高速條件下PTFE編織復合材料的摩擦磨損性能

張智源，杜三明，張永振，康克家

（河南科技大學河南省材料摩擦學重點實驗室，洛陽 471003）

0 引 言

聚四氟乙烯（PTFE）是國內外應用非常廣泛的一種工程塑料，有“塑料王”之稱，它具有寬的溫度使用范圍和優異的化學穩定性、表面不粘性，以及良好的耐大氣老化、電絕緣性、自潤滑性，并且它的摩擦因數是已知實用滑動材料中最小的。這些優點使其成為航空航天、石油化工、機械等工業中不可缺少的重要材料之一。但PTFE自身的磨損率高、承載能力差［1］、線膨脹系數較大、彈性模量小、耐蠕變性能差、易冷流，特別是耐磨損性能差等缺點，極大地限制了它的適用范圍［2－4］。為了提高PTFE的綜合性能，研究人員對其進行改性研究［5－6］，改性后PTFE復合材料在航天航空、汽車、儀表、機械等行業中都獲得了廣泛應用。

改性PTFE復合材料的摩擦磨損過程比較復雜，關于填料對PTFE改性機理及對減磨的作用，目前還存在著幾種不同的觀點，這些觀點分別從不同角度解釋了填料改性PTFE復合材料的減磨機理。但是，不同的條件下影響摩擦磨損的主導因素會發生改變，導致了磨損機理發生變化。

目前，航空自潤滑關節軸承分為低速擺動和高速擺動兩個系列，根據美國頒布的AS81820和AS81819兩個自潤滑關節軸承標準規范可知：擺動頻率為10次·min－1，擺動次數為103～104的為低速擺動試驗；擺動頻率在200～1 300次·min－1，擺動次數在106次以上為高速擺動試驗［7］。Unal等［8］研究了滑動速度為0.32，0.64，0.96，1.28m·s－1，載荷分別為5，10，20，30N 條件下以25%（質量分數，下同）青銅粉、35%石墨和17%GF填充的PTFE復合材料的摩擦磨損性能。李如琰［9］在徑向載荷123kN，擺動頻率12次·min－1，擺動角度±25°，試驗溫度20℃條件下對比研究了用PU銅網和PTFE纖維為潤滑材料的兩種軸承的摩擦磨損性能。定向漢等［10］利用自行研制的重載摩擦試驗機，在轉速為2.5r·min－1下，測試了PTFE編織復合材料關節軸承的摩擦因數。大部分關于PTFE材料摩擦磨損性能的研究都是在低速條件下進行的，而高速條件下的研究鮮有報道。

因此，作者將PTFE編織復合材料與9Cr18Mo鋼組成摩擦副，采用高速壓擺摩擦磨損試驗機，在載荷為35kN、頻率12Hz（720次·min－1）、擺角為3°的條件下進行摩擦磨損試驗，研究循環次數、摩擦溫度對復合材料摩擦因數的影響，以及摩擦不同階段磨屑的形貌，并分析了PTFE復合材料的磨損機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為PTFE編織復合材料（簡稱PTFE復合材料），其編織物為PTFE/Kevlar，編織方式為纖維混紡，改性用填充物為SiO2，其在PTFE復合材料中的含量為5%（質量分數）。將尺寸為（53±0.05）mm×（40±0.05）mm×（0.38±0.02）mm 的PTFE復合材料粘貼于曲率半徑為（50±0.05）mm、弧度為59.5°～60.5°的試樣托（材料為9Cr18Mo鋼）上進行摩擦磨損試驗（如圖1所示）；對偶件采用直徑為50mm、表面粗糙度為0.16μm的環試樣，其材料為9Cr18Mo鋼，符合GB/T 3086高碳鉻不銹軸承鋼技術條件（冷處理溫度－55℃以下，保溫時間不少于1h），試驗前對其進行去脂處理。摩擦磨損試驗溫度為25℃，相對濕度為60%，加載載荷為35kN，摩擦頻率為12Hz，擺角為3°；試驗前先靜止加載20kN的額定載荷，并持續30min，待變形量穩定后正式開始試驗，并用試驗機上配有的熱電偶在線監測復合材料表面的溫度；試驗時，試驗托靜止不動，對偶環以一定的角度往復擺動，往復擺動一個周期為一個循環次數。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損不同階段磨屑的微觀形貌。

