁、M₂、M_3∥、 M_3⊥；面积密度参数为10%、20%、30%、40%，样品代号分别为M₄、M₅、M₆、M₇，直径参数分别为0.2、0.3、0.4、0.5mm，样品代号分别为M₈～M₁₁；高度参数为30、45、80 μm，样品代号为M₁₂、M₁₃、M₁₄。下试样形状为长方体块状，底面积为50mm²，厚度为3mm。其三维形貌如图2～5所示，表1为PDMS试样表面凸织构参数值。

1.2 试验设备与方法

图6 所示为自制研发的线性往复式摩擦试验机，上试样钢球固定在L型夹具的沉头孔内，再将夹具固定在上滑台两弹性板板端，而下试样固定在金属板上，再用螺钉将金属板固定在力传感器上方的过渡板上。利用Labview程序软件控制伺服电机转速并通过联轴器连接位移滑台从而实现下试样的线性往复运动，设置往复行程为6mm，往复平均速度为1mm/s，往复周期为100，通过调节Z轴位移控制载荷为3N（研究载荷变量的影响时为0.5～4N），其他试验参数如表2所示。试验所选取的润滑剂为纯水基切削液与蒸馏水的混合溶剂，通过控制水基切削液与蒸馏水的质量比，得到不同润湿特性的润滑剂。试验中控制试验机载荷、速度和润滑液比例不变，改变试样表面织构参数。每组摩擦试验独立重复三次，取三次试验的平均值作为最终结果。接触角测量试验在SL200KS界面张力仪上进行，每个样品独立重复测量三次接触角，取平均值作为最终的接触角大小。

2 试验结果与讨论

2.1 接触载荷与润滑液类型对橡胶滑动界面摩擦特性的影响

图7 为不同载荷下橡胶滑动摩擦因数(干摩擦条件下)随时间变化的曲线。从图可以发现，干摩擦条件下接触载荷对橡胶表面摩擦特性影响显著，其滑动摩擦因数会随着载荷的增大逐渐减小，且载荷越小其滑动过程中的磨合阶段越明显。呈现这种趋势的原因一方面是由于橡胶材料本身的黏弹特性，钢球在光滑橡胶表面滑动时，橡胶的黏弹特性会使摩擦副表面在较小的载荷下达到完全接触，所以载荷的持续增大并没有增大接触界面的相互作用和摩擦力，反而降低了摩擦因数；另一方面，接触载荷较小时的橡胶滑动摩擦是以滞后摩擦为主，当载荷逐渐增大后则转变为黏附摩擦，所以摩擦因数较小。

图8 为不同润滑条件下橡胶滑动摩擦因数随时间变化的曲线图。可以发现，在3N载荷下随着润滑剂中切削液比例的增大，润滑剂的减摩效果越加明显，橡胶滑动界面的稳态摩擦因数越小，这主要与润滑剂的润湿性能有关。随着润滑剂中水基切削液比例的增大，润滑剂在橡胶表面的接触角减小，润湿和铺展性能变好，因此接触界面的滑动摩擦因数随之降低。当润滑剂的质量配比为1∶3 000时，接触界面稳态摩擦因数值大小适中(0.4左右)，因此后续试验的润滑剂比例都固定在相同的质量配比 (1∶3 000)下进行试验。

2.2 微观凸织构及表面润湿性对橡胶滑动界面摩擦特性的影响

图9 为不同形状的橡胶凸织构表面滑动摩擦因数（润滑条件下）随时间变化的曲线图。从图中可以发现，微观凸织构形状对润滑条件下的橡胶滑动摩擦因数影响显著。当凸织构面积占有率和高度相同时，圆形凸织构的摩擦因数(0.36)明显大于正方形 (0.32)；而矩形织构的摩擦因数则表现出了方向性，即平行矩形长边方向对磨时的摩擦因数(0.34)比垂直方向(0.27)对磨时高。

不同凸织构试样表面接触角的测量结果如图10所示。对比圆形和正方形凸织构表面的接触角，圆形凸织构的接触角更大。而从前文已知圆形凸织构表面的摩擦因数比正方形高(润滑条件下)，结合本次接触角分析，润滑液在方形凸织构表面的固-液接触角(82°)比圆形凸织构表面 (92°)小，说明在相同高度和面积占有率时，润滑液在方形凸织构表面比在圆形凸织构表面更容易铺展，润湿性能更好，所以湿摩擦因数相对较小。而对于矩形织构，也表现出与摩擦因数类似的方向性。可以看出，液滴铺展方向与矩形长边方向垂直时的接触角高达136°，明显大于平行方向的80°，主要是由于垂直矩形长边方向铺展时矩形织构的凸起两边阻碍了液滴在该方向的铺展，导致接触角较大。而平行铺展方向上没有凸起阻碍，所以接触角较小。结合摩擦因数曲线与接触角柱状图可知，对于矩形织构的不同对磨方向，其润湿性与摩擦特性规律呈现相反的趋势。这是因为矩形织构阵列特征与圆形、方形不同，其长边不利于润滑液的流动，导致润滑液不能完全浸润到织构中，摩擦副部分区域处于干摩擦状态，润湿效果较差，从而导致凸织构方向本身的结构特性（相比于润湿特性）对摩擦因数的影响更占主导性，即矩形织构方向本身对橡胶表面摩擦特性的影响远远大于润湿特性，所以即使润湿性较好，摩擦因数依旧较大。

