PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦損傷演變規律研究

楊曉強，徐晨，譚德強，李銳，賀強，高會英

（中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307）

PTFE/Kevlar 纖維編織材料具有自潤滑性能穩定、化學性質穩定、摩擦因數較低的特點，成為了關節軸承等零部件自潤滑襯墊的主要使用材料，目前已經在航空航天、高鐵運輸、機械制造等領域得到廣泛應用[1-4]。如民航客機起落架自潤滑關節軸承，或直升機主旋翼變距拉桿桿端軸承，其中的襯墊材料都由PTFE/Kevlar 纖維編織材料構成[5-6]。因此，該編織材料的摩擦性能以及損傷演變規律，直接影響著關鍵零部件的工作狀態和服役壽命，最終決定整個系統的運行安全[7]。

目前國內外已有針對PTFE 纖維編織材料摩擦學性能的相關研究。張艷等[8]研究了石墨和MoS2填充PTFE 復合材料的摩擦磨損性能，并得到了載荷變化下能夠降低磨損率的填充物百分比為10%。Hitonobu等[9]研究了聚醚-醚酮（PEEK）復合材料的摩擦學特性，結果表明，PEEK-PTFE 轉移膜顯著改善了軸承的磨損和轉動性能。McCook 等[10]研究了聚四氟乙烯和環氧樹脂復合材料的耐磨性，并與單獨使用這兩種材料進行了對比。結果表明，材料涂層接觸面上形成的PTFE 轉移膜使復合材料的摩擦學性能增強。Koike等[11]研究了六方氮化硼（h-BN）和聚對羥基苯甲酸苯酯（PHBA）對改善聚四氟乙烯（PTFE）扭轉摩擦性能的影響，同時驗證了純PTFE 的磨損機制主要為粘著磨損。Suresh 等[12]提出了一種優化聚四氟乙烯（PTFE）/埃洛石納米管（HNTs）納米復合材料自潤滑性能的復合方法，研究發現，PTFE 成分配比4%、載荷8.5354 N、距離2 km 和滑動1 m/s 是最優的效用指數。以上對于纖維編織材料的研究更多偏向材料填充以及制造工藝方面，相關的損傷演變規律研究則相對匱乏，因此很難對其摩擦磨損性能進行更準確評估，從而使性能穩定、性質優越的編織材料在國內不能批量生產，嚴重制約了我國相關領域的發展[13]。因此，對PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦學性能及損傷演變規律進行研究，具有重要的戰略意義。

本研究通過控制載荷與循環次數等試驗變量，針對PTFE/Kevlar 纖維編織材料在載荷一定、循環次數增加的條件下的損傷演變規律進行了研究，分析不同循環次數下的摩擦學行為。

1 試驗

1.1 材料

試驗所選摩擦副為軸承鋼與編織復合材料組成的球-面滑動摩擦副，如圖1 所示。軸承鋼使用材料為GCr15。編織復合材料采用某零件制造廠生產的樣件PTFE/Kevlar 纖維。相比于PTFE/Kevlar 纖維編織材料，GCr15 的硬度更高，因此PTFE/Kevlar 纖維編織材料表面更易被磨損。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維編織材料接觸表面磨痕，分析其在相同載荷條件下，不同循環次數對材料損傷規律的影響。

圖1 球-面滑動摩擦副樣品Fig.1 Sample of ball-plane sliding friction pair: a) GCr15 bearing steel; b) PTFE/Kevlar fiber

為了對編織材料組成成分做進一步驗證，本試驗利用全反射紅外光譜（ATR）對其表面進行分析。選取樣品固定在樣品臺上，首先使用LUMOS Ⅱ對樣品進行分析，拍攝顯微照片。再根據可見的樣品結構及SEM 照片測量點，按照光圈大小設置空間分辨率，自動對選取的測量點進行ATR 測量。測量得到所選區域對應的光譜圖（見圖2），測量光闌為30 μm×30 μm。

圖2 編織材料表面成分ATR 分析測量光譜Fig.2 ATR analysis and measurement spectrogram of surface composition of braided material

將測量得到的光譜圖與已知譜庫進行對比，結果表明，點A 處白色編織材料成分主要為PVA 類纖維，本試驗中即為Kevlar 纖維；點B 處黑色編織材料成分主要為聚四氟乙烯（PTFE）。

