芳綸紗的結構形貌對芳綸/PTFE織物復合材料摩擦學性能的影響

蔡明，張招柱，姜葳，李佩隆

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所，固體潤滑國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.中國科學院材料磨損與防護重點實驗室，甘肅蘭州 730000)

自潤滑織物復合材料是由織物、樹脂及功能性填料經過一定工藝復合而成的一類固體潤滑材料，具有自潤滑、高承載、耐磨損等性能，又兼具可設計、易裁剪、易貼合、各向異性等特點，常用作聚合物背襯復合材料，被加工成自潤滑關節軸承等器件(如圖1所示)，用于軍事設備、航空航天、機械制造等領域[1-2]。自潤滑織物復合材料的摩擦學性能優異，應用前景廣闊，因而受到國內外學者的廣泛關注[3-4]。目前關于自潤滑織物復合材料摩擦學性能的研究，主要涉及織物結構設計與優化、功能性填料合成與制備、纖維-樹脂界面增強、苛刻環境工況等方向[5-7]。

自潤滑織物復合材料所用織物主要由聚四氟乙烯(PTFE)纖維作為潤滑材料和其他高性能增強纖維按照一定的組織結構編織而成，在摩擦過程中起到潤滑、承載、傳遞和連接的作用[8-9]。因此，織物組織結構對自潤滑織物復合材料的摩擦學性能有直接影響。MA等[10]研究了紗線捻度對Kevlar/PTFE織物復合材料力學及摩擦學性能的影響，結果表明紗線經適當加捻后可提高力學性能及黏接強度，有利于復合材料耐磨損性能的提升。QI等[11]以Kevlar為經紗、PTFE為緯紗進行編織得到Kevlar/PTFE混編織物，通過改變緯密研究重載條件下織物密度對織物復合材料摩擦學性能的影響。結果表明，當緯密相對較低時，復合材料摩擦因數隨緯密的增加而減小，這是因為PTFE含量的增加有利于潤滑膜的形成；而當緯密較高時，增強紗含量占比大幅減少導致復合材料整體耐磨性較差。RATTAN、BIJWE[12-13]的研究證明了組織結構對織物復合材料的強度和摩擦性能均有顯著影響，且在不同磨損模式下的影響效果不同。GU等[14]則以Kevlar/PTFE混編織物為例，重點研究了平紋、斜紋、緞紋3種織物復合材料在不同載荷條件下的磨損情況，發現平紋織物復合材料更適用于高載工況條件，而在低載條件下緞紋織物的抗磨損性能更好。LI等[15]通過研究不同層數的PTFE/Nomex混紡織物的摩擦特性，發現改變織物層數會影響復合材料的動摩擦因數。

近些年來，有關于織物組織結構對自潤滑織物復合材料摩擦學性能的影響研究主要集中在纖維種類、織物密度、編織結構等方面，對于織物中紗線結構形貌的相關研究提及較少[8，16-17]。紗是由短纖維或長絲沿軸向排列經加捻等處理方式組成的柔軟細長的纖維集合體[18]，成紗方式的不同可以賦予其不同的結構形貌，這種結構形貌上的差異不僅對紗本身的力學性能有直接影響，同時影響織物結構中纖維與纖維之間、紗與紗之間的相互作用、應力傳遞、紗與樹脂界面的結合能力等，進而影響相應自潤滑織物復合材料的摩擦學性能[19-20]。芳綸纖維具有高強度、耐腐蝕、耐磨損等優點，可用作增強材料以提高織物復合材料的力學性能。本文作者選用相同的對位芳綸纖維，制備成長絲平行紗、長絲加捻紗、短纖維加捻紗3種不同結構形貌的芳綸紗，并分別與PTFE長絲紗編織成結構相同的芳綸/PTFE混編織物，研究芳綸紗的結構形貌對芳綸/PTFE織物復合材料力學性能及摩擦學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料準備

