納米Al2O3改性PTFE復合保持架材料性能研究

時連衛，王子君，孫小波，李建星，楚婷婷

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的化學穩定性及減摩性，且摩擦因數較低，是低溫軸承最重要的自潤滑保持架材料。但純PTFE存在耐磨性差、比磨損率高、承載能力弱等缺點，限制了其在低溫軸承中的應用，因此，常添加填料對其改性。納米顆粒由于尺寸小及不同于常規填料的特性，近年來廣泛應用于力學和摩擦學領域，其中利用納米Al2O3填充改性可有效改善PTFE的機械和摩擦磨損性能。但由于納米Al2O3與PTFE界面相容性較差，一般應先對納米Al2O3進行表面改性，以改善其在PTFE基體中的分散性和相容性[1-3]。

下文先用偶聯劑KH-570對納米Al2O3進行表面改性，再采用冷壓制坯、燒結成型方法，制備了納米Al2O3/PTFE復合保持架材料，考察了納米Al2O3含量對復合保持架材料硬度、壓縮強度、拉伸強度及摩擦磨損性能的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察并探討了復合保持架材料的摩擦磨損機理，進行了常溫、液氮和液氫下復合保持架材料的力學性能測試。

1 試驗

1.1 試驗材料

聚四氟乙烯：M18F，平均粒徑25 μm；納米Al2O3：VK-L30，基本性能見表1；偶聯劑：KH-570；無水乙醇：AR。

表1 納米Al2O3基本性能

1.2 試樣制備

將納米Al2O3置于濃度為2%的 KH-570無水乙醇溶液中，進行偶聯、超聲分散處理，超聲頻率20 kHz，超聲時間30 min。過濾除去溶劑后，將固體物置于真空干燥箱中干燥處理，真空度-0.1 MPa，溫度(120±5) ℃，時間8 h，干燥處理后密封保存備用。取上述納米Al2O3放入高速攪拌機并加入適量PTFE充分混合攪拌，制備出納米Al2O3質量分數分別為0%，1%，3%，5%，7%，9%的納米Al2O3/PTFE復合保持架材料。

文中試樣均經冷壓制坯—燒結成型—毛坯制品—機械加工—修剪打磨而成。其中硬度和摩擦磨損試驗用試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm；壓縮性能試驗用試樣按照GB/T 1041—2008《塑料 壓縮性能的測定》的要求制成φ20 mm×φ10 mm×30 mm管狀；拉伸性能試驗用試樣按照GB/T 1040—2008《塑料 拉伸性能的測定》的要求制成標準啞鈴型拉伸試條；沖擊性能試驗用試樣按照GB/T 1043—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定》的要求制成無缺口標準沖擊試條。

1.3 性能測試

1)采用V-SD型邵氏硬度計，參照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》進行硬度測試。

2)拉伸性能和壓縮性能測試分別按GB/T 1040—2008和GB/T 1041—2008要求進行，在DNS200型電子微控萬能試驗機上測試材料的拉伸強度、斷裂伸長率及壓縮強度，拉伸速度5 mm/min，壓縮速度1 mm/min，測試溫度(23±2)℃。

3)摩擦磨損性能測試在TIMKEN摩擦磨損試驗機上進行，試驗前將摩擦試樣及摩擦試環表面用分析純無水乙醇溶液擦拭干凈，測試條件為：干摩擦，載荷7.58 N，時間30 min，轉速1 000 r/min。對摩擦試樣磨損表面噴金處理后，采用JSM- 6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對復合材料磨損機理進行分析。

4)低溫性能相關測試，委托中科院理化技術研究所按照相關國家標準進行。

2 結果與分析

2.1 納米Al2O3含量對復合材料硬度的影響

納米Al2O3含量對復合材料硬度的影響如圖1所示。由圖可知，復合材料的硬度隨著納米Al2O3含量的增加而增大，這是因為納米Al2O3屬于硬質材料，在復合材料中起到傳遞載荷的作用，隨著納米Al2O3與PTFE充分地吸附，其顆粒均勻地分散于PTFE基體中，起到了剛性支承的作用，從而提高了復合材料的硬度。

圖1 納米Al2O3含量對復合材料硬度的影響

2.2 納米Al2O3含量對復合材料壓縮強度的影響

納米Al2O3含量對復合材料壓縮強度的影響如圖2所示。由圖可知，復合材料壓縮強度隨納米Al2O3含量的增加逐漸增大。這是因為納米Al2O3的表面能和表面張力遠大于一般填料，其均勻分散到PTFE基體中，不僅使PTFE材料的黏彈性迅速增大，還起到一定的承載和支承作用，從而提高了壓縮強度。

