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1、那七石全.房路甘大含论止岛璧州2 0 0 2年日刀 碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料的摩擦学行为研究 贾均红，周惠 娣，闰 逢元，陈建敏 (中国 科学院兰州 化学物理 研究所固 体润滑国家 重点实 脸室，甘南 兰州7 3 0 0 0 0)摘要:对比 考察了 碳纤维增强P T F E 复合材料在千摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能，考察了其磨损机理.结果表明水润滑下碳纤维增强P T F E复合材料的摩擦系数和磨损率均明显比 干摩擦下的低;复合材料磨损表面可见明显的 裸礴纤维及纤维被局部磨平，没有明显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，沿纤维边缘有偶件铁的转移.干摩擦下，磨痕表面有大量的微观断裂裂纹，纤维发生断
2、裂和破碎，主要呈现粘着磨损和疲劳磨损特征.关键词:聚四氟乙烯:碳纤维;水润滑;摩擦学行为 多数纤维具有很高的强度和刚度以 及良 好的导热性，可以改善聚合物的摩擦磨损特性，并提高其机械性能和使用寿命。2 0世纪9 0 年代以 来国内 外研究者广泛开展了 纤维增强聚合物材料的摩擦学性能 研究 11-s 1。由 于基体磨损显 露出的 纤维(尤以 碳纤 维为 代表)支撑了 摩擦接触面之间的 大部 分载荷，且有助于聚合物向 偶件表面转移，形成连续、均匀且同 偶件表面结合良 好的转移膜，因此纤维增强可提高复合材料的综合性能。针对以 水代替矿物油为传递介质的水基液压传动技术，与其密切相关的水环境条件下的传动
3、元件材料的设计以 及与此相关的 摩擦、磨损和密封技术的 研究已 成为 关注的 热点16 1。而具自 润滑性的碳纤维增强P T F E复合材料在水环境条件下的摩擦学研究报道尚少。本文报道碳纤维增强P T F E在水中的摩擦磨损性能及同干摩擦条件下的摩擦学特性对比，并初步探讨了 其磨损机理。1.实验部分1.1 复合材料的制备 P T F E 粉 末为 上 海电 化 厂 悬 浮 法 生 产的 一 级品，分 子 量为2.5-1 0 ，粉末 粒 度为2 0-1 0 0 1i m，抗 拉 强度大于2 0 M P a，伸长率大于2 6 0%。本 文选用的 碳纤 维为长 约为1 0 0 p i n 的 短纤维
4、，直径为4-5 p m,拉伸强度大于2.O G P a P T F E 模塑粉经严格烘干后过 1 0 0目 标准筛。将各填料按体积比2 5%进行充分机械混合，并在模具内 冷压，在5 0 M P a 压力下保压2 m i n,然后在空气中自 由烧结成型，烧结温度3 7 5，保温6 0 m i n:经切削、打磨制成尺寸为1 3 m m x 7 m m x 6 m m的试块备用。1.2试验条件及分析方法 在M M-2 0 0 型试验机上评价复合材料的摩擦磨损性能，下试样采用 1 C r l 8 N i 9 T i 不锈钢试环，外径为5 0 m m，对应试验机高速(4 0 0 r/m i n)时线速度
5、为1.0 7 m/s，低速(2 0 0 r/m i n)为0.5 4 m/s.试验负荷:1 5-1 0 0 0 N。试样接触形式先为线接触，并逐渐转为弧面接触，试样和偶件环试验前均用9 0 0 水 砂 纸 打 磨，并 用 丙 酮 超 声 清 洗，表 面 粗 糙 度R a 为0.0 8-0.1 8 P m。采 用 蒸 馏 水 润 滑，以 没 分 钟6 5-7 0 滴的速度滴注到摩擦副接触表面，试验时间1 2 0 m i n。用读数显微镜测量磨痕宽度并换算成磨损率，摩擦系数和磨损率的计算公式如式(1 和2)所示:MR.N(1)式中:v 为 摩擦系数;M为摩擦力 矩困二):R 为偶 件试环半 径(m
6、 m);N为法向 载荷(N)o 4.6 7 x b x R-(k-b 1 4)l Lx N式中:。为磨损率(m m 3/N-m);b 为磨痕宽度 (2)(m m);R 为偶件试环半径(m m);L 为滑动距离(m);.国 家自 然科 学 基 金资 助(5 9 9 2 5 5 1 3);浙 江 大 学 流 体传 动 及 控 制国 家 盆 点 实 胜室 开 放 课 月(9 9 0 5)和 中国 科 学院 国 防 创 断 签金 资 助.战g不七石金.礴路毋大含论立岛釜州2 0 0 2年 a月N为垂直载荷(N)。摩擦磨损试验结束后，将复合材料试样经表面 喷金，然后用扫描电 子显 微镜(S E M)及X
