PTFE編織復(fù)合材料摩擦特性研究

劉 建，張永振，，杜三明，劉敬超

（1西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710072；2河南科技大學(xué) 材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003）

PTFE編織復(fù)合材料摩擦特性研究

劉 建1，張永振1，2，杜三明2，劉敬超2

（1西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710072；2河南科技大學(xué) 材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003）

在高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上以擺動(dòng)頻率、載荷為變量對PTFE編織復(fù)合材料進(jìn)行于摩擦性能測量實(shí)驗(yàn)，分析擺動(dòng)頻率、載荷對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：材料的摩擦因數(shù)隨載荷增大呈穩(wěn)定降低趨勢，最后趨于平穩(wěn)。在20～40kN載荷范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)隨擺動(dòng)頻率的增大經(jīng)過一個(gè)最小值后上升到穩(wěn)定值。載荷對摩擦因數(shù)的影響大于頻率的影響。通過掃描電子顯微鏡對不同載荷頻率下產(chǎn)生的PTFE編織復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的分析，從微觀上解釋了擺動(dòng)頻率、載荷影響PTFE編織復(fù)合材料摩擦因數(shù)的作用機(jī)理。

PTFE；載荷；頻率；摩擦因數(shù)

PTFE（Polytetrafluoroethene）聚四氟乙烯編織復(fù)合材料由芳綸纖維、炭纖維等增強(qiáng)纖維以及石墨、MoS2，CuS等減摩抗磨固體顆粒組成的織物材料。以高強(qiáng)度、耐高溫、摩擦因數(shù)小、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于具有自潤滑特性的關(guān)節(jié)軸承中［1］，其摩擦磨損性能決定了關(guān)節(jié)軸承的工作穩(wěn)定性及使用壽命［2］。20世紀(jì)50年代，國外已將這種PTFE編織復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天等重要領(lǐng)域［3］。目前國內(nèi)已有很多學(xué)者對其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，但總體上尚處于初級階段［4］，很多基礎(chǔ)理論不成熟［5－7］。其中，載荷速率特性是PTFE編織復(fù)合材料性能評估的重要參數(shù)指標(biāo)，是一個(gè)綜合考慮編織復(fù)合材料在不同速率、載荷、溫度、環(huán)境等因素下的摩擦磨損性能的極限值。有些文獻(xiàn)將載荷速率作為整體來研究速率載荷與摩擦磨損性能的關(guān)系，忽略相同載荷速率值，不同載荷、速率的影響因素，很難保證結(jié)果的可靠性。原因在于相同的載荷速率值，不同的載荷、速率組合對摩擦因數(shù)、磨損率的影響非常大，得到的結(jié)果誤差較大［8－12］。

本研究針對一定條件下不同的載荷、擺動(dòng)頻率（擺動(dòng)幅度一定，以頻率表征速率）值對自制PTFE編織復(fù)合材料（單層浸膠斜紋織物）摩擦因數(shù)的影響進(jìn)行在機(jī)測量實(shí)驗(yàn)，分析了摩擦因數(shù)隨載荷、擺動(dòng)頻率的變化特性，為高頻擺動(dòng)條件下PTFE編織復(fù)合材料PV特性的獲得提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及條件

將自制PTFE編織復(fù)合材料（以下簡稱襯墊）粘貼于曲率半徑為（50±0.05）mm、弧度為（60±0.5）°的試樣臺(tái)上。對偶材料采用9Cr18Mo，符合GB／T3086高碳鉻不銹軸承鋼技術(shù)條件（冷處理溫度－55℃以下，保溫時(shí)間不少于1h），直徑100mm，表面粗糙度0.16μm。實(shí)驗(yàn)室室溫25℃，相對濕度60%。實(shí)驗(yàn)前用丙酮對對偶環(huán)進(jìn)行去油處理。襯墊厚度為（0.38±0.02）mm，試樣寬度為（40±0.05）mm，長度為（53±0.05）mm。實(shí)驗(yàn)前先靜止加載20kN 額定載荷30min，待變形量穩(wěn)定后開始實(shí)驗(yàn)。摩擦副示意圖如圖1所示。

