沈生龍 閆志峰 林福東 王智芹 孫俊杰 馬云海*

(1吉林大學(xué)(南嶺校區(qū))工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130022;2吉林大學(xué)(南嶺校區(qū))生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長春130022)

0 引言

貝殼是一種典型的生物陶瓷復(fù)合材料，它是由95%～99%的晶體狀無機(jī)礦物質(zhì)(方解石或文石)和1%～5%的有機(jī)膠原蛋白復(fù)合而成[1]。貝殼的微觀結(jié)構(gòu)因其種類和生存環(huán)境的不同會(huì)有顯著的差異[2-3]。即使在同一個(gè)貝殼的不同位置也會(huì)有不同的微觀結(jié)構(gòu)特征[4-5]。但是許多貝殼沿厚度方向由外向內(nèi)通?？煞譃?角質(zhì)層、棱柱層和珍珠層[6-7]。角質(zhì)層是貝殼的最外層，主要由貝殼硬蛋白組成。棱柱層為貝殼的中間層，主要由方解石晶體構(gòu)成。珍珠層為貝殼的最里層，主要由片狀文石晶體構(gòu)成[8-9]。

對(duì)貝殼微觀結(jié)構(gòu)及其摩擦學(xué)行為進(jìn)行研究，有助于豐富摩擦學(xué)仿生的內(nèi)容，為發(fā)展高性能的新型仿生耐磨材料奠定理論基礎(chǔ)。絹絲麗蚌作為一種常見的礦化材料，具有復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，其珍珠層和棱柱層都具有良好的機(jī)械性能和抗腐蝕性能，研究絹絲麗蚌的摩擦行為對(duì)改善層狀復(fù)合材料的摩擦性能具有重要的意義。以絹絲麗蚌為研究對(duì)象，在10 N、20 N、30 N載荷下選用粗糙度配副差異明顯的100目、240目和1 000目的砂紙為配副進(jìn)行了絹絲麗蚌的珍珠層結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)行為研究。采用UMT微觀摩擦磨損機(jī)研究了絹絲麗蚌珍珠層在不同的載荷、對(duì)副、時(shí)間的摩擦性能，磨損過程如圖1所示，并用掃描電子顯微鏡觀察摩擦表面，分析絹絲麗蚌珍珠層的磨損機(jī)理，對(duì)其摩擦學(xué)行為進(jìn)行深入的研究。

圖1 磨損過程

1 試驗(yàn)過程

首先將絹絲麗蚌用清水洗凈去除軟體，然后用5%的NaOH溶液浸泡10 min去除表面的少量珍珠層和少量油脂。采用CTER精密切割機(jī)將絹絲麗蚌切割為10 mm×15 mm的方塊式樣。然后用UMT微觀摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)采用旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)方式測量式樣的珍珠層摩擦因數(shù)，試驗(yàn)中各因素分別為載荷15 N、20 N、25 N，往復(fù)速度120 r/min、150 r/min、180 r/min，摩擦副100目、240目、1 000目的砂紙，摩擦?xí)r間300 s、600 s、900 s，試驗(yàn)重復(fù) 3 次，取平均值。最后用掃描電子顯微鏡觀察絹絲麗蚌珍珠層磨損表面形貌。

2 結(jié)果和討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表1為轉(zhuǎn)速、法向載荷、時(shí)間對(duì)摩擦因數(shù)及磨損率影響的正交試驗(yàn)表。

表1中顯示不同因素下絹絲麗蚌對(duì)配副的不同摩擦因數(shù)，摩擦對(duì)副的目數(shù)決定了磨損量，表面形貌及磨損機(jī)理對(duì)摩擦因數(shù)的因素忽略，通過極差分析可知各個(gè)因素對(duì)摩擦因素影響大小依次是:載荷＞速度＞配副種類＞摩擦?xí)r間。在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著載荷的增大摩擦因數(shù)先線性增大。載荷不同，摩擦因數(shù)明顯不同;在轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)摩擦因數(shù)隨著載荷增大明顯增大，如圖2所示在轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)摩擦因數(shù)隨載荷的增大先變大然后減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)隨著載荷增大摩擦因數(shù)變大。

由表1分析可知絹絲麗蚌在與不同目數(shù)砂紙摩擦?xí)r，試驗(yàn)因素對(duì)摩擦因數(shù)的影響大小依次為載荷、轉(zhuǎn)速、砂紙目數(shù)、時(shí)間。為了進(jìn)一步研究載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響，繼續(xù)以240目砂紙為對(duì)副目數(shù)，分別以載荷、轉(zhuǎn)速、時(shí)間為變量做單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)正交表