图11 为不同面积占有率的圆形凸织构橡胶在润滑条件下摩擦因数随时间变化的曲线图。由图可以观察到，在润滑液润滑条件下，上下试件的摩擦因数随橡胶表面凸织构的面积占有率的增加而逐渐降低。这是因为钢球-橡胶摩擦副实际接触面积随着面积占有率的增加产生了变化。凸织构面积占有率小，意味着它们之间的间距较大，由于橡胶材料本身是具有黏弹特性的软材料，在3N的载荷下(接触压力较大)，钢球底面会经过凸织构压到橡胶基底表面，增大了摩擦副实际接触面积，导致摩擦因数变大。而当面积占有率较大时，凸织构的间距较小，钢球底面很难压过凸织构与橡胶块基底接触，摩擦副实际接触面积变小，所以摩擦因数较小。同时从图中可以发现，摩擦因数在面积占有率为20%～30%的变化幅度(0.08) 明显比其他间隔幅度(0.05)大，说明在这个范围内摩擦因数对面积占有率的变化更为敏感。另外，随着摩擦周期次数的增加，所有试样的摩擦因数都呈现出先下降后逐渐稳定的趋势，这是因为在摩擦副对磨初期，润滑液还不够充分地流入摩擦界面的织构中，而随着摩擦周期的延长，润滑液完全填入摩擦副的织构间隙，从而导致摩擦因数先逐渐下降后趋于稳定。

不同面积占有率的凸织构试样的接触角如图12所示。由图可以发现，随着凸织构面积占有率的减小，橡胶表面的接触角基本都以10º 左右的变化幅度均匀递减。说明在适当范围内凸织构面积密度越小越有利于液滴在固体表面上的铺展。这是由于间距过大时，液滴内部的Laplace作用力使液-气界面下移，液体从而进入微结构的间隙中，其接触模型从Cassie状态转变成Wenzel状态，导致接触角减小。结合上文摩擦曲线图可以发现，改变凸织构面积占有率，橡胶表面摩擦因数与接触角大小规律呈相反趋势，因为此时影响摩擦因数的因素主要分为两个，即凸织构本身的结构特性与凸织构表面的润湿特性。保证织构尺寸不变而改变面积占有率即改变织构间距，而间距改变会影响润滑液润滑效果，又因为PDMS表面具有疏水性，所以此时润滑液润滑效果不佳。导致凸织构本身的结构特性对橡胶表面摩擦因数的影响远远大于润湿特性，所以即使接触角变大，润湿性变差，摩擦因数依旧呈减小趋势。

不同底部直径（相同面积占有率和高度）的圆形凸织构橡胶在润滑条件下的摩擦因数曲线如图13所示。由图可以发现，随着表面凸织构底部圆直径的逐渐增大，橡胶滑动摩擦因数逐渐降低。这是因为当圆底部直径越大时，钢球分布在凸织构表面的压力就越小，由刮削引起的形变变小，因而摩擦因数减小。另外，通过观察曲线图可以发现，相比于形状、面积占有率、高度等参数，固定面积占有率时直径的变化对摩擦因数的影响较小，对磨相同周期时的稳态摩擦因数波动幅度较小，基本集中在0.37左右。原因是在保证面积占有率不变的情况下，增大圆柱底部直径，织构间距也会相应增大，所以减小了摩擦因数变化幅度。

不同底部直径凸织构橡胶表面的接触角如图14所示。可以发现，凸织构底部直径也会对橡胶表面接触角大小产生影响。图中可以观察到圆底部直径为300 μm时，固-液接触角最大，当底部直径继续增大时，接触角逐渐减小，而直径从200 μm增加到300 μm时，接触角反而呈现增大趋势。由前文所述可知，面积占有率越小，接触角越小。本文在保证圆直径不变的前提下，通过改变织构间距来改变面积占有率。所以可以理解为间距越大接触角越小。而当面积占有率不变时，增大直径即意味着同时增大间距。所以对于图10所示的规律，是因为凸织构圆底部直径本身和织构间距本身对接触角大小的影响的主导性在不同阶段存在差异，当底部直径 ≥300 μm时，织构间距的影响占据主导性，因而接触角越来越小。而当底部直径小于300 μm时，织构底部直径的影响更大，故而接触角呈现增大趋势。结合上文摩擦因数曲线图可以发现，直径较大时改变凸织构直径，橡胶表面摩擦因数和接触角变化规律呈相同趋势，这是因为织构底部直径增大会导致整体横截面积变大，进而导致其刺破水膜效果变差，表面较易形成稳定的润滑膜，润滑效果变好。所以对于改变织构直径参数，其润湿特性对摩擦因数的影响较大，故而表面固-液接触角越小，润湿性越好，摩擦因数就越小。