7、射线能量色散谱仪(E D S)对磨痕进行 表征分析。2.结果与讨论2.1碳纤维增强P T F E摩攘魔损性能 表1 给出了 碳纤维增强P T F E、石墨填充P T F E 及非填充P T F E 在大气和水润滑条件下的 稳态摩擦系数和磨损率。可以看出，无论在干摩擦下还是在水润滑下，石墨都起到了很好的减摩作用，石墨填充P T F E的摩擦系数最低。3 种材料在水润滑下的 摩擦系数明 显比干摩擦下的低。尽管碳纤维增强P T F E在水润滑下的 摩擦系数较高，但其稳定摩擦系数也仅为0.0 6 9。因此可以 认为，水起到了良好的润滑作用。碳纤维增强 P T F E无论是在干摩擦还是水润滑下的磨损率都
8、最低，这可能是由于碳纤维具有高的强度和良 好的导热性能，提高了P T F E的机械强度，从而改善了P T F E的摩擦磨损性能，而水起到了 润滑和冷却作用，减少了 摩擦，降低了 摩擦表面温升，从而减少了 碳纤维增强 P T F E复合材料的摩擦热所导致的塑性变形和粘着磨损。为了进一步探讨碳纤维在水润滑下的作用机理，对复合材料磨损表面进行了显微分析。T a b l e l F r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d w e a r rat e o f P T F E c o m p o s i t e s i n a i r a n d w a t e
9、 r(2 0 0 N,1.0 7 m/s)表 1 P T F E复合材料在大气和水润滑下的序挤系数和磨损串(2 0 0 N,1.0 7 m/s)C o m p o s i t e sD ry fr i c t i o nWa t e r l u b r i c a t i o nF r i c t i o n c o e f f i c i e n t We a r rat e/1 0 s m m s(N,m)-F r i c t i o n c o e f f i c i e n t We a r r a t e/1 0 s tt u n 3 即m)，P TF E0.23 9.6 60.0
10、41 3.9 2P TF E+Gr.0.1 21 2.20.0 23.1 4P T F E+C.F.0.29.1 90.0 6 92.5 82.2碳纤维增强P T F E磨损表面显徽分析 据文 献 报 道I3-s l，纤 维 增 强 聚合 物的 磨 损 过 程呈 周 期 性，磨 损 初 期，基 体 相因 耐磨 性 较 低 而 被 优先磨掉，这时显露出的纤维支撑了接触面间的部分载荷，纤维因磨损逐渐变细;由于失去了基体的支撑和保护，纤维最终断裂脱落，磨损面又接近于磨损初期，当磨粒压入表面一定深度时，次表面层产生裂纹源，裂纹扩展到表面，并断裂而产生磨屑。此时，复合材料的微观磨损机制可以分为基(a)D
11、 ry s l i d i n g(1 0 0 0 x)(b)Ws t e r l u b r i.(1 0 0 0 x)F i g.1 S E M m o r p h o lo g y o f w o r n s u r f a c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d P T F E c o m p o s i t e s 图1碳纤堆增强P T F E复合材料的磨损表面形貌S E M照片。月 r浮七石合日序路，大合枪直岛世州2 0 0 2年.月体磨损、纤维的滑动磨损、纤维的断裂及纤维淇体脱粘形成磨粒等4 种形式。图1 给出了 碳纤维
12、增强P T F E 复 合材料的 磨损表面形 貌S E M照片，可以 看出干 摩擦下复 合材料的 磨痕表面有明 显的 纤维露出，这些纤维不仅阻止了P T F E带状结构的 大面积破坏而且还有一定的承载能力，因而提高了复合材料的耐磨性。同时可见，磨损表面有大量的微观断裂裂纹，复合材料中纤维发生断裂和破碎，局部表面被磨平，主要表现为粘着磨损和疲劳磨损特征。这与文献结论基本一致。而在水润滑条件下，复合材料磨损表面比 较平整，有明显的纤维露出 及纤维局部磨平，没有明显的微观裂纹.基体和纤维结合较好，E D S 分析表明 沿纤维边缘有偶件铁的转移。图2 给出了2 种条件下不锈钢偶件磨损表面S E M形貌
13、照片。可见干摩擦下偶件磨损表面存在明显的擦伤和犁沟痕迹;而水润滑下偶件磨损表面较为 光滑，仅存在微弱的 切削 痕迹。可以 认为，碳纤维 不易 被水润湿，而基体P T F E同 样具有疏水性，因而水不易渗透纤维/基体表面而导致界面脱粘。露出的 纤维与偶件不锈钢摩擦时，起“刮削”作用而抛光偶件，在干摩擦下纤维的刮削作用较强，因而导致偶件磨损表面产生明显的 擦伤;而在水润滑下，由于边界润滑水膜的形成，纤维的 擦伤作用减弱，同时由于水的冷却作用，大大降低了摩擦热的 作用，使复合材料不易在摩擦力方向 产生变形和塑性流动，抑制了粘着磨损，从而降低了摩擦系数及磨损率。(a)O r i g i n a l(b