表2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)其中部分因素條件繼續(xù)做單因數(shù)試驗(yàn)，并記錄其在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的摩擦因數(shù)與磨損率的情況，如圖2～4所示。

圖2 摩擦?xí)r間對(duì)摩擦因數(shù)磨損率的影響

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)磨損率的影響

圖4 法向載荷對(duì)摩擦因數(shù)磨損率的影響

以上3個(gè)圖分別是以轉(zhuǎn)速、時(shí)間、法向載荷為單因素的情況下所做的試驗(yàn)結(jié)果，圖中顯示平均摩擦因數(shù)與平均磨損率隨轉(zhuǎn)速、時(shí)間、法向載荷基本成先行變化趨勢，追加單因素試驗(yàn)繼續(xù)測量各段時(shí)間的摩擦因數(shù)與磨損率的變化情況如圖5～6所示。

圖5 摩損表面形貌

圖6 試驗(yàn)全過程的摩擦因數(shù)

2.2 討論

1)摩擦因數(shù)和材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

根據(jù)軟體動(dòng)物結(jié)構(gòu)可知，絹絲麗蚌的無機(jī)結(jié)構(gòu)主要由棱柱層和珍珠層構(gòu)成，摩擦的過程主要分為2步。首先珍珠層片狀文石先與配副接觸摩擦，隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，珍珠層磨損消耗殆盡，然后棱柱層與配副摩擦;從摩擦因數(shù)看試驗(yàn)中摩擦因數(shù)突然減小，是由于在相同的條件下棱柱層的摩擦因數(shù)小于珍珠層的摩擦因數(shù)，棱柱層和珍珠層的組成基本一致，都由5%的有機(jī)質(zhì)和95%的CaCO3構(gòu)成，不同點(diǎn)在于珍珠層是片狀文石疊加而成，棱柱層由柱狀方解石構(gòu)成。

2)轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響。

在載荷一定的條件下，摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增大迅速減小，最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)滑動(dòng)速度較小時(shí)，微突體間的嚙合程度相對(duì)較大，即互嵌效應(yīng)強(qiáng)，摩擦力、摩擦因數(shù)也相對(duì)大。隨著滑動(dòng)速度的增大，摩擦表面的溫度升高，文石晶片硬度下降，易產(chǎn)生塑性流動(dòng)，珍珠層材料變得相對(duì)平坦光滑，摩擦表面間微突體的嚙合程度越來越小，微突體間的相互運(yùn)動(dòng)阻礙作用減弱，使微觀切削抗力減小，在相同法向載荷條件下，宏觀的摩擦阻力也就減小，從而使摩擦因數(shù)降低。由此可知摩擦力與摩擦表面間微突體的嚙合程度密切相關(guān)。

3)從圖中可以看出，200 s之前絹絲麗蚌的摩擦因數(shù)比較大，這是由于其表面角質(zhì)層本身硬度較大，而其表面粗糙導(dǎo)致摩擦力增大。200s以后進(jìn)入純材料磨損，而且絹絲麗蚌的角質(zhì)層已經(jīng)磨損殆盡，此時(shí)參加磨損的是棱柱層，此時(shí)摩擦因數(shù)最小，400 s以后棱柱層磨損殆盡，珍珠層參加摩擦，此時(shí)摩擦因數(shù)增大。而磨損率由于200 s之前表面粗糙致使接觸對(duì)偶面不是完全接觸，所以磨損率最小，到400 s以后進(jìn)入純磨料磨損，此時(shí)磨損率較大，600 s后珍珠層參加摩擦，由于珍珠層硬度小、韌性大，導(dǎo)致磨損率最大。

3 結(jié)論

絹絲麗蚌珍珠層與砂紙摩擦?xí)r，其摩擦因數(shù)隨法向載荷的增大先變大，最后有所減小;摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大而快速減小?；瑒?dòng)速度越大，法向載荷越大，摩擦因數(shù)則越小。質(zhì)量磨損率隨滑動(dòng)速度的增大而呈下降趨勢。體積磨損率與法向載荷基本上呈線性關(guān)系，近似符合阿恰德方程(W代表磨損率，P代表作用在摩擦副上的法向載荷，H代表較軟材料的硬度，這里指貝殼材料的硬度，K代表磨損因數(shù))。

磨損表面及磨屑的掃描電鏡分析表明:貝殼材料的主要磨損機(jī)理有2種:犁切磨損和粘著磨損。絹絲麗蚌的主要磨損機(jī)制為犁切，并出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移和輕微的疲勞現(xiàn)象。

貝殼的結(jié)構(gòu)主要由角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層組成，其與砂紙摩擦過程中摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定在0.3左右，其中角質(zhì)層最耐磨，珍珠層與棱柱層摩擦磨損性能相對(duì)角質(zhì)層較差。

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