圖1 摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure schematic drawing

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

保持環(huán)境溫度和襯墊初始溫度恒定，以擺角3°的擺動(dòng)幅度分別以載荷（5，10，15，20，30，40，50kN）、頻率（5，10，13，14，15，17，20Hz）為變量測量摩擦因數(shù)隨二者的變化曲線。

經(jīng)過1h磨合，襯墊摩擦磨損性能進(jìn)入穩(wěn)定階段，以不同的載荷、頻率組合進(jìn)行49組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行40min，間隔10次取值，最后取摩擦因數(shù)平均值。每組實(shí)驗(yàn)完成后對摩擦副材料進(jìn)行降溫，待初始溫度降到50℃進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)測量的有效最低載荷為10kN，原因在于10kN以下的摩擦因數(shù)波動(dòng)性較大，波動(dòng)值為±0.057，因此10kN以下的取值僅作為參考值。當(dāng)載荷超過50kN時(shí)，由于負(fù)載過大，摩擦環(huán)的擺動(dòng)幅度達(dá)不到額定值，此時(shí)增加液壓擺動(dòng)缸的扭矩，擺動(dòng)幅度反而變小。原因在于，增加液壓的同時(shí)擺動(dòng)缸的泄油量也同時(shí)增大，而且泄油量大于增加量。

由于摩擦因數(shù)隨載荷的變化趨勢比較明顯，而隨頻率變化比較復(fù)雜，因此當(dāng)摩擦因數(shù)隨頻率的增高出現(xiàn)降低后升高的拐點(diǎn)時(shí)（主要出現(xiàn)在10～20Hz），為保證摩擦因數(shù)最低點(diǎn)取值的可靠性，排除偶然因素并盡量準(zhǔn)確地找出最低點(diǎn)，在可能的頻率區(qū)域進(jìn)行額外取點(diǎn)測量，保證摩擦因數(shù)最低點(diǎn)與頻率的對應(yīng)特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對摩擦因數(shù)的影響

不同載荷下摩擦因數(shù)隨頻率的變化曲線如圖2所示。可以看出，在載荷低于15kN時(shí)，摩擦因數(shù)隨著擺動(dòng)頻率的提高逐漸升高，沒有出現(xiàn)降低趨勢。載荷達(dá)到20kN時(shí)，出現(xiàn)最低摩擦因數(shù)的頻率為12Hz。載荷30kN時(shí)對應(yīng)最低摩擦因數(shù)的頻率為15Hz。40kN對應(yīng)的最低摩擦因數(shù)的頻率為10Hz。超過25kN時(shí)，摩擦因數(shù)呈不斷降低趨勢，沒有拐點(diǎn)出現(xiàn)。

圖2 摩擦因數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.2 Friction coefficient－frequency curves

載荷為15kN時(shí)摩擦因數(shù)隨頻率的變化出現(xiàn)的極小值最為明顯。當(dāng)載荷達(dá)到50kN時(shí)，摩擦因數(shù)隨頻率出現(xiàn)的最低點(diǎn)消失，此時(shí)載荷起主要作用。主要原因如下：

（1）從轉(zhuǎn)移膜因素分析：由于PTFE及其他自潤滑材料的轉(zhuǎn)移性很差，形成的轉(zhuǎn)移膜在對偶環(huán)上的黏著作用低于本體之間的黏著強(qiáng)度。因此，常溫下對偶環(huán)摩擦表面很難形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜。摩擦頻率提高使摩擦表面溫度逐漸升高，PTFE轉(zhuǎn)移性增強(qiáng)，使轉(zhuǎn)移膜面積逐漸增大，厚度也相應(yīng)增加，此時(shí)摩擦因數(shù)降低。當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí)，在高速擺動(dòng)下對偶環(huán)的摩擦表面很難形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，此時(shí)摩擦因數(shù)呈上升趨勢。

（2）從襯墊黏著和變形方面分析：摩擦過程中摩擦副表面材料分子間的運(yùn)動(dòng)、吸附和轉(zhuǎn)移、力學(xué)性能等都將發(fā)生變化。頻率升高導(dǎo)致溫度迅速提高，而溫度升高使得組成摩擦因數(shù)的黏著和變形兩部分阻力都將發(fā)生變化，其表達(dá)式［13］如下：