1.2 方法

試驗選用MXW-5 型摩擦磨損試驗機（結構如圖3 所示）。首先將編織材料樣品放置在往復模塊試驗臺上，再通過螺釘將樣品夾裝固定。可通過在加載桿上添加不同質量的砝碼，控制編織材料樣品載荷的變化。加載桿的末端連接著上夾具，上摩擦副下端與編織材料樣品表面組成滑動摩擦副，隨旋轉電機通過凸輪結構帶動試驗臺及樣品做往復運動。通過人機交互界面輸入頻率、位移、循環次數等參數，通過工業計算機將控制信號發送至功率放大器，進而控制試驗機運轉。功率放大器將從摩擦力傳感器傳回的電信號發送至工業計算機，最終將摩擦力、摩擦因數等參數顯示在人機交互界面上。

圖3 MXW-5 型摩擦磨損試驗機Fig.3 Schematic diagram of MXW-5 friction and wear testing machine

使用MXW-5 型摩擦磨損試驗機的往復試驗模塊，通過控制使試樣所處的載荷、頻率、位移保持恒定，進而改變試樣的試驗循環次數。本試驗經過分析某關節軸承實際應用中PTFE/Kevlar 纖維編織材料所受應力的波動范圍[14]，并根據點-面接觸和面-面接觸的應力等效原理，通過計算分別選取2、5、10 N 載荷，摩擦副運動方式為往復運動，選取頻率為5 Hz，位移為5000 μm。每種載荷對應循環次數分別為100、500、1000、2000、5000 次。對載荷相等、運動方式相同條件下，循環次數變化導致的摩擦損傷演變進行探究。

2 結果分析

2.1 摩擦因數曲線

通過試驗數據導出摩擦因數曲線，如圖4 所示。從圖4 中觀察到，在3 種載荷下，循環次數到達500次前，摩擦因數變化程度較明顯，且變化規律基本一致，增長值大約為0.05，表明該階段編織材料表面纖維由于未受到保護而發生初步磨損。在循環次數超過2000 次后，摩擦因數持續增大，但因數曲線逐漸平緩，增長幅度降低。這表明隨循環次數的增加，材料表面的損傷趨勢減緩，纖維受到保護。如光滑度、均勻性等材料表面的潤滑狀態會隨所受載荷的變化而變化。2 N 載荷下樣品的摩擦因數整體上低于載荷5、10 N 樣品，表明樣品在2 N 載荷下，表面的潤滑狀態優于其他兩種載荷條件，進而導致3 種載荷下樣品的損傷演變規律有所區別。因此，應進一步對樣品表面磨痕及潤滑狀態進行分析。

圖4 載荷2、5、10 N 樣品摩擦因數曲線Fig.4 Friction coefficient curves of samples under loads of 2 N,5 N and 10 N

2.2 宏觀分析

分別選取試驗載荷為2、5、10 N 的PTFE/Kevlar纖維編織材料樣品，放入盛有酒精的燒杯中，利用超聲清洗并烘干，然后利用體視顯微鏡對材料摩擦損傷表面進行觀察。如圖5a—c 所示，相同載荷下，隨循環次數的增加，樣品摩擦表面的損傷情況越來越嚴重，磨痕整體呈現出深淺程度不同的磨坑。但在該條件下觀察損傷情況不明顯，應進一步利用3D 光學輪廓儀分析其損傷表面磨損深度，進而分析損傷程度。

圖5 樣品SM 圖像Fig.5 SM image of samples

載荷為2 N 的編織材料樣品在100、500、1000、2000、5000 循環次數下，材料損傷表面3D 輪廓圖的損傷特征如圖6 所示。當循環次數為100 次時，材料表面損傷輕微，通過觀察三維輪廓發現，磨痕在PTFE材料處有明顯凹坑，但區域較小。循環次數到達500次時，在PTFE 部分，損傷處凹坑面積逐漸變大，觀察到深度曲線圖存在尖峰，其主要由于兩種材料間存在的間隙無法被掃描而導致。循環次數增加到1000次和2000 次時，磨痕深度增加，但磨損區域面積無明顯變化，Kevlar 纖維處的磨損仍然較小。循環次數達到5000 次時，相比循環次數較小的試驗結果，PTFE損傷明顯，從三維輪廓圖中能夠觀察到由于磨損導致的較深的凹坑，從深度曲線圖中能夠觀察到兩種材料的磨損量存在明顯差異。由此可見，當載荷較小時，循環次數對編織材料中兩種材料的影響程度不同，循環次數的變化對PTFE 的影響大于對Kevlar 纖維的影響，且該組試驗載荷較小，主要的磨損形式為疲勞磨損。