14、)D ry s l i d in g(c)W a t e r l u b r i.F ig.2 S E M m o r p h o l o g y o f w o r n s u r f a c e o f s t e e l c o u n t e r f a c e 圈2不份俐们件启损表面形貌S E M抓片3.结论 a.在水润滑条件下，碳纤维增强P T F E 复合材料和石墨填充P T F E复合材料的 摩擦系数和磨损率均明显比干摩擦下的低。b 在水润滑条件下，复合材料的 磨损表面光滑，没有明 显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，纤维被局部磨平;干摩擦下，碳纤维增强P T F E 主要呈现粘
15、着磨损和疲劳磨损特征。c.在水润滑条件下，磨损露出的纤维起“刮削”作用而抛光偶件，可能形成了边界润滑水膜:由于水的冷却作用，抑制了摩擦热的作用，并减轻了 粘着磨损，从而使得复合材料表现出 较好的耐磨性。S 7 o郊七全二 路，大合论止岛世州2 0 0 2年e刀参考文献:川W A N G J u n x i a n g(王 军 祥)，G E S h i n i n g葛世 荣).T h e P r o g r e s s o f S t u d y o f C a r b o n R e in f o r c e d P o ly m e r c o m p o s it e s(纤 维增强聚合
16、物复合材料的 雄擦学 研究 进展)J .T r ib o lo g y摩擦学学 报)，2 0 0 0,2 0(1):7 6-8 0.2 B u h a d u r S,T h e e ff e c t o f r e in f o r c e m e n t a n d t h e s y n e r g i s m b e t w e e n C u S a n d c a r b o n f i b e r o n th e w e a r o f n y l o n J .W e a r,1 9 9 4,1 7 8:1 2 3-1 3 0.3 Z H A O W e i y a n 良伟
17、 用，L l Y a n(李 岩)，e t a l.T h e F r ic t io n a n d W e a r B e h a v i o r o f P o ly e t h e r s u l f o n e C o m p o s i te s R e i n f o r c e d w it h C a r b o n F ib e r 碳 纤 维 增 强 聚 醚 碱 复 合 材 料 的 摩 擦 磨 损 性 能 研 究)J .T r ib o l o g y(14 擦 学 学 报),2 0 0 0,2 0(6):4 2 1-4 2 5.4 S.B a h a d u r,Y Z
18、 h a n g,M e c h a n i c a l a n d T r i b o l o g i c a l b e h a v io u r o f p o ly e s t e r r e in f o r c e d w i t h s h o rt g la s s f i b e r s 1 .W e a r,1 9 9 0,1 3 7:2 5 1-2 6 6.5 S.B a h a d u r,V K.P o l in e n i,T r ib o l o g i c a l s t u d i e s o f g l a s s f a b r i c-r e in f
19、o r c e d p o l y a m id e c o m p o s it e s f i l le d w it h C u O a r i d P T F E J .W e a r,1 9 9 6,2 0 0:9 5-1 0 4.6 J I A l u n h o n g,(贾 均 红)，Z H O U H u id i(1 ig 惠 娣)，C H E N J i a n m i n(陈 建 敏).D e v e l o p m e n t s it u a t io n o f t h e s t u d y o f p o ly m e r a n d c e r a m i c U n d e r w a t e r l u b r ic a t e d c o n d it io n(聚 合 物 及陶 瓷 材 料 在 水 介 质中 的 摩 擦学发 展现 状)1 .L u b r i c a t i o n E n g i n e r r i n g润滑与密封).2 0 0 1,3:6 3-6 7切