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1、第24卷第6期摩 擦 学 学 报Vol 24,No 62004年11月TR I BOLOGYNov,2004聚四氟乙烯和二硫化钼填充聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究朱敏,张招柱,王坤,姜葳(中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室,甘肃 兰州730000)摘要:采用MM2200型摩擦磨损试验机考察了聚四氟乙烯(PTFE)和M oS2填充聚酰亚胺(P I)复合材料在干摩擦下与GCr15轴承钢对摩时的摩擦磨损性能,并利用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪分析了P I复合材料及其偶件磨损表面形貌和元素面分布.结果表明,PTFE和M oS2均可降低P I的摩擦系数,其中P I+30%M
2、oS2复合材料的减摩性能最佳,其摩擦系数同纯P I的相比降低了约50%.除P I+10%PTFE+20%M oS2外,其它几种复合材料的抗磨性能均明显优于纯P I,其中P I+20%PTFE+10%M oS2复合材料的抗磨性能最佳,其磨损率比纯P I的低1个数量级.P I复合材料的摩擦磨损性能同其在偶件磨损表面形成的转移膜的性质密切相关,当转移膜厚度适当且分布较均匀时,P I复合材料的减摩抗磨性能良好.关键词:聚四氟乙烯;二硫化钼;聚酰亚胺复合材料;摩擦磨损性能中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2004)0620522205聚酰亚胺(P I)耐高温、耐辐射,
3、且具有优良的机械性能和摩擦学性能,被誉为“塑料之王”,已在航空、航天、电器、机械、化工及微电子等高技术领域得到了广泛应用1.业已发现,对P I进行填充改性可以进一步改善其摩擦学性能,聚四氟乙烯(PTFE)、石墨(Gr)2、炭纤维(CF)3,4及无机纳米颗粒作为填充相5,6可以显著改善P I的摩擦磨损性能,从而使得P I及其复合材料的应用领域得到进一步拓展.二硫化钼(M oS2)作为具有代表性的传统自润滑材料已广泛应用于多种聚合物材料的填充改性,相关的研究和应用均取得了长足进展7,8.鉴于有机2无机复合填充相可能存在协同作用,进而影响复合材料的性能,因此我们制备了具有不同组成的一系列P I2PT
4、FE2M oS2复合材料,考察了PTFE和M oS2对复合材料摩擦磨损性能的影响,并结合复合材料磨损表面及其转移膜的形貌和元素面分布初步探讨了复合材料的摩擦磨损性能同偶件表面转移膜特性之间的关系.1实验部分1.1复合材料的制备P I粉为上海市合成树脂研究所生产的YS220型聚酰亚胺模塑粉,其压缩强度为120M Pa,过筛后粒度小于88m.PTFE粉为济南三爱富氟化工有限公司生产的SM 021(F)一等品,PTFE粉经气流粉碎机粉碎,其粒度约为35m.M oS2粉为上海胶体化工厂生产的2号M oS2,其粒度30m.将P I、PTFE和M oS2粉按不同的体积分数混合,并反复过筛直至混合均匀,然后
5、将混合粉料置于真空烘箱中烘干后待用.利用热压成型工艺制得P I复合材料毛坯,然后将其加工成尺寸为6 mm7 mm30 mm的摩擦磨损试验用试样(样品组成详见表1和表2).1.2试验方法采用MM2200型摩擦磨损试验机评价P I复合材料试样的摩擦磨损性能.偶件为40 mm的GCr15轴承钢环.在试验前,复合材料试样和偶件待测表面均经1 000#水砂纸打磨至表面粗糙度Ra=2.3m.摩擦磨损试验条件为:滑动速度0.42m?s,试验时间120 m in.摩擦系数取后60 m in的平均值;用精度为0.01 mm的读数显微镜测量试样的磨痕宽度,经换算得到磨损率.采用JSM25600LV型扫描电子显微镜
6、(SEM)观察P I复合材料磨损表面及偶件磨损表面形貌,采用EDAX9100型X射线能量色散谱仪(EDXA)分析偶件磨损表面元素面分布.收稿日期:2003212218;修回日期:2004203212?联系人张招柱,e2mail:.作者简介:张招柱,男,1965年生,博士,研究员,目前主要从事聚合物复合材料制备及摩擦学性能研究.2结果与讨论2.1聚酰亚胺复合材料的组成优化表1列出了200 N载荷下PTFE含量对P I复合材料摩擦系数和磨损率的影响.可以看出,添加不同体积分数的PTFE均可降低P I的摩擦系数和磨损率,其中P I+30%PTFE复合材料的摩擦系数同P I+10%PTFE和P I+4
7、0%PTFE的相差不大但磨损率表1PTFE含量对PI复合材料摩擦系数和磨损率的影响Table 1Effect of PTFE content on the friction coeff icient and wear rate of PI compositesCompositesFriction coefficientW ear rate?10-6mm3(Nm)-1Pure P I0.343.99P I+10%PTFE0.261.54P I+20%PTFE0.291.22P I+30%PTFE0.271.05P I+40%PTFE0.241.31明显较低.基于此,我们确定P I复合材料中P I
