鎳/聚四氟乙烯復合材料摩擦誘導磁化的研究

解　挺,　崔愛龍,　楊婷婷,　李儒旺,　閆照明

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009;2.安徽新華學院 土木與環境工程學院,安徽 合肥 230088)

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鎳/聚四氟乙烯復合材料摩擦誘導磁化的研究

解挺1,崔愛龍1,楊婷婷2,李儒旺1,閆照明1

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009;2.安徽新華學院 土木與環境工程學院,安徽 合肥 230088)

文章利用多功能環境可控摩擦磨損試驗機,研究了具有不同鎳含量的聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料和45號鋼干摩擦時的摩擦誘導磁化以及摩擦學性能,考查了鎳含量對摩擦誘導磁化和摩擦學性能的影響。研究結果表明:含有鎳顆粒的PTFE基復合材料在摩擦過程中能夠產生摩擦誘導磁化現象,且摩擦誘導磁化的磁感應強度與鎳含量有關;隨著鎳含量的增加,Ni/PTFE復合材料摩擦誘導磁感應強度逐漸增大,摩擦系數幾乎不變,磨損量先逐步減小后迅速增大;摩擦誘導磁化作用在一定程度上對促進轉移膜的生成有利,從而有利于改善摩擦學性能。

聚四氟乙烯;復合材料;鎳;摩擦誘導磁化;摩擦學特性

摩擦誘導磁化是指鐵磁性材料(鐵、鈷、鎳等)在摩擦磨損過程中、在無外加磁場條件下摩擦表面自激發磁化的行為。相關研究表明[1-3],摩擦誘導磁化與摩擦學過程密切相關。已報道的摩擦誘導磁化研究都基于金屬摩擦副在摩擦中產生的行為,對于聚合物基復合材料的摩擦誘導磁化尚缺乏研究,而這一現象在含鐵磁性填料的聚合物復合材料摩擦中廣泛存在,并且對其摩擦學性能有重要的影響。隨著科技進步,聚合物復合材料應用日益普遍,尤其是與金屬組成摩擦副能夠降低摩擦系數、改善摩擦學特性。關于聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料的改性及其摩擦學特性的研究已較為深入[4-10],然而關于PTFE基復合材料的摩擦誘導磁化尚待深入研究。

本文以PTFE基復合材料為研究對象,考察了含有鐵磁性填料鎳的PTFE基復合材料的摩擦誘導磁化行為及其摩擦學特性,分析了鎳含量對其摩擦學特性的影響規律,這對于PTFE基復合材料的功能化設計有一定的借鑒意義。

1　試驗部分

1.1試樣制備

PTFE為白色粉末,密度為2.2 g/cm3。鎳(Ni)粉為灰色樹枝狀粉末,將Ni分別按質量分數5%、15%、25%、35%加入到基體PTFE材料中,經過機械混合、壓制成型(60 MPa)和燒結,得到圓片狀復合材料試樣,其尺寸為φ35 mm×5 mm。對偶件為45號鋼環形試樣(外徑為30 mm、內徑為22 mm)。

1.2試驗方法

試驗在合肥工業大學摩擦學研究所研制的多功能環境可控摩擦磨損試驗機上進行。摩擦接觸形式為面接觸,試驗條件為載荷4 MPa、平均線速度0.4 m/s、試驗時間30 min、室溫、干摩擦。試驗中摩擦誘導磁感應強度采用南京大學生產的毫特斯拉計(GS108型)實時測量,測量位置固定不變，并對摩擦系統實施電磁屏蔽,摩擦系數由試驗機實時記錄,磨損量為試驗前后的質量差值。試驗后用數字光學顯微鏡觀察上、下試樣表面微觀形貌。摩擦副及磁性測量示意圖如圖1所示。

圖1　摩擦副及磁性測量方式

2　試驗結果與討論

2.1復合材料的摩擦誘導磁化

不同Ni含量下PTFE基復合材料摩擦誘導磁感應強度如圖2所示。由圖2可知,含有Ni的PTFE基復合材料被測試樣都因摩擦磨損作用而產生了摩擦誘導磁化行為。

圖2　PTFE基復合材料摩擦誘導磁感應強度

圖2a為復合材料的摩擦誘導磁感應強度隨摩擦時間變化的曲線,由圖2a可以看出,除了wNi為15%的試樣外,其他樣品的摩擦誘導磁感應強度都在開始摩擦階段迅速上升,大多在5 min后基本處于穩定狀態并伴有小幅波動。圖2b為復合材料的摩擦誘導磁感應強度的穩定值與Ni含量的關系,由圖2b可以看出,隨著wNi的增大,復合材料的摩擦誘導磁感應強度也逐漸增大,但wNi超過15%以后增大的幅度不明顯。