圖6 載荷2 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.6 3D optical contour image of load 2 N sample

編織材料在載荷為5 N 時，磨痕表面的損傷三維輪廓及二維深度曲線如圖7 所示。當循環次數為100次時，磨痕表面損傷不明顯，但從深度曲線圖中能觀察到損傷表面出現了不均勻的損傷，其中尖峰的出現同樣與材料間隙本身間隙有關。循環次數為500 次時，損傷表面出現了明顯凹坑，結合深度曲線觀察到凹坑周圍深度為正，推測該凹坑或由磨屑堆積導致。循環次數為1000 次時，材料表面磨痕面積擴大，Kevlar 纖維部分已出現較重磨損。深度曲線中的尖峰是由于磨痕周邊磨屑堆積所致。循環次數到達2000次時，磨痕表面磨損已相對均勻，觀察到深度曲線波動較小，可知磨痕深度較平均。循環次數為5000 次時，磨痕深度進一步擴大，纖維凸起的情況不明顯。載荷進一步增大時，PTFE 與Kevlar 纖維隨著循環次數的增加，磨損程度逐漸趨向一致，磨痕表面逐漸均勻連續，深度曲線變化相對平穩。相比上一組2 N 的試驗，該組試驗的表面接觸應力增大，導致沿運動方向的剪切力增大，使材料表面疲勞磨損與塑性變形加重，磨痕隨循環次數增加不斷明顯。

圖7 載荷5 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.7 3D optical contour image of load 5 N sample

載荷為10 N 的編織材料樣品，在100、500、1000、2000、5000 循環次數下的損傷特征如圖8 所示。當循環次數為100 次和500 次時，磨痕表面損傷已比較均勻，PTFE 與Kevlar 纖維損傷程度相對一致。當循環次數為1000 次時，編織材料摩擦表面已經有明顯的磨痕，并呈現出較深的凹坑，但磨痕沿運動方向仍不均勻，在磨痕一端及中間位置存在明顯凸起。這是由于摩擦過程中，斷裂的纖維未受到保護所致。循環次數為2000 時，觀察到材料磨痕變寬，且更均勻，但磨痕邊緣區域存在多處纖維磨斷所導致的凸起。當循環次數為5000 次時，材料摩擦表面磨損面積最大，但磨痕已相對均勻連續，撕裂纖維凸起較少。磨痕區域周邊明顯的凸起，主要由于斷裂纖維和大量磨屑的堆積所導致。當載荷進一步增大時，上下摩擦副之間接觸應力較大，由循環次數增加所導致的材料表面磨損演變情況不明顯，尤其是循環次數超過1000 次后，磨痕表面除被PTFE 轉移膜保護的纖維外，大部分纖維被破壞。由此可知，載荷的增加削弱了循環次數對磨痕表面磨損程度的影響，這主要是由于10 N 載荷產生的點-面接觸應力增強了材料表面的犁溝效應，較大的應力使纖維被犁斷，而非磨斷。

圖8 載荷10 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.8 3D optical contour image of load 10 N sample

2.3 磨痕特征微觀分析

通過分析PTFE/Kevlar 纖維編織材料的磨痕特征，可以判定球面接觸摩擦副磨損過程中發生的磨損形式和特征，便于探究摩擦副的磨損機理。分析選取損傷較明顯的載荷為5、10 N 的樣品進行分析。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同編織材料樣品表面上磨損相對嚴重的部位進行觀測，結果如圖9—10 所示。

