橡膠密封件作為核心密封部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、液壓設(shè)備及機(jī)械制造行業(yè)，其密封可靠性直接影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。共聚焦顯微鏡憑借高精度表面三維成像能力，成為解析橡膠磨損機(jī)理的關(guān)鍵工具。光子灣科技專注于高端光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)研發(fā)，其共聚焦顯微鏡可精準(zhǔn)支撐材料表面特性分析，為密封件性能優(yōu)化提供技術(shù)保障，本文基于乙丙橡膠（EPDM）密封件磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)合共聚焦顯微鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)，探究摩擦行程對(duì)橡膠表面形貌的影響。

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研究背景

橡膠密封圈因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能優(yōu)良、摩擦力低，是液壓設(shè)備核心動(dòng)密封組件，但在高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間或高速工況下易出現(xiàn)摩擦磨損，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效—— 液壓系統(tǒng)密封件失效主因即為磨損，且隨著液壓系統(tǒng)向高速高壓發(fā)展會(huì)加劇該問(wèn)題，而表面粗糙度是用來(lái)表示表面微觀不平整度的常用指標(biāo)，其數(shù)值大小直接決定零件抗疲勞、耐磨、密封及耐腐蝕性能，故需深入分析磨損后橡膠表面形貌特征。

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實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.材料與裝置實(shí)驗(yàn)材料

選用乙丙橡膠（EPDM），其高彈性、優(yōu)彈性恢復(fù)性及抗壓縮性，可模擬實(shí)際密封件工況；上試件為φ16mm×6mm 圓柱體，下試件為包貼 2000 目砂布（400mm×474mm）的旋轉(zhuǎn)輥筒（直徑 150mm）。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

共聚焦顯微鏡原理圖

SS-5643D-DIN 磨耗儀（采用方法 A，非旋轉(zhuǎn)試件，負(fù)荷 10N），用于模擬摩擦磨損；共聚焦顯微鏡，通過(guò)激光照射- 熒光激發(fā) - 針孔濾波機(jī)制（僅焦面光通過(guò)，降低背景噪音），獲取表面形貌參數(shù)，分辨率達(dá) 0.5859μm / 點(diǎn)。

3.實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置四組摩擦行程模擬磨損過(guò)程：基于橡膠磨損“前期劇變、后期趨穩(wěn)” 特征，選取 0m（0 次摩擦）、2.2m（5 次摩擦）、4.4m（10 次摩擦）、11m（25 次摩擦）；每組 4 個(gè)試樣，每個(gè)試樣磨損處拍攝 5 個(gè)位置點(diǎn)，單側(cè)采集 1024 個(gè)點(diǎn)，形成1024×1024 矩陣（約100 萬(wàn)組高度數(shù)據(jù)），確保數(shù)據(jù)代表性。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共聚焦顯微鏡觀測(cè)橡膠表面形貌圖

1.表面數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理共聚焦顯微鏡觀測(cè)顯示，橡膠表面呈微觀凹凸結(jié)構(gòu)，高度數(shù)據(jù)受實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)、試樣污點(diǎn)等干擾，需通過(guò)濾波器去除高頻噪聲、保留低頻形貌特征。

2.高度分布與分形特征基于自仿射分形理論，橡膠表面高度分布滿足：

H 為 Hurst 指數(shù)，接觸尺度的波長(zhǎng)為λ。

通過(guò)傅里葉變換分解為不同波數(shù)信號(hào)，功率譜密度（PSD）滿足：

?

分析表明：0-5 次摩擦（0-2.2m），分形指數(shù)無(wú)顯著變化，粗糙度從 2μm 增至 4μm（僅表面凸起磨損）；5-10 次摩擦（2.2-4.4m），分形指數(shù)下降，表面層破壞，粗糙度達(dá) 5μm，離散度增加；10-25 次摩擦（4.4-11m），分形指數(shù)恢復(fù)至 0.4（材料固有上限），粗糙度驟升至 30-50μm，表面質(zhì)量極差。

3.波峰、波谷與標(biāo)準(zhǔn)差變化隨摩擦行程增加，波峰均值從13.75μm 增至 156.24μm（圖 15），波谷均值從 - 9.93μm 降至 - 121.4μm（圖 16），反映表面凸起與凹陷加?。粯?biāo)準(zhǔn)差從 2.54μm（0 次）升至 57.6μm（25 次）（圖 17），表明高摩擦行程下表面出現(xiàn)顯著磨損痕跡、裂紋及剝離，損傷累積效應(yīng)凸顯。

4.磨損形貌演變中，磨損行程0m 時(shí)表面平滑，2.2m 時(shí)出現(xiàn)輕微劃痕，4.4m 時(shí)劃痕加深，11m 時(shí)形成不規(guī)則溝槽與裂紋，印證 “摩擦行程越長(zhǎng)，表面破壞越嚴(yán)重” 規(guī)律，且 EPDM 耐磨性隨行程增加顯著下降。

本研究結(jié)合共聚焦顯微鏡觀測(cè)與磨損實(shí)驗(yàn)，探究摩擦行程對(duì)其表面形貌的影響結(jié)果顯示：隨摩擦行程增加，分形指數(shù)先降（表面破壞）后升（恢復(fù)至0.4 上限），粗糙度與高度離散度持續(xù)增大；波峰、波谷及標(biāo)準(zhǔn)差同步遞增，11m 行程時(shí)損傷達(dá)峰值。明確了磨損行程與表面形貌的關(guān)聯(lián)，可為汽車、航空航天等行業(yè)密封件壽命優(yōu)化及密封可靠性預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為摩擦行程對(duì)橡膠表面形貌的影響研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)新能源領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)的重要光學(xué)測(cè)量工具。

#共聚焦顯微鏡#三維形貌表征 #3d顯微鏡 #表面粗糙度

感謝您本次的閱讀光子灣將持續(xù)為您奉上更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，與您共同進(jìn)步。

原文參考：《基于磨損后橡膠密封件的表面形貌研究》

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