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1、 http:/ 石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能 李文忠，王黎钦，古乐，郑德志 李文忠，王黎钦，古乐，郑德志 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150001 E-mail: 摘摘 要要：为了研制 PTFE 基粘弹-摩擦型阻尼材料，采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨/聚苯硫醚/聚醚醚酮混合填充 PTFE 基复合材料，利用环-块式磨损试验机，在干摩擦条件下考察了复合材料的摩擦学性能；并用扫描电镜观察了磨损表面形貌，研究了复合材料的磨损机理。结果表明：PTFE 含量不同的复合材料，随石墨填充量的增大，摩擦系数和磨损率的变化趋势不同
2、，磨损主要由犁削、粘着和疲劳剥落中的一种或几种引起；适当配比的 PTFE 基复合材料具有较好的摩擦阻尼性能，能够满足粘弹-摩擦阻尼材料的要求。关键词关键词：聚四氟乙烯 石墨 复合材料 摩擦学性能 1.引引 言言 聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的物理化学性能，耐腐蚀性极强，耐高低温，是一种广泛应用的高性能工程塑料。利用 PTFE 的粘弹阻尼和摩擦阻尼耗能，可以在苛刻环境下的机械装置中作为减振部件应用。为了提高这种减振部件的阻尼性能，需要从提高减振材料的粘弹阻尼和摩擦阻尼两个方面研究。为此，需要提高材料的摩擦系数，同时也要提高材料的耐磨性，以延长材料的使用寿命。PTFE自身的摩擦系数很小，且耐磨性
3、很差，限制了在减振工程中的应用。而当其中添加某些无机颗粒或高分子聚合物后，材料的摩擦系数会提高，同时耐磨性可得到很大的提高，人们已经对填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了很多的研究15。用于填充PTFE的材料很多。聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）都具有机械强度高、耐热、耐腐蚀、耐磨、抗蠕变等性能，在PTFE中填充可大大改善耐蠕变性和耐磨性；在PTFE中填充石墨可明显提高耐磨性，及压缩蠕变性和导热性。国内外有关石墨/PPS/PEEK混合填充PTFE基复合材料摩擦学性能的研究还未见报道，本文采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨、PPS、PEEK混合填充PTFE复合材料，考察了干
4、摩擦条件下石墨的含量对复合材料摩擦学性能的影响，并研究了材料的磨损机理，期望为PTFE基复合材料在减振中的应用提供依据。2.试验部分试验部分 2.1 原材料原材料 PTFE，化工部四川晨光研究院，2040m；石墨，青岛莱西光大石墨有限公司，平均粒径 2m；PPS，自贡鸿鹤特种工程塑料有限公司，平均粒径 50m；PEEK，长春吉大高新材料有限责任公司，平均粒径 10m。2.2 复合材料的制备复合材料的制备 试验分为两组。第一组试验中固定 PTFE：PPS：PEEK 三者的比例为 7：1.5：1.5，然后分别添加含本课题得到哈尔滨市科技攻关计划项目基金资助（2004AA2CG126）-1-http
5、:/ 量为 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的石墨。第二组实验中材料配比为固定 PTFE：PPS：PEEK 三者为 3：1：1，然后添加石墨含量分别为 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%。将不同配比的粉料在高速搅拌机中混合均匀，填入模具内压制成毛坯，然后在烧结炉内以一定的加热程序烧结成型。2.3 摩擦学性能测试摩擦学性能测试 利用环-块式磨损试验机考察材料的摩擦学性能。复合材料试样为块状，尺寸为61020mm；对摩环的材料为 9Cr18 不锈钢，淬火，硬度为 HRC6163，尺寸为内径16mm，外径 40mm，厚度 10mm。复合材料试样固定，钢环旋转，转速