圖1 摩擦副示意Fig.1 Sketch of the friction pair

2 試驗結果與討論

2.1 循環次數對摩擦因數的影響

由圖2可知，在摩擦初期，PTFE復合材料的摩擦因數隨著循環次數的增加不斷下降，之后穩定在較小范圍內波動，摩擦進入穩定階段；當循環次數達760 000次（圖2中A點）左右，摩擦因數顯著增大，波動明顯，最終直線上升。這說明PTFE復合材料已經發生嚴重磨損，摩擦副的狀態發生了突變。由圖3可知，磨損前PTFE復合材料表面光滑平整，磨損后其表面出現局部磨穿現象（圖3中B處），試樣托與對偶件直接接觸（金屬/金屬摩擦）。因此，可將摩擦因數的急劇上升作為復合材料磨損失效的重要判斷依據之一。

2.2 摩擦溫度對摩擦因數的影響

圖2 循環次數對PTFE復合材料摩擦因數的影響Fig.2 Friction coefficient vs cycle number for PTFE composites

圖3 PTFE復合材料磨損前后的表面形貌Fig.3 Surface morphology of PTFE composites before（a）and after（b）wear

圖4 PTFE復合材料摩擦溫度隨循環次數的變化曲線Fig.4 Friction temperature vs cycle number for PTFE composites

由圖4可知，在摩擦初期，摩擦溫度迅速升高；之后（摩擦中期），摩擦溫度的變化漸漸趨于平緩；當摩擦進入劇烈磨損階段（摩擦后期）后，對應的摩擦溫度又出現劇烈上升，直至試驗結束。當摩擦處于相對平穩的動態過程時，對應的摩擦溫度穩定在175～230℃，該溫度超過了PTFE復合材料的玻璃化溫度（117℃），此時復合材料中的高分子鏈具有較高的活力，彼此之間容易發生移動，有利于在對偶件表面形成對摩擦有利的轉移膜。當摩擦進入劇烈磨損階段后，摩擦溫度最高達到370℃以上，超過了PTFE復合材料的熔點（327℃），破壞了其原有的纖維束狀態，阻礙摩擦的進行，并加劇了自身的磨損。

對比圖2和圖4可知，摩擦溫度的變化趨勢在一定程度上對應了摩擦因數的變化。

2.3 磨損機理

PTFE屬于碳氟化合物（C2F4）n，易在對偶件表面形成轉移膜。其原因有兩個方面：其一，碳氟化合物（C2F4）n分子沒有支鏈，僅靠范德華力結合，較易沿滑動方向取向，從而易于轉移；其二，碳氟化合物（C2F4）n分子具有與金屬絡合傾向，對偶件金屬表面存在金屬氟化物和有機金屬絡合物。

在摩擦初期，PTFE復合材料并未在對偶件表面形成穩定的轉移膜，摩擦行為表現為金屬與復合材料之間的干摩擦，摩擦副之間發生切向運動使原子結合力較弱的復合材料內部發生切變與斷裂，結果使復合材料不斷轉移到與之配對的對偶件表面。隨著摩擦的進行，摩擦熱不斷在摩擦表面積聚，導致復合材料表面局部軟化，PTFE大分子被拉出結晶區，在庫侖力和范德華力的作用下在對偶件表面形成轉移膜，如圖5（a）所示。由圖5（b）可知，轉移膜中出現碳和氟元素，進一步證明此轉移膜為PEFE復合材料轉移形成的。此時，摩擦行為轉變為轉移膜與PTFE復合材料之間的摩擦，接觸面的剪切應力減小、摩擦因數降低、且趨于穩定。轉移膜的形成是一個動態變化的過程，轉移膜與金屬之間的粘著力很小，屬于物理結合。隨著摩擦的進行，在切向力的作用下，舊膜會不斷地脫落而新膜不斷地重新生成，轉移膜隨著摩擦的進行不斷被擠向兩邊，自潤滑層不斷減少。另外，隨著摩擦時間的延長，當局部剪切應力超過PTFE復合材料的疲勞強度時，復合材料表面就會引發裂紋，如圖6（a）所示，裂紋逐步擴展，最終導致PTFE復合材料斷裂剝落，如圖6（b）所示，發生疲勞磨損。