8、的体积分数为70%,以进一步研究不同填料对P I复合材料摩擦磨损性能的影响.2.2PI复合材料的摩擦磨损性能表2对比列出了几种P I复合材料在200N载荷下的摩擦系数和磨损率.可以看出,添加不同含量的表2几种PI复合材料的摩擦系数和磨损率的对比试验结果Table 2The results of the friction coeff icient and wear rate of PI compositesSample numberSample compositionFriction coefficientW ear rate?10-6mm3(Nm)-1Sample 1Pure P I0.343
9、.99Sample 2P I+30%PTFE0.271.05Sample 3P I+20%PTFE+10%MoS20.270.49Sample 4P I+10%PTFE+20%MoS20.214.77Sample 5P I+30%MoS20.160.69PTFE和M oS2均可降低P I的摩擦系数,其中P I+30%M oS2复合材料的减摩性能最佳,其摩擦系数同纯P I的相比降低了约50%.除P I+10%PTFE+20%M oS2外,其它几种复合材料的抗磨性能均明显优于P I,其中P I+20%PTFE+10%M oS2的抗磨性能最佳,其磨损率比纯P I的低1个数量级.但P I+30%M o
10、S2复合材料的综合摩擦磨损性能最佳.图1示出了P I复合材料的摩擦系数和磨损率随Fig 1 V ariation of friction coefficient and wear rate of P I composites w ith load图1P I复合材料的摩擦系数和磨损率随载荷变化的关系曲线载荷变化的关系曲线.可以看出,P I+30%M oS2复合材料的摩擦系数随载荷的增大而减小,其在较高载荷(300 N)下的摩擦系数接近0.1,表现出优良的减摩性能见图1(a);在本文试验载荷范围内,P I+30%M oS2复合材料的减摩性能明显优于P I+30%PTFE和P I+20%PTFE+1
11、0%M oS2复合材料.与此同时,P I+20%PTFE+10%M oS2复合材料在较低载荷下的磨损率较小,但当载荷超过250 N时,其325第6期朱敏等:聚四氟乙烯和二硫化钼填充聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究磨损率随载荷的增加而迅速增大见图1(b);而P I+30%M oS2复合材料的磨损率随载荷的增大而减小.在较高载荷(250 N)下,P I+30%M oS2复合材料的耐磨性能明显优于P I+30%PTFE和P I+20%PTFE+10%M oS2复合材料.总体而言,在较高载荷(250 N)下,P I+30%M oS2复合材料的摩擦磨损性能优于P I+30%PTFE和P I+20%PT
12、FE+10%M oS2复合材料.2.3磨损表面分析图2、图3和图4分别示出了200 N载荷下几种Fig 2SEM morphology of the worn surfaces of P I composites(800)图2P I复合材料磨损表面形貌的SEM照片(800)Fig 3Fe distribution of worn surface of P I composites(250)图3P I复合材料磨损表面Fe元素面分布(250)Fig 4S(C for pure P I)distribution on the counterpart surface against P I compo
13、sites(250)图4P I复合材料偶件表面S元素(纯P I为C元素)的面分布(250)425摩擦学学报第24卷P I复合材料磨损表面形貌以及复合材料磨损表面和偶件磨损表面典型元素面分布SEM照片.可以看出,纯P I材料磨损表面存在较深的犁沟和明显的塑性变形见图2(a),磨损表面存在大量Fe元素见图3(a),这说明偶件表面材料在摩擦过程中向P I复合材料磨损表面发生转移;相应的偶件磨损表面存在少量分布不均匀的C元素见图4(a),这说明P I难以在偶件表面形成均匀的转移膜,故其摩擦系数和磨损率均较大见表2.P I+20%PTFE+10%M oS2复合材料磨损表面则较为光滑,仅呈现轻微剥落和犁沟
14、迹象见图2(b),其磨损表面同样分布着较多的Fe元素见图3(b),相应的偶件磨损表面存在分布均匀的S元素见图4(b),说明P I+20%PTFE+10%M oS2复合材料容易在偶件表面形成厚度适中且分布较均匀的转移膜,结果使得复合材料2金属表面之间的摩擦转化为复合材料2复合材料转移膜之间的摩擦,从而使得摩擦系数和磨损率降低(见表2).与此同时,P I+30%M oS2复合材料磨损表面仅存在少量犁沟和轻微塑性变形迹象见图2(c),Fe元素含量很低见图3(c),相应的偶件磨损表面S元素含量亦较低见图4(c).据此可知,P I+30%M oS2复合材料在偶件表面形成的转移膜虽然很薄,但该转移膜可有效