實驗所用纖維原料PTFE平行長絲購自日本東麗公司，對位芳綸纖維購自煙臺泰和新材料股份有限公司。為控制實驗變量，避免因纖維原料自身差異對實驗結果產生影響，文中選用相同原料的對位芳綸纖維，通過不同的加捻處理方式獲得了3種不同結構形貌的芳綸紗，分別為長絲平行紗、長絲加捻紗和短纖維加捻紗，其中芳綸短纖維單絲長度為50～80 mm，規格對比見表1。酚醛樹脂由上海新光化工有限公司提供，丙酮、無水乙醇等均為分析純級。

表1 芳綸紗規格對比

1.2 樣品制備

將PTFE長絲紗分別與芳綸長絲平行紗、芳綸長絲加捻紗和芳綸短纖維加捻紗以相同的工藝參數進行編織，得到3種芳綸/PTFE混編織物，其中，芳綸紗作為緯紗，PTFE長絲紗作為經紗。依次采用石油醚、無水乙醇溶液對芳綸/PTFE混編織物進行超聲清洗，并將洗凈、烘干后的混編織物置于稀釋的樹脂溶液中反復浸漬，直至酚醛樹脂的質量增加達25%～30%，獲得預浸物。將預浸物切成合適尺寸并粘接至AISI-1045金屬基體上(直徑45 mm×8 mm)，并以180 ℃、2 h的條件進行固化，最終獲得3種織物復合材料樣品。3種不同結構形貌的芳綸紗、混編織物和相應的織物復合材料編號見表2。

表2 芳綸紗、混編織物和相應的織物復合材料編號

1.3 性能測試及表征

采用Nmm-800TRF型光學顯微鏡觀察3種芳綸紗及其混編織物的表面結構形貌，利用Nano-Measurer粒徑分布軟件對織物內紗線間距進行統計，每種織物樣品取50組數據求其平均值。采用Instron-5956強力試驗機進行3種芳綸紗的單紗拔出性能、力學性能、織物及復合材料力學性能測試。為減少實驗誤差，每組至少重復3次實驗，結果取平均值。圖2為單紗拔出樣品及實驗過程示意圖。采用F1560-330型多試件摩擦磨損試驗機對自潤滑織物復合材料分別進行不同載荷、轉速條件下的摩擦學性能測試，芳綸/PTFE織物復合材料的磨損率ω采用如下公式計算：

圖2 單紗拔出實驗示意

ω=V/(pL)

式中：V為磨損體積；p為載荷；L為滑動距離。

摩擦實驗在室溫下進行，恒定轉速條件下的實驗參數：載荷分別為48.81、50.92、53.05 MPa，對應轉速為0.241 m/s；恒定載荷條件下的實驗參數：轉速分別為0.241、0.289、0.337 m/s，對應載荷為50.92 MPa；磨損率數據取3次測試平均值。采用ZEISS-EVO10型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察自潤滑織物復合材料樣品和對摩金屬銷的表面磨損情況。

