聚酰亞胺填充三層復合材料摩擦磨損影響因素分析

焦明華，張武軍，田明，蘇柏萬，解挺

(合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

聚四氟乙烯(PTFE)是一種性能優異的特種工程塑料，具有低摩擦因數、良好的化學穩定性和耐高低溫性等優點。PTFE基三層復合材料作為一種優良的自潤滑軸承材料得到了迅猛發展和廣泛使用[1-3]。 在傳統的三層復合材料中大量使用了潤滑劑材料鉛，與PTFE混配使三層復合材料的減摩自潤滑性能和耐磨性能得到很大提升，但鉛對人類生存環境有嚴重危害，限制或停止使用已逐漸成為趨勢[4-5]。因此無鉛三層復合材料的研究具有重要意義。

部分聚合物填料及其與固體潤滑添加劑對PTFE基三層復合材料的單獨或復合改性，能使材料的摩擦學性能得到一定程度的提高[6-10]。通過研究發現，在PTFE中加入聚酰亞胺(PI)材料可有效改善PTFE三層復合材料的摩擦、磨損性能[4,11]，但PI的選擇對使用效果影響很大。下文主要考察了兩種不同PI樹脂填加到PTFE基三層復合材料的摩擦學特性，比較了PI配方與含鉛配方的性能差異及微觀作用機理，并分析了不同含量的石墨(Gr)、二硫化鉬(MoS2)等固體潤滑添加劑對該類三層復合材料摩擦、磨損特性的影響。

1 試驗方法

試驗使用的主要原材料見表1，兩種PI配方的基本組分和比例相同。將各組分別在高速攪拌器內充分混合，制成黏稠狀混合物，用軋機復合在鋼背銅粉板上，最后燒結塑化為自潤滑板材試樣。

表1 PTFE基三層復合材料的主要制備原料

摩擦磨損試驗在合肥工業大學研制的HDM-20端面摩擦磨損試驗機上進行，采用標準環形上試樣(內徑22 mm，外徑30 mm)，試驗材料制成邊長38 mm的正方體下試樣。試驗采用逐級加載及定載兩種方式進行，分別考察干摩擦和油潤滑條件下的摩擦、磨損性能。

2 試驗分析

2.1 PI對減摩耐磨性能的影響

將PI1與PI2分別加入到PTFE基三層復合材料中制成1#和2#(配方)試樣，與典型含鉛配方3#試樣在相同工況下做摩擦、磨損試驗，各種潤滑狀態下的試驗結果如圖1所示。由圖1a可知，干摩擦情況下2#試樣減摩效果明顯優于1#試樣；輕載荷時3#試樣的摩擦較小，但隨著載荷的增加，2#試樣表現出更好的減摩效果，1#試樣摩擦特性相對最差。而在油潤滑狀態，含PI配方試樣的摩擦磨損性能明顯優于含鉛配方試樣，且在試驗應力小于32 MPa時，1#試樣的摩擦因數始終低于2#試樣，但大載荷下2#試樣減摩性能更為突出。

圖1 摩擦因數隨載荷的變化情況

定載荷試驗下試樣磨痕深度如圖2所示，由圖可知，邊界潤滑和油潤滑時，1#試樣在較輕載荷下磨損量最小；在干摩擦條件下，2#試樣的耐磨性稍好。總體看，含PI配方試樣的減摩耐磨性能和承載能力都明顯好于含鉛配方試樣，并且不同類型PI填充增強的復合材料對減摩和抗磨特性的影響具有一致性，即減摩自潤滑效果好的試樣，其磨損量也相對較低。

圖2 磨痕深度柱狀圖(V=0.6 m/s,10 MPa)

2.2 固體潤滑劑對摩擦磨損性能的影響

為進一步探討PI填充無鉛PTFE基三層復合材料的摩擦學性能，選擇油潤滑和干摩擦性能反差較大的PI1配方，分別調整固體潤滑劑的種類及含量，分析固體潤滑劑對性能的影響。試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 干摩擦摩擦因數及磨痕深度變化

圖4 油潤滑平均摩擦因數及磨痕深度變化

結果表明，在干摩擦狀況下加入MoS2可以達到比加入Gr更好的減摩耐磨效果，特別是當固體潤滑劑含量為9%時，含MoS2材料的摩擦因數相比加入Gr可降低約0.02，磨損量更是減少了60%。但是在油潤滑條件下，隨著MoS2，Gr含量的增加，復合材料都能獲得更好的減摩自潤滑特性，且Gr的實用效果不遜色于MoS2，表現出更好的性價比。

3 摩擦磨損機制分析

兩種PI填充無鉛PTFE基三層復合材料試樣的磨痕表面相貌如圖5所示。從圖5a干摩擦顯微照片可以看出，1#試樣的表面晶粒細致均勻，說明雙馬來型PI與PTFE很好的混融。而2#試樣中兩種聚合物的融合性較差，物相界區比較明顯，PI的偏析使承載能力增強并改善復合材料的耐磨性，表現出的宏觀磨損量較小。但在油潤滑時，PI1配方的細密均勻性則可以使摩擦表面的微觀劃痕溝坑均勻分布(圖5b)，并獲得比2#試樣更好的儲油潤滑特性和減摩耐磨效果。

圖5 干摩擦和油潤滑時試樣磨痕表面形貌

4 結論

(1)不同類型PI樹脂填充的PTFE三層復合材料減摩耐磨性能有明顯差異，一般情況雙馬來型PI配方在油潤滑時摩擦因數和磨損量最小，但在大載荷下含MS10配方的減摩性能和承載能力更為突出。

(2)固體潤滑劑明顯影響PI填充復合材料的摩擦磨損性能，干摩擦狀況下加入MoS2可以獲得比加入Gr更好的減摩耐磨特性。但在油潤滑時，Gr的實用效果不遜色于MoS2，且性價比更高。

(3)PI與PTFE的混融性是影響三層復合材料性能的主要因素，應針對不同的潤滑狀態及承載要求，選擇合適的PI對PTFE進行填充改性。