15、阻止复合材料同偶件表面的直接接触及摩擦副表面材料的相互转移,因此该复合材料表现出良好的减摩和抗磨性能表2.而P I+10%PTFE+20%M oS2复合材料磨损表面呈现较为严重的剥落及塑性变形迹象见图2(d),相应的偶件磨损表面元素面分布分析结果表明该种复合材料难以在偶件磨损表面形成转移膜,这同其较高的摩擦系数和磨损率相一致.综上所述,P I复合材料的摩擦磨损性能同其在偶件磨损表面形成的转移膜的性质密切相关,P I复合材料在偶件表面形成的转移膜并非越厚越好;当转移膜厚度适当且分布较均匀时,复合材料的减摩抗磨性能良好.3结论a.PTFE作为填充相可以降低P I的摩擦系数和磨损率;当P I复合材料
16、中PTFE的体积分数为30%时,相应的P I2PTFE复合材料的综合摩擦磨损性能较好.b.PTFE和M oS2作为复合填充相可以显著改善P I的摩擦磨损性能,其中P I+30%M oS2复合材料的减摩性能最佳,其摩擦系数同P I的相比降低了约50%;除P I+10%PTFE+20%M oS2外,其它几种复合材料的抗磨性能均明显优于纯P I,其中P I+20%PTFE+10%M oS2的抗磨性能最佳,其磨损率比纯P I的低1个数量级;P I+30%M oS2复合材料的综合摩擦磨损性能最佳.c.P I复合材料的摩擦磨损性能同其在偶件磨损表面形成的转移膜的性质密切相关,能够在偶件磨损表面形成厚度适当
17、且分布较均匀的转移膜的P I复合材料的减摩抗磨性能较好.参考文献:1 颜红侠,黄英,葛琦,等.聚酰亚胺先进复合材料的研究进展J.化工新型材料,2002,30(1):629.Yan H X,Huang Y,Ge Q,et al.Development of advanced PI2basedcompositesJ.New Chem icalM aterials,2002,30(1):629.2 黄丽,徐定宇,程红原.聚酰亚胺复合材料的性能研究J.北京化工大学学报,1999,26(4):27229.Huang L,Xu D Y,Cheng H Y.Study on the property ofp
18、olyim ide composites J.Journal of Beijing U niversity ofChem ical Technology,1999,26(4):27229.3 贾均红,周惠娣,高生强,等.聚酰亚胺复合材料的摩擦性能及其机理研究J.摩擦学学报,2002,22(4):2732276.Jia J H,Zhou H D,Gao S Q,et al.The tribological behavior ofcarbon fiber reinforced polyim ide composites under waterlubricationJ.Tribology,2002,
19、22(4):2732276.4 贾均红,高生强,陈建敏,等.聚四氟乙烯?碳纤维增强聚酰亚胺复合体系的摩擦学性能J.材料科学与工程学报,2003,21(2):1832186.Jia J H,Gao S Q,Chen J M,et al.Tribological properties andwear mechanism of PTFE and carbon fiber reinforced P IcompositesJ.Journal of M aterials Science&Engineering,2003,21(2):1832186.5 Cai H,Yan F Y,Xue Q J,et al
20、.Investigation of tribologicalproperties of A l2O32polyim ide nanocomposites J.PolymerTesting,2003,22(8):8752882.6 颜红侠,宁荣昌,马晓燕,等.纳米Si3N4填充聚双马来酰亚胺摩擦磨损性能研究J.摩擦学学报,2001,21(6):4522455.Yan H X,N ing R C,M a X Y,et al.Friction and wear behaviorofnanometerSi3N42filledbismaleim idecomposites J.Tribology,200
21、1,21(6):4522455.7 Jia J H,Zhou H D,Gao S Q,et al.A comparative investigationof the friction andwear behavior of polyim ide composites underdrysliding and water2lubricated condition J.M aterialsScience&Engineering(A),2003,356(122):48253.8 刘功德,李惠林.聚丙烯和二硫化钼对超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能的影响J.摩擦学学报,2004,24(1):21224