圖2 納米Al2O3含量對復合材料壓縮強度的影響

2.3 納米Al2O3含量對復合材料拉伸性能的影響

納米Al2O3含量對復合材料拉伸性能的影響如圖3所示。由圖可知，復合材料拉伸強度和斷裂伸長率隨納米Al2O3含量的增加而減小，這是因為納米Al2O3填充到PTFE基體中，會阻礙基體大分子鏈及鏈段的運動，同時納米Al2O3產生應力集中，也會導致復合材料拉伸強度下降；此外，復合材料硬度及彈性模量等參數的提高，使得復合材料的剛性和脆性增加，因而斷裂伸長率降低較為明顯。

圖3 納米Al2O3含量對復合材料拉伸性能的影響

2.4 納米Al2O3含量對復合材料摩擦磨損性能的影響

納米Al2O3含量對PTFE復合材料摩擦磨損性能的影響如圖4所示。由圖可知，納米Al2O3/PTFE復合材料的摩擦因數均高于純PTFE，而磨損量均低于純PTFE；隨著納米Al2O3含量的增加，摩擦因數急速上升，磨損量急速下降，當納米Al2O3質量分數達到5%后，摩擦因數和磨損量變化趨勢均變緩。這是因為納米Al2O3尺寸小、比表面積大，表面能和表面張力隨粒徑的減小急劇增大，表現出小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應等特點，納米Al2O3在PTFE基體中均勻分散，對PTFE進行了有效的填充。在摩擦磨損過程中，納米Al2O3具有優先承載的作用，且大比表面積又可吸附基體大分子鏈，使基體大分子鏈互相纏繞，從而阻止了PTFE帶狀結構的大面積破壞，提高了PTFE的耐磨性；另一方面，納米Al2O3使得PTFE由黏著磨損轉變為黏著磨損和磨粒磨損共同作用，從而增加復合材料的摩擦因數[4]。

圖4 納米Al2O3含量對復合材料摩擦磨損性能的影響

2.5 復合材料磨損機理分析

納米Al2O3/PTFE復合材料的磨損表面形貌如圖5所示。由圖可知，純PTFE磨損呈平紋帶狀結構(圖5a)，磨痕表面較為光滑，沿著摩擦方向發生了塑性形變，屬典型黏著磨損；由圖5b～圖5f可知，納米Al2O3/PTFE復合材料的磨痕表面均有不同程度的犁溝和細小的磨屑，磨損機理表現為黏著磨損與磨粒磨損共同作用。對比可知，當納米Al2O3的質量分數為5%時磨損形貌最平整，這是因為納米Al2O3含量較少時，難以完全阻礙聚PTFE大分子帶狀結構破壞；納米Al2O3含量過多時，其在摩擦面上的分布擴大，形成磨粒磨損破壞轉移膜，導致復合材料耐磨性變差。

圖5 復合材料磨損表面形貌

2.6 測試溫度對復合材料力學性能的影響

納米Al2O3改性PTFE復合材料主要用于超低溫軸承，由于介質和溫度的限制，該類軸承無法采用脂或油潤滑，且超低溫流體黏度低也無法形成有效的流體潤滑，因此，在軸承運轉過程中，保持架既要承受滾動體的沖擊又要產生轉移膜來保證潤滑。綜合考慮復合材料的力學性能、摩擦磨損性能及使用溫度，確定納米Al2O3的質量分數為5%，并對該配方復合材料進行了低溫下相關性能測試，結果見表2。

表2 復合材料常溫與低溫性能比較

由表2可知，與常溫(23 ℃)相比，液氮(-196 ℃)和液氫(-253 ℃)溫度下復合保持架材料拉伸強度和彈性模量有所增加，斷裂伸長率和沖擊強度有所下降，呈典型脆性材料特征。這主要是由于復合保持架材料屬于高分子材料，隨著測試溫度的降低，相鄰分子鏈的構象或鏈段之間距離變短，單鍵內旋轉能增加，相對來說破壞高分子構象或鏈段的力增加，使得復合保持架材料拉伸強度和彈性模量增加；另一方面，分子鏈的構象或鏈段之間距離變短，造成復合保持架材料單鍵內旋轉困難，致使復合保持架材料柔順性變差，脆性增加，斷裂伸長率變低[5]。

3 結論

1)隨著納米Al2O3含量的增加，納米Al2O3/ PTFE復合保持架材料的硬度和壓縮強度增大，拉伸強度和斷裂伸長率變小，摩擦因數急速上升，磨損量急速下降，當納米Al2O3質量分數達到5%后，摩擦因數和磨損量變化趨勢均變緩。

2)通過對納米Al2O3/PTFE復合保持架材料摩擦磨損性能分析認為，納米Al2O3阻礙了PTFE大分子帶狀結構破壞，有效保護了PTFE基體，當納米Al2O3的質量分數為5%時，復合保持架材料磨損形貌最平整。

3)與常溫相比，液氮和液氫溫度下納米Al2O3/PTFE復合保持架材料拉伸強度和彈性模量有所增加，斷裂伸長率和沖擊強度有所下降，呈典型脆性材料特征。