2 結果與討論

2.1 混編織物及芳綸紗表面結構形貌

圖3展示了光學顯微鏡下混編織物及芳綸紗的表面形貌。由圖3(a)—(c)可知Fabric-1、Fabric-2、Fabric-3的織物結構均為斜紋結構，且3種織物在單位長度內顯示出的芳綸紗根數和PTFE長絲紗根數分別相同，表明3種織物的結構參數中除紗線結構形貌不同以外均相同，這有效避免了因織物結構不同而導致自潤滑織物復合材料摩擦學性能產生差異。圖3(a1)所示為常規的芳綸長絲平行紗Yarn-1表面形貌，其外觀為扁平的帶狀絲束，表面十分光滑，絲束內部為一定數量連續且平行的纖維長絲，整體結構較為松散。觀察圖3(a)可見，在形成織物中Yarn-1占據較寬的平面空間，相鄰兩根芳綸紗的空間間距較小，平均間距約74.5 μm。織物中紗線受到的約束作用主要集中在交織點處，未被交織點覆蓋的絲束區域，單紗相互平行，彼此間沒有束縛，導致紗線在織物中更易產生滑移和抽絲，同時影響織物及相應復合材料的力學性能。圖3(b1)顯示了芳綸長絲加捻紗Yarn-2的結構形貌，如圖所示，加捻后的芳綸長絲緊密抱合，外層單纖維沿軸向相互卷繞形成傾斜的螺旋捻回，絲束內的纖維相互靠攏，結構更為緊湊致密，從而有利于提高紗線、織物及相應復合材料的力學性能。加捻后的芳綸紗表觀直徑變小，導致Yarn-2在織物中占據較窄的平面空間，相鄰兩根紗線的空間間距較大，平均間距約94.1 μm，相對于Yarn-1紗間距高出26%(見圖3(b))，這可以改善樹脂在織物中的浸潤程度，進而提高織物復合材料的黏接強度。

圖3 芳綸/PTFE混編織物及芳綸紗光學顯微圖

圖3(c1)所示為芳綸短纖維加捻紗Yarn-3表面形貌，可以看出，其主體結構由短纖維相互加捻卷繞而成，結構致密且存在規律性捻回，同時紗的表面包覆著大量不同長度的毛羽纖維。Yarn-3的結構形貌賦予其較小的體積占比、較大的比表面積和較高的表面粗糙度，形成織物中相鄰兩根紗線的間距較大，約135 μm，且紗與紗之間存在毛羽的勾連、交錯，可提高織物內紗線間的交互作用(見圖3(c))，有利于提高與樹脂界面的結合能力。

2.2 單紗拔出性能

3種芳綸/PTFE混編織物的單紗拔出性能對比見圖4，單紗拔出強力能夠反映織物中紗與紗之間的相互作用[8，21]，拔出強力越大表明紗線在脫離織物過程中受到的阻力作用越大，即應力在織物中的傳遞和分散效果越好。

圖4 紗線拔出性能比較

圖4(a)可以看出，Fabric-3在經向上的紗線拔出強力高于Fabric-1和Fabric-2。原因在于芳綸短纖維加捻紗的表面結構粗糙，帶有大量的毛羽，使得芳綸短纖維加捻紗對PTFE長絲紗的限制和約束作用較大，在拔出過程中毛羽的糾纏和扭曲則進一步增加了對PTFE長絲紗的阻礙作用。Fabric-2中的PTFE長絲紗在拔出過程中僅受到來自芳綸長絲加捻紗的限制，沒有毛羽的額外影響，所以在經向上的紗線拔出強力小于Fabric-3。而Fabric-1中的芳綸長絲平行紗集束性較差，對于PTFE長絲拔出過程中的約束和限制作用最小。圖4(b)表明，Fabric-3在緯向上的紗線拔出性能依然表現最優，原因在于芳綸短纖維加捻紗在拔出過程中除了受到PTFE長絲紗的約束以外，還受到鄰近毛羽的糾纏，這也導致其紗線拔出強力遠高于Fabric-1和Fabric-2。而芳綸長絲平行紗和芳綸長絲加捻紗在脫離織物交織點時，受到PTFE長絲紗的約束力比較接近。圖4(c)(d)所示的單紗拔出曲線表明，被拔單紗受到拔出力后，其拔出力值呈直線上升趨勢，且在單紗即將脫離織物結構中的交織點時達到最大，隨后在脫離每個紗線交織點時，拔出力值波動下降，直至徹底從織物中拔出。