6、400r/min，固定载荷 98N，室温下干摩擦 30min。试验前，将试样和钢环对摩面用 2000#砂纸打磨，然后用丙酮清洗表面，晾干后使用。试验后，测量试样的磨痕宽度，以此衡量材料的耐磨性。用 S570 型扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌。3.试验结果与分析试验结果与分析 3.1 材料配比对复合材料摩擦学性能的影响材料配比对复合材料摩擦学性能的影响 图 1a)示出了两组试验的材料摩擦系数随石墨含量变化的曲线。可以看出，在第一组试验中，当石墨含量低于 20%时，随着石墨含量的增大，材料的摩擦系数稍稍降低，而当含量超过这个值后，摩擦系数升高；对于第二组试验，材料的摩擦系数与第一组较为接近
7、，随石墨含量的增加摩擦系数先是降低，超过 5%后缓慢升高，然后趋于平稳。磨痕宽度/mm 0510152025300.000.080.160.240.32 第一组 第二组0510152025300123 第一组 第二组 摩擦系数 石墨含量%石墨含量%a)摩擦系数 b)磨痕宽度 图 1 两组材料的摩擦学性能 图 1b)为两组试验材料的磨痕宽度与石墨含量的关系曲线，磨痕宽度衡量磨损率的大小。可以看出，第一组材料的磨损率首先随着石墨的加入而升高，而当石墨含量超过 5%后，磨损率降低，最后趋于平稳；第二组材料的磨损率随着石墨含量的增大而稍有升高，但耐磨性比第一组试验材料的稍好。对于 PTFE 含量为 7
8、0%的第一组复合材料，由于 PTFE 含量较高，在材料中添加石墨时，能够与 PTFE 共同作用，在对摩面上形成较好的转移膜，从而降低摩擦系数；当石墨达到一定含量时，转移膜中的石墨增多，会导致摩擦系数有所升高。当添加少量石墨时，石墨颗粒分散在聚合物基体中，因为与聚合物的界面结合强度较差，从而降低了复合材料的抗拉强度，材料容易被粘着和犁削而脱落，使得磨损量增大；而随着石墨含量的提高，较多的石墨颗粒可以承受载荷，参与摩擦，阻止了 PTFE 基体大片剥落，向对偶面转移，因此提高了材料的耐磨性。对于 PTFE 含量为 60%的第二组复合材料，由于 PTFE 含量较低，摩擦过程中在对摩面上不能很好地形成转
9、移膜，而且转移膜的附着性较差，容易从钢环表面脱落，而添加少-2-http:/ 量石墨即可改善转移膜的形成，从而降低摩擦系数；继续增大石墨的含量，则会使转移膜中的石墨增加，使得摩擦系数稍微提高。而由于无机颗粒石墨的加入，使得材料的强度有所下降，容易受摩擦载荷作用而剥落，导致材料的磨损率增大。总体来说，经过混合添充改性的 PTFE 基复合材料的摩擦系数要比纯 PTFE 要大，且耐磨性比纯 PTFE 有很大的改善。3.2 复合材料磨损表面形貌复合材料磨损表面形貌 SEM 及磨损机理分析及磨损机理分析 图 2 示出了几种复合材料的磨损表面形貌 SEM 照片。图 2a)为第一组试验中石墨含量为 5%的材
10、料的照片，材料磨损表面有明显的塑性变形和犁削痕迹，以及粘着剥落。这是由于复合材料中 PTFE 的含量较高，宏观硬度较低，抗犁削和粘着的能力较差，钢环表面的微凸峰对材料具有很强的犁削作用，由于微切削和粘着作用导致复合材料表层磨损；且在与钢对摩的过程中，由于摩擦温升，材料表面局部发生熔融而造成塑性变形。图 2b)为第一组试验中石墨含量为 30%的材料的照片，可以看到，磨损表面有疲劳剥落和粘着的痕迹，而没有明显的犁沟。这是由于 PTFE 在材料中含量降低，而其它硬质相相应的增加，使得材料的宏观硬度有所提高，抗犁削能力得到提高。当石墨含量较高时，它们分散在聚合物中，摩擦过程中磨损表面的石墨颗粒成为应力
11、集中源，当对偶面上的硬凸峰在复合材料表面滑动时，这些硬质点就受到循环载荷的作用，导致石墨颗粒与基体交界处出现疲劳裂纹，在周期性载荷的作用下裂纹不断扩展，最终导致颗粒脱落，在磨损表面留下剥落坑，出现疲劳磨损。图 2c)为第二组试验中石墨含量 5%的材料的照片，与图 2b)类似，磨损表面没有明显的犁沟，只有很浅的疲劳剥落痕迹，说明 PTFE 在材料中含量较低时，由于填充硬质相的作用，材料的宏观硬度提高，抗犁削能力得到提高，而分散的石墨颗粒容易引起应力集中，导致疲劳剥落。图 2d)为第二组试验中石墨含量 30%的材料的照片，可见，磨损表面有较大的犁沟和塑性变形以及明显的粘着痕迹。因为这个试样的石墨含
12、量较高，PTFE 所占比例进一步降低，大量石墨的加入降低了材料的强度，容易发生塑性变形，抗犁削能力变差，同时硬质点破坏了对偶面上的转移膜的连续性，使得钢对复合材料的犁削作用很明显，而且粘着磨损也加重。c)d)a)b)图 2 复合材料磨损表面形貌4.结论结论 适当选择 PTFE 基复合材料的配比，可以获得具有较高摩擦系数和较好耐磨性的材料；不同配比的复合材料的磨损形式不同，主要由犁削、疲劳剥落和粘着磨损中的一种或几种因素引起。结合复合材料的粘弹阻尼考虑，适当配比的 PTFE 基复合材料具有较好的粘弹阻尼和摩擦阻尼性能，能够在苛刻工况下作为有限寿命的减振结构材料。-3-http:/ 参考文献 1
