共聚焦显微镜观测：基于磨损后橡胶密封件的表面形貌研究

 

 

橡胶密封件作为核心密封部件，广泛应用于汽车、航空航天、液压设备及机械制造行业，其密封可靠性直接影响设备运行稳定性。共聚焦显微镜凭借高精度表面三维成像能力，成为解析橡胶磨损机理的关键工具。光子湾科技专注于高端光学精密测量技术研发，其共聚焦显微镜可精准支撑材料表面特性分析，为密封件性能优化提供技术保障，本文基于乙丙橡胶（EPDM）密封件磨损实验，结合共聚焦显微镜观测数据，探究摩擦行程对橡胶表面形貌的影响。

 

 

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研究背景

橡胶密封圈因结构简单、密封性能优良、摩擦力低，是液压设备核心动密封组件，但在高负荷、长时间或高速工况下易出现摩擦磨损，进而导致密封失效—— 液压系统密封件失效主因即为磨损，且随着液压系统向高速高压发展会加剧该问题，而表面粗糙度是用来表示表面微观不平整度的常用指标，其数值大小直接决定零件抗疲劳、耐磨、密封及耐腐蚀性能，故需深入分析磨损后橡胶表面形貌特征。

 

 

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实验材料、设备与方法

1. 材料与装置实验材料

选用乙丙橡胶（EPDM），其高弹性、优弹性恢复性及抗压缩性，可模拟实际密封件工况；上试件为φ16mm×6mm 圆柱体，下试件为包贴 2000 目砂布（400mm×474mm）的旋转辊筒（直径 150mm）。

2. 实验设备

共聚焦显微镜原理图

SS-5643D-DIN 磨耗仪（采用方法 A，非旋转试件，负荷 10N），用于模拟摩擦磨损；共聚焦显微镜，通过激光照射- 荧光激发 - 针孔滤波机制（仅焦面光通过，降低背景噪音），获取表面形貌参数，分辨率达 0.5859μm / 点。

3. 实验方法

设置四组摩擦行程模拟磨损过程：基于橡胶磨损“前期剧变、后期趋稳” 特征，选取 0m（0 次摩擦）、2.2m（5 次摩擦）、4.4m（10 次摩擦）、11m（25 次摩擦）；每组 4 个试样，每个试样磨损处拍摄 5 个位置点，单侧采集 1024 个点，形成 1024×1024 矩阵（约100 万组高度数据），确保数据代表性。

 

 

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实验结果

共聚焦显微镜观测橡胶表面形貌图

1. 表面数据采集与预处理共聚焦显微镜观测显示，橡胶表面呈微观凹凸结构，高度数据受实验台振动、试样污点等干扰，需通过滤波器去除高频噪声、保留低频形貌特征。

2. 高度分布与分形特征基于自仿射分形理论，橡胶表面高度分布满足：

H 为 Hurst 指数，接触尺度的波长为 λ。

通过傅里叶变换分解为不同波数信号，功率谱密度（PSD）满足：

 
 

分析表明：0-5 次摩擦（0-2.2m），分形指数无显著变化，粗糙度从 2μm 增至 4μm（仅表面凸起磨损）；5-10 次摩擦（2.2-4.4m），分形指数下降，表面层破坏，粗糙度达 5μm，离散度增加；10-25 次摩擦（4.4-11m），分形指数恢复至 0.4（材料固有上限），粗糙度骤升至 30-50μm，表面质量极差。

3. 波峰、波谷与标准差变化随摩擦行程增加，波峰均值从13.75μm 增至 156.24μm（图 15），波谷均值从 - 9.93μm 降至 - 121.4μm（图 16），反映表面凸起与凹陷加剧；标准差从 2.54μm（0 次）升至 57.6μm（25 次）（图 17），表明高摩擦行程下表面出现显著磨损痕迹、裂纹及剥离，损伤累积效应凸显。

4. 磨损形貌演变中，磨损行程0m 时表面平滑，2.2m 时出现轻微划痕，4.4m 时划痕加深，11m 时形成不规则沟槽与裂纹，印证 “摩擦行程越长，表面破坏越严重” 规律，且 EPDM 耐磨性随行程增加显著下降。

本研究结合共聚焦显微镜观测与磨损实验，探究摩擦行程对其表面形貌的影响结果显示：随摩擦行程增加，分形指数先降（表面破坏）后升（恢复至0.4 上限），粗糙度与高度离散度持续增大；波峰、波谷及标准差同步递增，11m 行程时损伤达峰值。明确了磨损行程与表面形貌的关联，可为汽车、航空航天等行业密封件寿命优化及密封可靠性预测提供数据支撑。

 

 

 

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

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提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

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光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为摩擦行程对橡胶表面形貌的影响研究提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动新能源领域技术升级的重要光学测量工具。

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原文参考：《基于磨损后橡胶密封件的表面形貌研究》

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