碳纖維增強PTFE復合材料的摩擦磨損性能研究

項東虎，席 博，朱亞波

(中國礦業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇徐州221116)

0 引言

聚四氟乙烯(PTFE)具有吸水率極低、自潤滑性和不粘性等獨特性質，可以在－250～260℃的溫度范圍內正常使用，是一種理想的固體潤滑材料。在工業(yè)以及航空航天領域，PTFE及其復合材料以具有優(yōu)良的自潤滑性，摩擦系數低、耐化學腐蝕、耐高低溫等優(yōu)點而在自潤滑領域得到廣泛重視，但其耐磨性差及承載能力低，使其應用范圍受到一定的限制。近年來，對PTFE的改性己成為研究的熱點，往基體里面填充微納米級顆粒備受國內外學者關注，如填充納米碳纖維能減少PTFE的體積磨損率1－2個數量級。填充納米ZnO能提高PTFE耐磨損性能近2個數量級。填充15%Al2O3納米粒子加5%石墨后，耐磨性可提高200倍，并有較為穩(wěn)定的摩擦因數，填充碳納米管能有效地抑制PTFE的犁削和粘著磨損，但有關微納米碳螺旋纖維改性PTFE性能的研究還較少，本文就以直碳纖維和碳螺旋纖維為PTFE的改性材料，對比分析它們對PTFE抗壓強度和摩擦磨損性能的影響，并簡單探討它們對PTFE性能改善的機制。

1 實驗部分

1.1 主要原料

①原料:PTFE、懸浮聚合白色粉末(浙江巨圣氟化學有限公司)、碳螺旋纖維、直碳纖維(自制)。②偶聯(lián)劑:KH－550(－氨丙基－三乙氧基硅烷，南京曙光化工廠)。

1.2 碳纖維的處理

螺旋碳纖維是無機纖維，雖與基體的結合性較好，但分散性較差，需要通過偶聯(lián)劑對碳纖維表面進行偶聯(lián)改性，以提高與基體的結合性，達到增強復合材料性能的目的。螺旋碳纖維偶聯(lián)改性的一般工藝過程為:將一定量的偶聯(lián)劑和溶劑配制成溶液后，放入碳纖維，機械攪拌30min，放入干燥箱中80℃下干燥4h，在105.3℃下活化2h，取出密封保存。

1.3 碳纖維增強PTFE復合材料的制備

PTFE粉料易結塊，且顆粒之間也有一些水分，經85℃處理8～12h，除去水分。采用干法機械混和法，把預處理過的PTFE粉料和填料按質量百分比秤好，采用人工機械攪拌5～8min后，放入模具中冷壓成型，采用單向加壓的辦法壓制，以5mm/min的加壓速率加壓至10kN，保壓10min，再脫模得到預成型樣品。將預成型樣品放入電爐中燒結成型，在360～380℃下燒結3～4h，然后隨爐自然冷卻至室溫，經磨飾加工，即得到復合材料制品。

復合材料制備工藝流程:原料稱量→混料→裝入模具→冷壓成型→燒結固化→輔助加工→檢驗→成品

2 性能測試及討論

2.1 摩擦與摩損性能

將PTFE粉末放在電熱恒溫干燥箱里，在一定的溫度下進行干燥，并將PTFE粉末和改性填料采用人工機械混合，取出混合后的物料，放入模具中冷壓成型，再在空氣氣氛中燒結固化成型，冷卻取出，打磨修飾后得到塊狀試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×20mm。在M－2000型摩擦磨損試驗機上，采用環(huán)－環(huán)試驗方式，大氣環(huán)境、干摩擦條件下評價試樣的摩擦磨損性能。對偶為45鋼環(huán)，硬度為40HRC，尺寸為 mm，其表面用1200#金相砂紙打磨。試驗總轉數為12000轉，載荷150N，滾輪轉速為200r/min，磨損時間1h，前二十分鐘每隔5min從磨損試驗機上讀取一次摩擦力矩，后四十分鐘每隔2min從磨損試驗機上讀取一次摩擦力矩，取其平均值，根據(F為載荷，R為滾輪半徑)，計算出摩擦系數。用精度為0.1mg的電子天平秤量試樣磨損前后的質量，由公式(1)計算磨損率，式中:△m是試樣磨損前后質量差(g)，V是試樣體積(單位cm3)，M:摩擦力矩(單位 N*m)，m:試樣實驗前的質量(單位g)，n:試驗總轉數。

