橡胶摩擦物理学探究
技术文章 | November 20, 2023
不管是用于汽车行业动力系统的橡胶密封件，还是用于通用工业应用中的 O 形圈，摩擦阻力都是影响其密封性能的关键因素，因此加强对应用过程中摩擦阻力的理解和控制非常重要。在德特威勒的产品组合中，材料建模和胶料配方方面的专业知识中涵盖了许多与表面相互作用相关的内容。
清楚地了解橡胶密封件与接触面之间的摩擦情况和相互作用至关重要，因为这有助于更好的设计密封件的性能、增加动态密封件的耐久性，并实现流体渗漏最小化。
摩擦阻力与接触主体间的接触面直接相关。在不存在润滑剂的情况下，这一特定阻力来自于一个表面对另一个表面的粘附。要理解粘附对摩擦力的影响就必须了解实际接触面积这一重要概念。通过观测接触面的几何形状大小，我们可以轻松地计算出表面可见的密封件接触面积；但要了解这一初步计算结果中有多少面积是真正与橡胶实际接触并相互作用的，就必须结合橡胶的固有特性进行表面粗糙度分析。
以鞋印为例，鞋的完整形状就是通常所说的表观接触面积(A0)。在理想的平坦表面上，橡胶鞋底将完全覆盖鞋的形状。而当表面变得粗糙时，实际接触面积 (A) 就会开始显现出来；这是图中湿脚印所传达的部分概念。
图 1：表观接触面积与实际接触面积
摩擦学模型可用于预测相互作用的主体之间的实际接触情况。橡胶接触分析所面临的特殊挑战在于温度、速度和密封压力的微小变化会如何对实际接触情况产生巨大影响。通过对材料及其表面进行精确表征，可以利用功率谱密度 (PSD) 来显现橡胶密封件与表面之间的实际接触区域，其可能会比最初观察到的表观接触面积低几个数量级，尤其是在微观粗糙度大的情况下。
橡胶的柔韧性足以在微观粗糙度的尺度与表面产生相互作用。图 2 显示了一个随机粗糙表面的轮廓测定分析。PSD 分析完成后，接下来是与压力有关的接触变化。随着应用中施加的压力不同，实际接触面积的变化范围可以是表观接触面积的十分之一到百万分之一。
一旦理解了橡胶与基材之间的相互作用，就可以通过改变胶料配方来调整它们之间的作用反应。在轮胎中使用炭黑或硅土作为填料以适应夏季或冬季条件是一种行业主流做法，密封用的橡胶部件也不例外。胶料开发过过程中可以通过不同配方来调整从材料刚度到自润滑程度等特性，这种材料开发的优势有助于操控密封件与接触面间的摩擦作用情况。
从理论和实验两个途径深入探究橡胶的摩擦行为表现是一个雄心勃勃的项目。德特威勒的开发团队接受了这一课题带来的挑战。凭借技术与创新实验室的独特能力，可以获得各种表面的精确描述。这能够加深我们对密封件性能的理解，使我们能够更好地为客户提供定制化解决方案。
