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1、 http:/ 多元填充聚四氟乙烯基复合材料摩擦学性能多元填充聚四氟乙烯基复合材料摩擦学性能 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 PEEK、PPS 混合填充 PTFE 基复合材料，利用环-块式磨损试验机，研究了在干摩擦条件下的摩擦学性能；用扫描电镜观察了磨损表面形貌，分析了材料的磨损机理。结果表明：混合填充 PEEK 和 PPS 时，材料的摩擦系数比单独添加任何一种都有所增大，当二者质量分数相等时，
2、摩擦系数最大；磨损率的变化趋势与摩擦系数的相同；随着 PEEK 含量的增加和 PPS 含量的减少，材料的磨损方式由疲劳剥落磨损为主转变为犁削、粘着磨损为主。PTFE 含量的增加，使得复合材料的摩擦系数减小，而磨损率有所增大。综合考虑认为，混合填充的复合材料具有较高的摩擦系数和较好的耐磨性，能够满足粘弹-摩擦阻尼材料的需要。关键词关键词：聚四氟乙烯 聚醚醚酮 聚苯硫醚 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，可以在苛刻条件下的机械结构中作为减振元件应用，为了提高这种
3、减振结构的阻尼性能，需要从提高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，同时需要提高材料的耐磨性，以提高材料的使用寿命。因为PTFE本身的摩擦系数很小，且耐磨性很差，限制了在减振工程中的应用。当其中加入某些无机颗粒或高分子聚合物等填料后，材料的摩擦系数会有所提高，同时耐磨性得到很大的提高，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14。用于填充PTFE的聚合物材料很多。聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）都具有机械强度高、耐热、耐腐蚀、耐磨、抗蠕变等性能5，6。研究发现，PTFE中混合添加PEEK和PPS能够改善材料的粘弹阻尼性能，而国内外有关PE
4、EK、PPS混合填充PTFE基复合材料摩擦学性能研究还未见报道，本文采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了PEEK、PPS混合填充PTFE基复合材料，研究了干摩擦条件下不同材料配比对复合材料摩擦学性能的影响，并分析了磨损机理，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；PEEK，长春吉大高新材料有限责任公司，平均粒径 10m；PPS，自贡鸿鹤特种工程塑料有限公司，平均粒径 50m 2.2 复合材料的制备复合材料的制备 试验分为两部分，第一部分试验材料配比见表 1，主要研究添加不同含量的 PEEK 和
5、PPS 对材料摩擦学性能的影响；第二部分确定 PTFE 含量分别为 60%、65%、70%、75%、80%，添加的本课题得到哈尔滨市科技攻关计划项目基金资助（2004AA2CG126）-1-http:/ PEEK 与 PPS 比例为 1：1，研究 PTFE 的含量对材料摩擦学性能的影响。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。Table 1 Prescriptions of the first part experiment(mass fraction)表 1 第一部分试验材料的配比（质量分数）第一组 第二组 1#2#3#4#5#2
6、1#22#23#24#25#PTFE 70%60%PEEK 0 10%15%20%30%0 10%20%30%40%PPS 30%20%15%10%0 40%30%20%10%0 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 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 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，晾干后使用。试验后
7、，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)示出了第一部分试验中两组材料的摩擦系数与不同配比的关系曲线。可以看出，第一组材料中随着添加物中 PEEK 含量的增大，材料的摩擦系数不断增大；PEEK 与 PPS含量比例为 1：1 时，摩擦系数最大；然后，摩擦系数又逐渐减小。对于第二组材料，摩擦系数变化趋势与第一组相同，只是摩擦系数比第一组的略高。05 10 15 20 25 30 35 400.00.10.20.3 Fir
8、st group Second group 05 10 15 20 25 30 35 400123 First group Second group Width of wear scar/mm Friction coefficient Mass fraction of PEEK%Mass fraction of PEEK%a)Friction coefficientb)Width of wear scar 图 1 第一部分试验中两组材料的摩擦学性能 Fig 1 Tribological properties of composites in the first part experiment
9、图 1b)为两组材料磨痕宽度与不同材料配比的关系曲线，磨痕宽度表示磨损率的大小。可以看出，两组材料磨损率的变化趋势与摩擦系数的相同，都是随着添加物中 PEEK含量的增大，磨损率逐渐增大；当 PEEK 与 PPS 含量比例相同时，磨损率达到最大值，然后又逐渐减小；第二组材料的磨损率变化情况与第一组相似，但磨损率比第一组材料小。在 PTFE 中只添加 PPS，当添加量较高时邻近的 PPS 颗粒在烧结过程中熔融互相连结，形成较大块的网状结合体，贯穿于 PTFE 结晶体中。在摩擦过程中，主要是由 PPS 承担外载荷、与钢环对摩，复合材料中的 PTFE 能够在对摩钢环上能形成转移膜，改善了PPS 与钢环