圖1 摩擦因數在不同載荷下隨碳纖維含量的變化關系曲線

圖2 摩損率在不同載荷下隨碳纖維含量的變化關系曲線

圖1所示為載荷分別為10N和20N和速度0.52 m/s下兩種碳纖維增強聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能隨碳纖維含量的變化關系曲線?？梢?，隨著碳纖維含量的增加，摩擦因數逐漸增強，這是因為一方面PTFE復合材料在摩擦時會向對磨件表面轉移形成一層PTFE膜，纖維的加入在摩擦過程中會破壞轉移膜，從而提高復合材料的摩擦系數，另一方面，由于采用的是人工加機械混合方式，在混合的過程中，纖維容易形成絮團吸附物，在壓制的過程中，會使制品表面的坑洼程度大，制品的粗糙度增加，在與金屬件對磨時，機械嚙合與切削碰撞就比較顯著，導致滑動困難，使摩擦因數增大。由于SCF摩擦系數較小，有助于轉移膜在對磨件表面的粘附，在承載時能起到很好的潤滑作用，所以SCF的填充不會大程度地影響摩擦系數的變化。但在不同的正壓力下其摩擦因數各不相同，正壓力為20N時的摩擦因數小于正壓力為10N時的摩擦因數。

圖2說明復合材料的磨損量隨纖維含量的增加而減小，這主要是由于增強碳纖維的加入阻止了PTFE帶狀結構的大面積破壞，并且增強碳纖維具有一定的承載作用，從而大大降低了PTFE復合材料的磨損量;正壓力越大，其摩損率越低，這主要是由于PTFE摩擦表面的平均屈服應力值較高，摩擦表面積累的PTFE磨屑很難被重新嵌入到PTFE基體中，這些磨屑的自潤滑性和耐磨性使得正壓力較高時，摩擦因數和磨損率都會降低，而滑動速度的影響會變得很小。

總的說來，碳纖維使得PTFE基體的磨耗降低、耐摩性能增強，從摩擦因數上來看，由于PTFE的摩擦因數是固體中最小的，無論加入什么樣的物質均會使其摩擦因數增大，這一點在本實驗中得到了很好的驗證。

另外，在PTFE的減摩轉移學中認為，當PTFE與其它物體對磨時的相互作用，PTFE的大分子容易被拉出晶區(qū)，由于接觸點之間的庫侖力和范德華力并在對磨面上形成20～300nm厚的薄膜，這層薄膜的大分子是按滑移方向高度定相的，從而變成了PTFE之間的摩擦。從PTFE的表面把分子拉扯出來是因為PTFE的內聚能小，分子間結合力弱。所以當PTFE與金屬表面進行對磨時，容易發(fā)生磨損現象。對于機械混合試樣來說，由于其中碳纖維的排列是雜而無序的，它可以滲透到PTFE基體中形成較多的網狀結構，對PTFE產生了束縛作用，可以阻止PTFE的形變位錯和分子鏈的運動，從而使PTFE的磨耗降低。

2.2 硬度與抗壓性能

圖3給出了兩種碳纖維增強前后的聚四氟乙烯復合材料的硬度值隨碳纖維填充量的變化關系?？梢钥闯鰧τ谥崩w維，其復合材料基體的硬度變化情況是隨著碳纖維的填充量的增加先上升后下降，最后的硬度值低于純聚四氟乙烯的硬度值，這主要是由于碳纖維增強聚四氟乙烯復合材料燒結結晶后形成高分子鏈，在分子鏈間存在一些空隙，當碳纖維的填入量較小時，微納米粒徑的填料可填充到空隙中，從而使復合材料組織致密，增強了材料的邵氏硬度，而當微納米材料填充量較大時會阻礙復合材料的高分子鏈形成，從而又導致材料邵氏硬度下降，而對于添加碳螺旋纖維的PTFE復合材料，由于三次添加的量都比較少，所以復合材料的邵氏硬度一直在上升，并沒有出 現像添加直纖維那樣硬度值會出現下降的情況。