2.3 力學性能及黏接性能測試

圖5(a)—(c)分別示出了3種芳綸紗、混編織物和織物復合材料的拉伸性能對比。如圖5(a)所示，3種芳綸紗中Yarn-2的斷裂強力最高，其次是Yarn-1，Yarn-3的斷裂強力最小。原因在于Yarn-3是由切斷的長絲經加捻抱合而成，內部為非連續性纖維，在受到拉伸作用發生斷裂時，主要以短纖維的滑脫為主，并輔以少部分的纖維斷裂，這使得紗線內部的單纖維強力利用率較低，從而導致其強力偏低。而Yarn-1是由連續、平行的芳綸長絲排列構成，在受到拉伸力時，絲束內單纖維的斷裂同時性較大，強力利用率高。芳綸長絲加捻紗Yarn-2是由連續長絲在加捻作用下沿軸向相互卷繞所得，絲束外層的纖維向內層擠壓，提高了絲束中纖維間的抱合力，進一步增強了單纖維的斷裂同時性，力學性能得到提高。沿芳綸方向對織物及相應復合材料進行拉伸性能測試，由于織物是紗的集合體，其力學性能受到編織紗的性能影響，同時也影響相應復合材料的力學性能，因此，如圖5(b)(c)所示，織物、復合材料的力學性能規律與圖5(a)中芳綸紗的力學性能規律相一致。

圖5 拉伸性能及黏接性能對比

圖5(d)示出了3種織物復合材料的剝離強度對比，可以看出，Composite-3的剝離強度最高，原因在于Yarn-3表面規律性的捻回和較長的毛羽增加了與樹脂基體的接觸面積。樣品Composite-2的剝離強度高于Composite-1的原因在于平行長絲經過加捻后，絲束表觀直徑變小，改善了樹脂基體中織物的浸潤狀況。3種復合材料樣品的差異主要來自其混編織物中所用芳綸紗的結構形貌不同，這種差異直接影響了紗線本身的力學性能、與樹脂的界面結合力，進而影響混編織物及其復合材料的力學性能、黏接性能，最終對復合材料的摩擦學性能產生影響。

2.4 復合材料摩擦學性能

為研究芳綸紗的結構形貌對芳綸/PTFE織物復合材料摩擦學性能的影響，分別在恒定轉速不同載荷(載荷分別為48.81、50.92、53.05 MPa，對應轉速為0.241 m/s)和恒定載荷不同轉速(轉速分別為0.241、0.289、0.337 m/s，對應載荷為50.92 MPa)的條件下對制備的復合材料樣品進行摩擦性能測試，結果如圖6所示。

圖6 織物復合材料在不同載荷和轉速條件下的磨損率對比

圖6(a)表明，隨著載荷的增加，3種樣品的磨損率均有不同程度的增加。當載荷相對較低時，Composite-3的磨損率最小，在較高載荷時，Composite-2的磨損率最小，而在3種載荷條件下，Composite-1的磨損率均較大。原因在于Composite-3的增強纖維為芳綸短纖維加捻紗Yarn-3，其紗線上的毛羽能夠有效提高其黏接性能，促進應力傳遞，從而能更好地分散施加于復合材料上的載荷，這使得Composite-3在低載荷條件下表現為較低的磨損率。在高載荷條件下，紗線本身的力學性能對復合材料抗磨損性能的影響也在增加，芳綸短纖維加捻紗的強力偏低，導致其承載力較差。而Composite-2中的增強紗為芳綸長絲加捻紗Yarn-2，該紗的結構形貌使其獲得較為優異的單紗拔出性能及黏接性能，同時具有更高的斷裂強力，提高了復合材料的承載能力，表現為Composite-2在高載荷條件下的磨損率較小。樣品Composite-1的增強紗為芳綸長絲平行紗Yarn-1，其結構形貌導致Composite-1的黏接強度較小，纖維與樹脂之間的應力傳遞效果最差，整體磨損率較高。圖6(b)表明，隨著滑動速度的提高，3種樣品的磨損率也呈現不同程度的增加，其磨損率變化趨勢與載荷測試條件的變化趨勢較為一致。