图15 给出了润滑条件下圆形凸织构不同高度 （相同面积占有率、直径）的橡胶滑动摩擦因数随时间的变化关系图。由图中可以明显观察到，面积占有率、直径一定时，摩擦因数随高度的增加呈现下降的趋势。一方面是由于转印方法的局限性，转印出来的凸织构实际呈锥状，即随着转印模板上的凹坑越来越深，PDMS胶液往最深处的流入量就越少，因而转印出的凸织构上底面面积就越小。所以当凸织构高度逐渐变高时，钢球与织构上底面实际接触面积则越小，因而导致摩擦因数变小；另一方面随着高度的增加，凸织构阵列的贮液能力逐渐增强，当凸织构间距中的润滑液受到挤压时会填充到摩擦副的接触区域，最终有效降低了摩擦因数。

图16 给出圆形凸织构不同高度下橡胶表面接触角柱状图。由图可以发现，随着凸织构高度的增加，橡胶表面的接触角逐渐增大，可见高度相对较低的凸织构更有利于液体在橡胶表面铺展。因为当底部直径和阵列间距一定时，凸织构高度的增加有助于增强空气的滞留，形成的气囊可以有效防止液滴沿微织构侧壁向下浸润。同时，随着凸织构高度增加，织构顶部侧面积相对减小，假设液滴在两种高度的浸没深度相同，则高度较低织构的固-液接触面积要比较高织构大。综上所述，增大凸织构高度会减小实际固-液接触面积。根据Cassie-Baxiter复合接触模型及接触角公式可知，实际固-液接触面积减小会导致实际接触角增大。结合上文摩擦因数曲线发现，随着凸织构高度的增加橡胶表面接触角逐渐增大，但滑动摩擦因数却呈减小趋势，这是由于凸织构高度增加会导致织构顶部刺破水膜效果变佳，摩擦副表面不能形成稳定的润滑膜，润滑作用不明显。所以凸织构本身的结构特性对橡胶表面摩擦因数的影响远远大于润湿特性，虽然固-液接触角变大，表面润湿性变差，但摩擦因数依旧呈减小趋势。

从图13、15中可知，相比于无织构表面，适当的微观凸织构可以起到减摩的作用。由于添加凸织构后，润滑液普遍会由于压力作用而被挤出接触界面，致使部分表面由湿摩擦转为干摩擦，而添加凸织构减小了摩擦副的实际接触面积，降低了黏附摩擦，因此起到了减摩作用。另外还可以观察到，凸织构面积占有率对橡胶滑动摩擦因数影响最为显著，减摩效果较好。而凸织构底部直径对橡胶摩擦因数影响最小，减摩效果较差。其中，织构形状为矩形且垂直长边对磨时与面积密度为40%时的圆形凸织构减摩效果最佳。同时，从所有接触角柱状图中可以发现，相比光滑橡胶表面，添加适当凸织构可以减小接触角，优化润湿性能。

3 结论

通过探究PDMS橡胶表面微观凸织构及其诱发的界面润湿性变化对橡胶滑动接触接触界面摩擦特性的影响，建立了微织构形貌几何参数（高度、面积占有率、形状、直径）与界面摩擦因数之间的定量关系，以期为橡胶材料表面的微观形貌设计与摩擦学特性调控提供一定的理论基础，研究所得的主要结论如下：

(1) 微观凸织构及其润湿性对橡胶滑动界面摩擦特性影响显著，添加适当的微观凸织构后橡胶表面固-液接触角减小，湿摩擦因数降低。

(2) 凸织构类型及参数对橡胶表面润湿性会有影响。橡胶表面固-液接触角会随着高度、面积占有率增大而增大。而对于凸织构形状，表面润湿性则呈现出明显的方向性。

(3) 凸织构形状、高度、面积占有率和直径对橡胶接触界面滑动摩擦因数有影响，并呈现一定规律，尤其对于长槽形状的凸织构，摩擦因数呈现出方向性。

(4) 探究了凸织构的润湿特性和结构特性对橡胶表面摩擦特性的耦合影响。改变直径参数时，织构的润湿特性对摩擦因数的影响占主导性，而改变高度、面积占有率参数时，凸织构的结构特性对摩擦因数的影响则更大。

参考文献