22、.L iu G D,L i H L.Effect of polypropylene and molybdenumdisulfide on friction and wear behavior of ultra high molecularweight polyethyleneJ.Tribology,2004,24(1):21224.525第6期朱敏等:聚四氟乙烯和二硫化钼填充聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究Study on the Friction andWear Properties of Polyi m ideComposites Filled with Polytetrafluoroe
23、thylene andM oS2ZHU M in,ZHAN G Zhao2zhu,WAN G Kun,J I AN GW ei(S tate K ey L aboratory of S olid L ubrication,L anzhou Institute of Chem ical Physics,Chinese A cademy of S ciences,L anzhou 730000,China)Abstract:The friction and wear properties of the polyim ide(P I)composites filled w ith polytetra
24、2fluoroethylene(PTFE)and molybdenum disulfide(M oS2)particulates sliding against GCr15 steel under dryfriction condition were studied using anMM2200 ring2on2block friction and wear tester.Theworn surfaces ofthe P I composite blocks and the counterpart steel rings were observed using a scanning elect
25、ron m icroscopeand energy dispersive spectroscope.It was found that PTFE and M oS2as the fillers contributed to improvethe friction and wear behavior of P I.N amely,all the filled P I composites except for P I+10%PTFE+20%M oS2showed much better wear2resistance than the unfilled P I,for example,the P
26、 I+20%PTFE+10%M oS2composite registered awear rate smaller than that of the unfilled P Iby 1 order ofmagnitude,and the filled P Icomposites had smaller friction coefficients than the unfilled P I as well.M oreover,the P I+30%M oS2composite showed the best friction2reducing and antiwear behavior amon
27、g all the composites tested,whichindicated that the inorganic and organic complex fillers did not necessarily have synergistic effect in term s oftheir ability to improve the friction and wear behavior of P I.The improved friction and wear behaviors of thefilled P I composites were closely related t
28、othe characteristics of their transfer film s formed on thecounterpart steel surface.The composites capable of form ing the transfer film w ith proper thickness and evendistribution had better friction and wear behaviors.Key words:PTFE;M oS2;polyim ide composite;friction and wear behaviorAuthor:ZHAN G Zhao2zhu,male,born in 1965,Ph.D.,Research Professor,e2mail:625摩擦学学报第24卷