13、Talat Tevruz.Tribological behaviours of carbon filled polytetrafluoroethylene(PTFE)dry journal bearings J.Wear,1998,221:61-68.2 Zhang Z Z,Xue Q J,Liu W M,et al.Friction and wear characteristics of lead and its compounds filled polytetrapluoroethylene composites under oil lubrication conditions J.Tri
14、bology International,1998,31(7):361-368.3 Li F,Hu K,Li J L,et al.The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filled polytetrafluoroethylene J.Wear,2001,249(10-11):877-882.4 袁荣根填充聚四氟乙烯摩擦磨损特性J有机氟工业，1998，（2）：1518 5 刘厚才，庞佑霞，郭源君Ekonol 对 Ekonol-石墨-PTFE 自润滑复合材料的摩擦学性能的影响J润滑与密封，2001，（2）：3941 Tribo
15、logical properties of PTFE-based composites filled with graphite LI Wen-zhong,WANG Li-qin,GU Le,ZHENG De-zhi School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China ABSTRACT To develop viscoelastic-tribological damping material,PTFE-based composites filled with graphite
16、,PPS and PEEK were prepared by mechanical blending,cold compression molding and sintering.With a block-on-ring wear tester,the friction and wear behaviors of composites were investigated under dry sliding condition against 9Cr18 steel.Scanning electron microscope was employed to study worn surfaces
17、of composites.Wear mechanism was analyzed.Results show that the variety trend of friction coefficient and wear-rate of composites are complicated as the content of graphite increases,when the content of PTFE is different.The wear results from one or several factors among fatigue wear,abrasive and ad
18、hesion wear.The PTFE-based composite with proper prescription possesses better tribological damping,so it can meet better demands of viscoelastic-tribological damping material synthetically at rigorous conditions.Key words:PTFE;graphite;composite;tribological property 李文忠（1976），男，河北省石家庄人，在读博士，现在哈尔滨工业大学机电工程学院，主要从事粘弹复合材料在轴承支承减振中的应用研究。-4-