上述結果說明PTFE基復合材料能夠產生摩擦誘導磁化現象,這種摩擦磁化行為主要是鐵磁性填料的貢獻，因為PTFE基體本身不具有磁性。不同Ni含量的復合材料試樣在與對偶件45號鋼對摩時,復合材料表面的Ni顆粒產生磨損,形成細小的Ni磨損碎屑,這些碎屑中的磁疇會在摩擦作用下發生一致取向的行為,碎屑首先發生自激發磁化[2-3],進而導致摩擦面上Ni顆粒磁化,顯現出復合材料表面的摩擦誘導磁化作用。由此可見,摩擦誘導磁感應強度與Ni含量的多少密切相關,Ni含量多,誘導磁化的累積效應大,摩擦誘導磁感應強度就高。wNi超過15%以后,Ni顆粒在復合材料表面的分布數量差別不大,因此表現為摩擦誘導磁感應強度升高不明顯。

2.2復合材料的摩擦學特性

不同Ni含量下Ni/PTFE基復合材料摩擦系數、磨損量如圖3所示。圖3a為不同Ni含量下復合材料摩擦系數隨時間變化的實時動態曲線,右上角插入的小圖為平均摩擦系數與Ni含量的關系圖。由圖3a可見,不同Ni含量下,Ni/PTFE復合材料的摩擦系數隨著Ni含量的升高幾乎不變,穩定在0.19附近;但是隨著Ni含量的升高,其摩擦系數的波動逐漸變大,wNi為35%時波動最大。由圖3b可以看出,隨著Ni含量的增大,復合材料的磨損量逐漸降低,當wNi為25%時,復合材料的磨損量最小;wNi超過25%時,復合材料的磨損量反而增大；由此表明,在不同的Ni含量下,復合材料的摩擦磨損機理都相同。

(a) 　wNi與摩擦系數的關系

(b)　wNi與磨損量的關系

上述變化規律與復合材料的摩擦誘導磁化有著密切關聯。摩擦過程中,對偶件試樣表面會產生一層轉移膜,轉移膜的質量對摩擦學性能有著決定性的作用,轉移膜均勻、完整則有利于降低摩擦、減小磨損[7]。在本文的摩擦界面上,由于復合材料中鐵磁性Ni顆粒的摩擦誘導磁化,具有磁性的Ni的磨損碎屑容易吸附于對偶件45號鋼的表面,對于轉移膜的形成和穩定有很好的促進作用,同時這些Ni顆粒的存在具有一定的“釘扎”作用,對于轉移膜依附于對偶件表面有很好的輔助作用,從而有效地促進轉移膜的形成和穩定,對減小摩擦和磨損有利。另一方面,隨著Ni顆粒含量的增多,對于復合材料的力學增強作用增大,同時對于抵抗裂紋的擴展等有利。因此綜合表現為：一定的Ni含量范圍內,隨著Ni顆粒的增多,磨損減小；但當wNi超過25%時,磨損增大,這是由于復合材料表面Ni顆粒過多、顆粒與對偶件的黏著作用增大，導致了黏著磨損迅速增大、磨損量迅速增大。此時,摩擦系數也不穩定,表現為摩擦系數波動較大(如圖3a)。

不同Ni含量下Ni/PTFE基復合材料磨損表面形貌如圖4所示。由圖4可以看出,wNi為5%時磨損表面比較光滑,wNi為35%時產生磨損的表面發生了較顯著的黏著磨損。

圖4　不同wNi下Ni/PTFE基復合材料磨損表面形貌

3　結　　論

本文通過對Ni/PTFE基復合材料的摩擦誘導磁化行為及其摩擦學特性的研究,得出如下結論:

(1) Ni/PTFE復合材料在與對偶件45號鋼摩擦過程中能夠產生摩擦誘導磁化現象。

(2) Ni含量的變化影響Ni/PTFE復合材料摩擦誘導磁化強度,其規律為:隨著鎳含量的增加,復合材料摩擦誘導磁感應強度逐漸增大,wNi超過15%后增幅較小。

(3) 隨著鎳含量的升高,復合材料摩擦系數幾乎不變;復合材料磨損量隨著Ni含量增大,逐步減小,但wNi超過25%時,由于黏著磨損加劇,導致磨損量迅速增大。

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(責任編輯胡亞敏)

Study of friction-induced magnetization of polytetrafluoroethylene composites containing nickel particles

XIE Ting1,CUI Ailong1,YANG Tingting2,LI Ruwang1,YAN Zhaoming1

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Civil and Environmental Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)

The friction-induced magnetization and tribological properties of the polytetrafluoroethylene(PTFE) composite containing different contents of nickel particles(Ni) were studied by using a multi-functional tribometer as the composite slid against No.45 steel. The effect of the Ni content on friction-induced magnetization and tribological properties of the composite was discussed. The experimental results showed that the friction-induced magnetization of the PTFE composite containing Ni particles could be found when it slid against No.45 steel. And the friction-induced magnetic induction intensity of the composite related to the Ni content. With the increase of the Ni content, the friction induced magnetic induction of the composite increased, the friction coefficients changed little, and the wear loss decreased at first and then rapidly increased. The friction-induced magnetization of the composite is helpful in promoting the formation of the transfer film to a certain extent, thus improving the tribological properties.

polytetrafluoroethylene(PTFE); composite; nickel; friction-induced magnetization; tribological property

2015-03-06；

2015-04-23

國家自然科學基金資助項目(51275144)

解挺(1963-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.001

TH117.1

A

1003-5060(2016)07-0865-04