圖5 對偶件表面轉移膜的SEM形貌及EDS譜Fig.5 SEMmorphology（a）and EDS spectrum（b）of transfer film on mating plate surface

PTFE復合材料的導熱性差，摩擦熱隨著循環次數的增加在摩擦表面不斷積累，使復合材料發生熔融流變，同時復合材料表面與試樣托之間的較大溫差也會導致復合材料表面形成亞表面裂紋，如圖6（c）所示，從而使PTFE復合材料的耐磨損性能下降。當摩擦進入劇烈磨損階段后，對偶件表面不再形成穩定的轉移膜，PTFE復合材料表面局部損壞嚴重，磨損急劇惡化，最終導致復合材料局部被磨穿，使試樣托（金屬）與對偶件直接接觸，發生金屬間的摩擦磨損，此時，摩擦因數和摩擦溫度均會急劇增加，最終導致磨損失效。這與圖1和圖3的試驗結果相吻合。

圖6 PTFE復合材料摩擦表面的SEM形貌Fig.6 SEMmorphology of friction surface of PTFE composites：（a）mild wear area；（b）moderate wear area and（c）severe wear area

2.4 磨屑形貌

從圖7可以看出，磨擦前期，磨屑主要為微小型的薄片狀，PTFE復合材料的磨損較輕；摩擦中期，磨損狀況發生了明顯變化，主要表現為磨屑變大，且磨屑量增多，出現了大量片狀磨屑，可以判斷，此時磨損機理將發生相應轉變；摩擦后期，磨損表面嚴重惡化，PTFE復合材料內部結構纖維破壞嚴重，大量剝落的磨屑發生嚴重的交互纏結現象，復合材料有加速磨穿的趨勢。由此可知，隨著摩擦的進行，磨屑會發生明顯的惡化趨勢，磨損機理以疲勞磨損為主。因此，對摩擦過程中產生的磨屑進行分析，有助于磨損狀態的確定，以及磨損機理的探討。

圖7 摩擦過程中不同階段磨屑的SEM形貌Fig.7 SEMmorphology of wear debris in different stages during friction（a）friction prophase；（b）friction mid-stage and（c）friction late-stage

3 結 論

（1）PTFE復合材料的摩擦因數隨著循環次數的增加先迅速降低，之后在一定范圍內達到動態平衡；隨著摩擦的繼續進行，摩擦因數急劇上升，PT-FE復合材料發生磨損失效。

（2）摩擦溫度是影響PTFE復合材料摩擦磨損機理一個重要因素，摩擦溫度的急劇升高將加劇PTFE復合材料的磨損。

（3）隨著磨損的加劇，磨屑也表現為相應的惡化趨勢，磨損機理以疲勞磨損為主。

［1］BISWAS S K，VIJAYAN K.Friction and wear of PTFE－a review［J］.Wear，1992，158（1/2）：193-211.

［2］王承鶴.塑料摩擦學——塑料的摩擦、磨損、潤滑理論與實踐［M］.北京：機械工業出版社，1994.

［3］石淼森.固體潤滑材料［M］.北京：化學工業出版社，2000：252-279.

［4］王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍.聚合物基復合材料及工藝［M］.北京：科學出版社，2004.

［5］王春江.聚四氟乙烯生產現狀與改性進展［J］.貴州化工，2007（4）：14-16.

［6］謝剛，黃承亞，聚四氟乙烯改性技術的研究［J］.合成材料老化與應用，2007（1）：23-25.

［7］景綠路，張艷，孫忠志.自潤滑關節軸承標準分析［J］.航空標準化與質量，2010（5）：35-37.

［8］UNAL H，MIMAROQLU A，KADIOGLU U，et al.Sliding friction and wear behaviour of polytetrafluoroethylene and its composites under dry conditions［J］.Materials and Design，2004，25（3）：239-245.

［9］李如琰.聚四氟乙烯纖維織物在關節軸承上的應用［J］.功能材料，2004（增1）：2221-2223.

［10］向定漢，潘青林，姚正君.聚四氟乙烯自潤滑編織復合材料關節軸承的擺動摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學報，2003（1）：72-75.