10、之间的摩擦情况，而且连结成大块的 PPS 与对摩面的接触面积较大，不容易破坏转移膜的连续性，PPS 与钢直接接触的机会很少，而主要是与 PTFE 转移膜接触摩擦，-2-http:/-3-使得摩擦系数较低。同时大块网状连结的 PPS 不容易从基体脱落，而且能够阻止 PTFE 带状结晶的被破坏，减轻 PTFE 的磨损；而且能够降低 PPS 硬质颗粒与对摩面接触的应力，减轻对钢环表面转移膜的破坏，转移膜反过来能够保护复合材料的磨损，同时由于 PPS 耐磨性很好，因此材料的磨损较小，提高了材料抗磨损能力。单独添加 PEEK 时，由于 PEEK 颗粒尺寸很小，均匀地分散在 PTFE 中，而 PTFE 主
11、要以带状结晶结构形式存在，容易发生剪切变形和滑移，而且 PEEK 和 PTFE 都能较容易在对偶面形成转移膜，在摩擦中起到了润滑的作用，因此摩擦系数较低。PEEK 作为增强相加入，与 PTFE 密实地结合为一体，提高了材料的强度和硬度，而且 PTFE 与 PEEK 共同形成的转移膜在钢环上有很好的附着性，不易在摩擦过程中被破坏，对复合材料的磨损起到了很好的保护作用，从而提高了材料的耐磨性。混合填充 PTFE 复合材料，PEEK 和 PPS 在 PTFE 中的分布较为分散，较少的 PPS 硬质颗粒分散在摩擦表面，与对偶面接触应力较高，硬质点与对偶面的犁削作用增强，会破坏对偶面上转移膜的连续性，使
12、 PPS 颗粒与钢环的直接接触点增多，由于 PPS 与钢对摩的摩擦系数较大，导致复合材料的摩擦系数增大；单独分散在基体中的 PPS 硬质颗粒与基体的结合较差，在摩擦过程中受循环载荷的作用，结合界面很容易产生疲劳断裂，颗粒很容易从基体上脱落，将 PTFE 暴露出来，承受载荷参与摩擦，由于 PTFE 的耐磨性很差，迅速被磨损，加剧了材料的磨损，导致材料的耐磨性变差。图 2 为第二部分试验中不同 PTFE 含量的材料的摩擦学性能变化曲线。结合图 1 可以看出，在研究范围内，随着 PTFE 含量的增加，材料的摩擦系数逐渐减小，而磨痕宽度逐渐增大。分析认为，当 PTFE 含量较高时，在对偶面能够形成较好
13、的转移膜，降低材料的摩擦系数，但是会有较多的 PTFE 承受载荷参与摩擦，容易被磨损掉，导致复合材料的耐磨性较差。60657075800.00.10.20.3 60657075800123 Width of wear scar/mm Friction coefficient Mass fraction of PTFE%Mass fraction of PTFE%b)Width of wear scar a)Friction coefficient 图 2 不同 PTFE 含量的材料的摩擦学性能 Fig 2 Tribological properties of composites with d
14、ifferent content of PTFE 总体来说，经过混合填充改性的 PTFE 基复合材料的摩擦系数要比纯 PTFE 和单一填充改性的都要大；而耐磨性比单一填充改性的差，但相比纯 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 3 示出了第一部分试验的几种复合材料磨损表面形貌 SEM 照片。由图 3a)和 d)可见，磨损表面有明显的微观裂纹和破碎颗粒。当单独添加 PPS 时，其在基体中呈颗粒状分布，烧结使其与 PTFE 一定程度的结合在一起，而且邻近几个 PPS 颗粒可以熔融连结在一起形成较大颗粒，因 PPS 刚度和
15、硬度都较大，而 PTFE 的塑性较好，在正压力和剪切力的共同作用下，磨损表面产生不协调的变形，导致连结在一起的 PPS 颗 http:/ a)1#b)3#c)5#d)21#e)23#f)25#图 3 复合材料磨损表面形貌 SEM 照片 Fig 3 SEM morphologies of wore surface of composites 粒重新破碎为小颗粒；而且在摩擦过程中 PPS 颗粒成为应力集中源，在其周围产生应力集中，使周围的材料产生塑性变形，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，使其周围的应力和材料的塑性变形不断增大，过大的应力集中和塑性变形就会导致
16、 PPS 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，随着滑动摩擦的循环作用，最终导致颗粒脱落，在磨损表面留下剥落坑，出现疲劳磨损。由图 3c)和 f)可见，材料磨损表面有塑性变形和粘着剥落的痕迹，以及许多平行排列很浅的犁沟。当单独添加 PEEK 时，由于摩擦发热量很大，摩擦表面局部发生熔融而造成表层材料的塑性变形；在与钢对摩的过程中，PTFE 和 PEEK 由于微切削和粘着作用从复合材料表面脱离，在钢环表面形成转移膜，减少了钢与复合材料的直接接触，这样能够减轻钢表面的凸峰对复合材料的犁削，使得磨损表面的犁沟变浅，同时也能够降低材料的粘着磨损。由图 3b)可见，磨损表面有较
17、大的犁沟和沿运动方向的粘着痕迹以及疲劳裂纹。当PEEK、PPS 混合添加时，因材料中分布的 PPS 硬质颗粒较少，材料宏观硬度较低，抗犁削能力较差，同时分散的 PPS 颗粒与钢环接触应力很大，破坏了对偶面上转移膜的连续性，使得复合材料与钢直接接触摩擦，犁削作用明显，粘着磨损也很严重；PPS 颗粒由于循环应力的作用在界面处产生疲劳裂纹。图 3e)与 b)相似，有粘着痕迹和疲劳裂纹，只是磨损表面没有明显的犁沟，说明在 PPS/PEEK 含量较高时，由于硬质颗粒的作用，材料的宏观硬度有所提高，抗犁削能力得到提高。总体而言，对于 PTFE 基复合材料，通常作用在表面上的摩擦剪应力大于产生塑性变形所需要
