N330/N550炭黑填充NBR复合材料磨耗性能研究
摘要
本课题研究了不同炭黑配比填充丁腈橡胶复合材料的硫化性能、力学性能
以及磨耗性能。在磨耗性能测试方面，采用了3D共聚焦显微镜、体现显微镜、
SEM电子显微镜等观测了橡胶磨耗表面形貌以及磨耗表面形貌并提取了表面粗
糙度参数以及磨屑粒径参数。在此基础上，研究了不同工况下NBR复合材料的
磨耗性能。最后，基于分形理论研究了橡胶磨耗表面以及橡胶磨屑特性，并利
用Matlab编写W-M函数对磨耗表面形貌进行了分形模拟。研究结果如下：
（1）不同炭黑配比对于NBR复合材料的各项性能都有一定的影响。在硫化
性能方面，在N330/N550达到20/30时，硫化时间最短，并且MH-ML值随着
N330的增加而增大；在力学性能方面，随着N330炭黑比例的增加，拉伸强度、
断裂伸长率等力学性能逐渐增大；在磨耗性能方面，进行了磨耗表面形貌分析，
发现磨耗表面的山丘、山脊状形貌会随着N330占比增大而增大，这表明了N330
的增加不利于橡胶的耐磨性的增强，同时对磨屑粒度的分析也表明了N550填充
量较大的橡胶会对环境造成更大不良影响。
（2）针对N330/N550为20/30炭黑配比下的NBR复合材料进行了不同角度、
载荷、转速下的橡胶磨耗实验，实验发现随着角度、载荷、速度的增大橡胶磨
耗量不断增大，磨耗表面形貌变得复杂，线粗糙度及面粗糙度增加。主要是因
为随着角度、载荷、速度的增大，橡胶分子链变得更易断裂，使得橡胶拉伸能
力下降，磨耗性能降低。
（3）基于分形理论的橡胶磨耗分析及W-M函数计算机分形模拟，结果发现
分形维数分别同磨屑积聚程度和磨屑形貌复杂度呈正相关关系。在多重分型谱
研究中发现，橡胶磨耗表面具有分形特征，并且随着不同炭黑配比、角度、载
荷和转速的增大，谱宽Δα和谱差Δf(α)都不断增大，这说明了橡胶复合材料表面
磨损更加严重。利用W-M函数进行了橡胶磨耗表面粗糙形貌的分形模拟，发现
随着随机常数b的增大，表面的粗糙度和复杂度增加，并将模拟结果和实际曲线
进行了对比证明了W-M函数模拟的可行性。
总的来说，分形理论为深入理解橡胶磨损过程提供了一种全新的视角，不
仅仅是简单地观察和描述磨损现象，而是通过研究表面形态的分形特征，揭示
了磨损背后的微观机理，为深入理解橡胶磨损过程并优化材料性能提供了科学
的研究手段。
关键词：丁腈橡胶炭黑磨耗表面形貌磨屑分形理论
StudyontheWearPerformanceofNBRComposite
MaterialsFilledwithDifferentN330/N550Carbon
Black
ABSTRTACT
Nitrilebutadienerubbercompositematerialswerepreparedwithvaryingcarbon
blackratios,andtheirvulcanization,mechanical,andwearpropertieswerestudied.In
wearperformancetesting,observationsofrubberwearsurfacemorphologyandwear
debriswereconductedusing3Dconfocalmicroscopy,profilometry,andscanning
electronmicroscopy(SEM),fromwhichsurfaceroughnessparametersandweardebris
particlesizeparameterswereextracted.Subsequently,thewearsurfaceandweardebris
characteristicsunderfractaltheorywereinvestigated,andfractalsimulationsofthewear