圖9 載荷5 N 樣品的SEM 形貌Fig.9 SEM images of load 5 N samples

根據磨痕的SEM 圖像可知，載荷不同的2 個試驗中，編織材料表面都形成了面積較大的材料PTFE轉移膜，但同時也存在纖維磨斷撕裂、PTFE 轉移膜剝落等表面形貌特征[15-17]。載荷5 N 條件下，循環次數為100、500 次時，磨痕局部出現纖維磨斷現象，該階段沒有產生均勻的PTFE 轉移膜。當循環次數達到1000、2000 次時，磨痕表面較光滑、均勻，放大后能觀察到小面積的PTFE 轉移膜，同時PTFE 轉移膜呈現出向四周延展的趨勢。當循環次數達到5000次時，磨痕表面變得更加平整、光滑，放大后能觀察到面積較大的PTFE 轉移膜，但在PTFE 轉移膜向四周延展的同時，產生了少量磨屑。當載荷為當載荷為10 N，循環次數為100 次時，表面磨損較輕，但較大的剪切力導致材料表面纖維發生剝落，形成較小磨坑。循環次數為500 次時，材料表面磨損相對較輕，磨痕較均勻，且形成了小面積的PTFE 轉移膜。當循環次數增加為1000 次時，摩擦表面局部發生了纖維磨斷情況，并伴隨PTFE 轉移膜的剝落。進一步放大后能夠觀察到，剝落處形成了較大的磨屑，其在后續磨損過程中會進一步加劇局部磨損，使完整PTFE 轉移膜表面由于磨粒磨損而產生新的剝落的磨屑，從而進一步加劇表面磨損[18]。循環次數為2000 次時，磨痕損傷區域已經較為均勻，但仍存在局部的PTFE 轉移膜剝落，且在磨痕邊緣發生了纖維斷裂。放大后，能夠觀察到PTFE 轉移膜將纖維表面覆蓋，但剝落的PTFE 轉移膜使纖維暴露在外表面。當循環次數增加到5000 次時，摩擦表面已經形成了相對完整均勻的PTFE 轉移膜，但部分區域存在嚴重的纖維斷裂情況和塑性形變。放大后，能夠觀察到部分纖維磨斷和連續的PTFE 轉移膜。

圖10 載荷10 N 樣品的SEM 形貌Fig.10 SEM images of load 10 N samples

通過以上2 組試驗表明，隨循環次數的不斷增加，疲勞磨損伴隨磨粒磨損是PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦損傷的主要形式。在2000 次前，以疲勞磨損為主導，使兩種材料不斷粘連、塑性變形；2000～5000 次，磨屑形成的大小不一的顆粒，在往復運行作用下與對材料表面產生輕微擦傷或微小的犁溝痕跡，將磨損形式轉變為磨粒-樣品間的二體磨粒磨損。

2.4 化學狀態分析

為了進一步分析PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦表面損傷演變情況，使用X 射線能譜儀（EDS）對損傷表面進行掃描。選取未磨損的原樣品，通過與載荷5、10 N 往復循環運動5000 次樣品進行表面化學元素成分進行對比，分析損傷表面化學狀態，進而得到損傷演變規律。

對未磨損的原樣品與5、10 N 載荷往復循環運動5000 次樣品進行EDS 點分析，如圖11 所示。在未磨損樣品Kevlar 纖維部分取A 點，PTFE 部分取B 點。分析結果顯示，A 點存在大量C、O 元素，表明C、O 元素主要來源于材料未磨損時裸露在表面的Kevlar 纖維，而B 點存在C、F 元素是由于PTFE 本身的化學成分中存在一定的C、F 元素，O 元素則來自被氧化的PTFE。Al、Fe 元素主要來源于樣品切割過程中產生的雜質。在載荷為5 N、10 N 樣品磨損處的Kevlar 纖維部分取點C、D，觀察到C、O 元素含量減少，表明該點形成的PTFE 轉移膜將Kevlar 纖維保護了起來[19-20]。點C 與點D 均存在O 元素峰，表明在磨痕表面發生了程度不同的氧化，而O 元素則來自外界環境中。在磨損區，Fe 元素主要來自對摩副軸承鋼材料，這是由于材料與對摩擦副發生粘著磨損，使對摩副軸承鋼材料的Fe 元素轉移到編織材料表面上。

圖11 PTFE/Kevlar 纖維編織材料表面SEM 和EDS 圖像Fig.11 SEM and EDS images of PTFE/Kevlar woven material surface: a) unworn sample; b) F=5 N, N=5000; c) F=10 N, N=5000