2.5 復合材料磨損表面形貌

為進一步研究芳綸紗結構形貌對自潤滑織物復合材料摩擦學性能的影響，采用掃描電鏡對低載荷條件和高載荷條件下的織物復合材料樣品及其對摩金屬銷的磨損表面進行觀察，結果分別見圖7和圖8。圖7所示為低載荷實驗條件下復合材料和對摩金屬銷的磨損表面，可以看出，樣品Composite-1表面樹脂脫落嚴重，大量纖維露出樹脂基體，并存在纖維被切斷的情況(見圖7(a))，金屬銷1表面存在著纖維碎屑和樹脂顆粒(見圖7(d))，表明Composite-1的磨損機制主要為黏著磨損和疲勞磨損。樣品Composite-3的磨損表面最為光滑，金屬銷3表面無明顯磨屑殘留，磨損機制主要以黏著磨損為主，而且，其磨損主要發生在樣品的樹脂表面，復合材料中的纖維尚未充分參與和金屬銷的摩擦過程(見圖7(c)(f))，原因在于Composite-3中芳綸紗表面存在大量的毛羽，增加了織物與樹脂的界面結合面積，并為應力傳遞提供了良好的通道，有利于外部載荷均勻分布在樣品表面。此外，粗糙的織物表面結構使紗線與樹脂緊密結合，有效抑制了樹脂的剝落與微裂紋的產生，并有利于PTFE碎纖維更好地嵌入到織物表面，起到二次潤滑作用。樣品Composite-2及對摩金屬銷2的表面磨損程度居于Composite-1和Composite-3二者之間(見圖7(b)(e))。

圖7 低載荷實驗條件下的織物復合材料樣品及其對摩金屬銷磨損表面SEM圖(測試條件：載荷為48.82 MPa，轉速為0.241 m/s，箭頭示意滑動方向)

圖8 高載荷實驗條件下的織物復合材料樣品及其對摩金屬銷磨損表面SEM圖(測試條件：載荷為53.05 MPa，轉速為0.241 m/s，箭頭示意滑動方向)

圖8所示為高載荷實驗條件下樣品及對摩金屬銷的磨損表面，當載荷較高時，摩擦樣品受到更為劇烈的擠壓應力和剪切應力，如圖8(a)—(c)所示，Composite-1、Composite-2、和Composite-3的表面磨損情況均比低載荷下嚴重。樣品Composite-1和Composite-3表面存在大片的樹脂碎屑和被碾碎的斷纖維，復合材料表面經歷過嚴重的疲勞磨損，對摩金屬銷表面均明顯可見纖維碎屑(見圖8(d)(f))。樣品Composite-2的磨損表面相對光滑，露出纖維較少，復合材料的結構整體性更好，露出的纖維開始參與和金屬銷的摩擦，但金屬銷2表面的纖維碎屑較少，表明其磨損機制以黏著磨損為主(見圖8(e))。

3 結論

將不同結構形貌的芳綸紗與PTFE長絲紗相交織得到3種芳綸/PTFE混編織物，再以相同工藝制備成芳綸/PTFE織物復合材料，通過研究芳綸紗的結構形貌對織物復合材料摩擦學性能的影響，初步得到以下結論：

(1)芳綸長絲平行紗的結構形貌導致其形成織物時內部紗線相互約束作用較差，與樹脂的界面結合力較弱，不利于應力傳遞和潤滑膜的形成，磨損率偏高。

(2)芳綸短纖維加捻紗表面規律性的捻回和毛羽結構能夠更好地控制織物內部的紗線滑移，促進應力傳遞，提高黏接性能，使復合材料在較低載荷條件下保持良好的耐磨性能。

(3)芳綸短纖維加捻紗/PTFE織物復合材料在較高載荷下磨損率偏高，原因在于短纖維加捻紗強力偏低，影響了復合材料的承載能力。

(4)芳綸長絲加捻紗/PTFE織物復合材料承載能力最強，這是因為加捻改變了平行紗的結構形貌，增加了紗線內部纖維間的抱合力與集束性，提高了芳綸長絲加捻紗、織物及相應復合材料的力學性能。