圖3 邵氏硬度隨碳纖維含量的變化關系曲線

圖4 抗壓強度隨碳纖維含量的變化關系曲線

圖5 斷裂位移隨碳纖維含量的變化關系曲線

由圖4、圖5可知:純PTFE材料的壓縮性能很 差，抗壓強度僅為11MPa左右，并且壓縮位移達到4.3mm左右就開始發(fā)生斷裂破壞，當添加1%的SCF時，其抗壓強度沒有發(fā)生顯著的變化，但其壓縮變形性能得到了明顯的改善，因為斷裂位移提高到現在的6.0mm左右，當添加3%的SCF時，其最大承載力有明顯的升高，且其壓縮性能也得到較好的改善，當添加含量達到5%時，其各項性能都在原有的基礎上得到一步的提高;對于添加CMCs的試樣，當添加0.1%的CMCs時，其最大承載力就有一定的提高，壓縮性能已經可以看出得到明顯的改善，當添加0.3%的CMCs時，其最大承載力已經達到很好的展現，且其塑性變形能力也大大改善，當添加CMCs的含量達到0.5%時，其各項性能同樣都在原有的基礎上得到一步的提高。

2.3 磨損表面的SEM分析

與純PTFE相比，纖維填料可以顯著提高復合材料的抗壓強度。這可能是因為:(1)載荷作用在復合材料上時，纖維并不直接受力，而是作用在基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。當界面粘結性能較好時，大部分載荷可傳遞到纖維，使纖維起到有效增強作用，并使復合材料的抗壓性能和塑性變形得到進一步提高;(2)由于纖維填料加入后，可以均勻分散在基體中，起到簡單的“物理交聯(lián)”作用，所以有效提高了復合材料的支撐和承載能力，改善了其尺寸穩(wěn)定性，避免試樣發(fā)生凹陷和翹曲，并增加其抗壓性能，且少量的碳螺旋纖維又比稍多量的直纖維對抗壓強度的貢獻更為顯著。

圖6 碳纖維增強PTFE復合材料磨損表面(×600倍)，

圖6(a)是純PTFE磨損表面的SEM照片，純 PPTE硬度低，轉移膜是連續(xù)大塊的PTFE，附著力很差，在外力擠壓下，對磨件表面的凸峰極易將PTFE表面犁削下來，形成溝槽和摩擦紋。

圖6(b)至圖6(e)分別是不同質量分數CMCs或SCF填充PTFE復合材料的磨損表面形貌?？梢钥闯?圖6(b)中復合材料的摩擦面上散布著大量磨屑，基體仍呈片狀磨損痕跡，說明材料的磨損是粘著磨損與磨粒磨損兩種磨損方式共同作用。圖(c)中，隨著纖維質量分數的提高，分布在基體中的CMCs形成網架結構，與PTFE大分子鏈件的作用力增強，承載能力提高，阻止了PTFE的大塊脫落。

圖6(d)和圖6(e)是質量分數1%SCF和3%SCF的PTFE復合材料磨損表面形貌。由摩擦磨損表面可知:SCF的加入，由于硬度略有增加，使摩擦系數有所提高，表面變得很粗糙，但SCF具有高的比強度和比模量而在摩擦磨損過程中優(yōu)先承受載荷，使基體不致被擠壓、刮削，增強了材料耐磨性，總的說來，和純的PTFE材料相比，添加碳纖維的復合材料能夠有效地提高其摩擦磨損性能。

3 結論

(1)與純PTFE材料相比，添加了碳纖維之后的復合材料，其壓縮性能得到了提高，尤其是碳螺旋纖維，效果更加明顯。

(2)PTFE材料自身塑性性能很差，但通過添加碳纖維以后，不僅斷裂時的位移比純PTFE的斷裂位移增加了許多，同時其抗壓強度也得到了提高，這說明通過添加碳纖維以后可以有效地提高其塑性與強度。

(3)添加碳螺旋纖維之后，隨著添加量的增加，表面的磨損得到了較好的改善，添加直纖維盡管其表面磨損較明顯，但由于SCF優(yōu)異性能的影響，最終還是使得其磨損率大大降低。

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