18、的临界剪应力，因而表面区域的塑性变形在摩擦力中占有主要地位。当 PPS 含量-4-http:/ 较高时，由于 PPS 贯穿于 PTFE 晶体中，能够形成近似于空间网状的结构，减少了 PTFE向对偶面的转移，提高了材料抗犁削和粘着能力，并且裸露于表面的部分可有效地承担外载荷，从而提高了材料的抗磨损能力。而当 PEEK 含量较大时，与 PTFE 共同在对偶面上形成连续的牢固的转移膜，减小了摩擦系数，同时也提高了材料的抗磨损能力。4.结论结论（1）随着 PEEK 含量的增加和 PPS 含量的降低，PTFE 基复合材料的摩擦系数和磨损率都是先增大后减小，在二者比例相同时达到最大值；（2）复合材料的摩擦
19、系数随着 PTFE 含量的增加而逐渐减小，耐磨性逐渐变差，但比纯 PTFE 的耐磨性要好得多；（3）单独添加 PPS，材料的磨损主要表现为表面破裂和疲劳磨损；只添加 PEEK，磨损形式主要是微切削和粘着磨损；二者混合添加时，材料的磨损表现为犁削、粘着和疲劳的共同作用。结合材料的粘弹阻尼考虑，PEEK 和 PPS 按一定比例混合填充 PTFE 基复合材料的摩擦系数较高、耐磨性较好，具有较好的粘弹-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。参考文献 1 Talat Tevruz.Tribological behaviours of carbon filled polytetrafl
20、uoroethylene(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.Tribology International,1998,31(7):361-368.3 Li F,Hu K,Li J L,et al.
21、The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filled polytetrafluoroethylene J.Wear,2001,249(10-11):877-882.4 赵普，刘近朱，王齐华，等聚苯酯、聚酰亚胺填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能研究J材料科学与工程学报，2003，21（6）：851-854.5 颜红侠，宁荣昌，张秋禹聚苯硫醚在摩擦领域中的应用研究J塑料科技，2001，141：9，10，33.6 B.H.Stuart.Tribological studies of poly(ether ether ketone)
22、blends J.Tribology International.1998,31(11):647-651.Tribological properties of PTFE-based composites filled with multi-component 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-tribolo
23、gical damping material,PTFE-based composites filled with PEEK and PPS were prepared by mechanical blending,cold compression molding and sintering.With a block-on-ring wear test rig,the friction and wear behaviors of composites were investigated under dry sliding condition against 9Cr18 steel.Scannin
24、g electron microscope(SEM)was employed to study-5-http:/ worn surfaces of composites.Wear mechanism was analyzed.Results show that friction coefficient increases as the content of PEEK increases and the content of PPS decreases at first.The value reaches maximum when mass fraction of PEEK is in same
25、 proportion to PPS.Then the value decreases.The variety trend of wear-rate is in accord with that of friction coefficient.Wear form changes from fatigue wear to abrasive and adhesion wear.As the content of PTFE increases,friction coefficient decreases,but wear becomes severe.Composite filled with PE
26、EK and PPS together possesses higher friction coefficient and better anti-wear,so it can meet better demands of viscoelastic-tribological damping material synthetically at rigorous conditions.Key words:PTFE;PEEK;PPS;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。-6-