根據上述分析可知，C 元素主要來自Kevlar 纖維，F 元素主要來自PTFE，O 元素的變化主要由于表面氧化磨損。為了進一步探究編織材料磨痕表面損傷演變情況，需對材料表面元素分布狀態進行分析。分別對載荷為5、10 N，循環次數為1000、5000 次的編織材料損傷表面進行X 射線能譜儀（EDS）面分析，結果如圖12—13 所示。

圖12 載荷5 N 纖維編織材料表面的EDS 面掃圖像Fig.12 EDS Surface sweep image of 5 N fiber braided material surface

載荷為5 N、循環次數為1000 次的樣品，從C元素含量分布可觀察到，磨痕表面C 元素分布依然較均勻，仍與纖維分布相一致。O 元素在Kevlar 纖維部分的分布更多，主要由于Kevlar 纖維本身包含了較多氧元素，同時在摩擦過程中存在氧化磨損。循環次數為5000 次的樣品表面，C 元素在磨痕區域的分布減少，局部甚至被完全覆蓋。這是由于該部分的Kevlar 纖維被PTFE 轉移膜所覆蓋[21-22]，導致C 元素不能被檢測出來。O 元素分布面積進一步擴大，局部分布較密集，表明隨著磨損程度加深，材料表面Kevlar 纖維氧化的程度不斷加劇。由于PTFE 轉移膜的覆蓋，F 元素在PTFE 磨損部分的分布變淺，并隨磨損的加劇，逐漸覆蓋在Kevlar 纖維材料上。

對載荷為10 N 的兩種循環次數下的樣品進行EDS 面分析，如圖13 所示。當循環次數為1000 時，磨痕表面分布的C 元素減少，而磨痕內的F 元素逐漸向四周延伸，并將Kevlar 纖維部分包圍，表明在磨損過程中PTFE 轉移膜逐漸將裸露的纖維保護起來。當循環次數達到5000 次時，磨痕表面的C 元素分布變密集，而磨痕內的F 元素明顯減少，表明該階段PTFE 轉移膜流失嚴重，并向兩側堆積，失去了對Kevlar 纖維的保護作用。隨循環次數的增加，材料表面O 元素分布不斷擴大，表明材料表面氧化程度加深，同時再次證明本身含有較多O 元素的Kevlar 纖維再次裸露出來。

圖13 載荷10 N 纖維編織材料表面EDS 面掃圖像Fig.13 EDS Surface sweep image of 10 N fiber braided material surface

結合EDS 點分析表明，材料表面纖維在循環次數不斷增加的過程中，不斷被形成的PTFE 轉移膜保護，但隨著疲勞磨損不斷加劇，PTFE 轉移膜會不斷剝落，導致磨斷的纖維暴露在材料表面。同時，剝落的PTFE 轉移膜會造成磨粒磨損，進一步加劇材料表面磨損[23-24]。另一方面，磨損程度增加的同時，會導致磨痕表面氧化逐漸嚴重。

3 結論

本研究通過設計試驗，開展了對PTFE/Kevlar 纖維編織材料分別在幾種不同載荷下不同循環次數的損傷演變規律研究。通過對材料磨痕的宏觀和微觀表征，同時根據其微觀化學狀態，分析其表面的磨損機理以及損傷演變規律。主要結論如下：

1）載荷一定的條件下，PTFE/Kevlar 纖維編織材料在循環次數低于1000 次時，摩擦因數隨循環次數的增加而增大。循環次數達到1000 次后，摩擦因數的增幅減緩，并趨于平穩。3 種載荷條件下，摩擦因數最終均穩定在0.32～0.4。

2）循環次數到達大約1000 次之前，編織材料表面不斷磨損的同時，磨痕處不斷形成PTFE 轉移膜，將裸露的纖維保護起來。循環次數為1000～2000 時，形成了較均勻的PTFE 轉移膜，但隨循環次數不斷增加，會導致PTFE 轉移膜剝落、剝落的PTFE 轉移膜形成磨屑，造成磨粒磨損，加劇表面損傷。PTFE 轉移膜的形成與被磨壞的循環次數范圍，與所受載荷相關。

3）材料磨痕表面的磨損機制主要包括疲勞磨損和磨粒磨損，存在較少的粘著磨損和氧化磨損。材料表面磨損的嚴重程度與磨痕處C 元素的分布情況相關。循環次數越多，表面越容易氧化。