式中：f1為黏著摩擦因數(shù)；f2為變形摩擦因數(shù)；f°為初始溫度對應(yīng)的黏著和變形摩擦因數(shù)；α，γ為溫度系數(shù)；Δt為溫升。

由式（1），（2）可以看出，溫度升高對襯墊摩擦因數(shù)的影響成指數(shù)變化，這一變化趨勢對摩擦因數(shù)的影響要大于轉(zhuǎn)移膜的影響。由此也可以說明摩擦因數(shù)隨頻率的變化雖然在一定的載荷范圍內(nèi)（18～30kN）有降低趨勢，但總體的趨勢還是隨著擺動(dòng)頻率的提高而成增大趨勢，最后趨于穩(wěn)定。這也是很多相關(guān)研究工作者得出摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速率增高而增大的原因，即實(shí)驗(yàn)時(shí)載荷的間隔太大而將這一降低趨勢忽略。同時(shí)可以判斷頻率對摩擦磨損性能的影響主要是通過溫度的間接影響產(chǎn)生作用。頻率增高直接引起襯墊表面溫度的升高，導(dǎo)致襯墊力學(xué)結(jié)構(gòu)性能及熱物性發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的摩擦磨損性能。這種間接的影響關(guān)系也導(dǎo)致了襯墊摩擦特性變化的復(fù)雜性及難以預(yù)測性。

2.2 載荷對摩擦因數(shù)的影響

圖3為摩擦因數(shù)隨載荷的變化曲線。可以看出，摩擦因數(shù)在5～50kN載荷范圍內(nèi)隨載荷增大呈明顯的降低趨勢。在5～30kN范圍內(nèi)摩擦因數(shù)的變化較大，30～50kN范圍內(nèi)摩擦因數(shù)的變化較為緩和，逐漸趨于穩(wěn)定。純PTFE的摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)速率的增大而上升，隨著載荷的增大而降低，載荷達(dá)到一定值摩擦因數(shù)又突然升高。

圖3 摩擦因數(shù)隨載荷的變化曲線Fig.3 Friction coefficient－loads curves

圖4為摩擦后對偶環(huán)表面的SEM圖。圖4（a）為在15Hz、10kN下對偶環(huán)的表面狀態(tài)，可以看出表面沒有明顯的轉(zhuǎn)移膜形成，此時(shí)摩擦因數(shù)較大（0.138）。圖4（b）為15Hz、30kN下對偶環(huán)的表面狀態(tài)，此時(shí)表面已形成均勻的轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)明顯降低（0.05）。通過分析得出：載荷對轉(zhuǎn)移膜的影響機(jī)制為載荷變化引起摩擦表面溫度的變化，由此引起對偶環(huán)表面轉(zhuǎn)移膜（厚度、均勻性、穩(wěn)定性等）的變化。當(dāng)然，載荷本身對摩擦表面的微觀作用對摩擦因數(shù)也有一定的影響，目前還沒有確切的研究結(jié)論。

圖4 對偶環(huán)表面SEM 照片 （a）15Hz，10kN；（b）15Hz，30kNFig.4 SEM images of the ring surface （a）15Hz，10kN；（b）15Hz，30kN

通過頻率、載荷與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律可以得出，載荷較之頻率對摩擦因數(shù)的影響更為顯著。在相同載荷頻率值下，襯墊的摩擦因數(shù)在低載高頻的條件下比在高載低頻時(shí)要大。圖5為頻率、載荷與摩擦因數(shù)的關(guān)系。從圖5（a）可以看出，摩擦因數(shù)沿載荷方向上的變化趨勢與沿著頻率方向相比要大。整體趨勢為摩擦因數(shù)隨載荷、頻率的增大而增大；其中載荷25kN、頻率14Hz區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)凹陷面，即摩擦因數(shù)隨頻率增加而降低的區(qū)域。圖5（b）中可以看出，摩擦因數(shù)在以頻率、載荷為平面的二維坐標(biāo)中，摩擦因數(shù)等值線的分布沿載荷方向的變化率明顯高于頻率方向，由此可以得出，摩擦因數(shù)的大小主要受載荷值影響，頻率對摩擦因數(shù)的影響相對較小。

3 結(jié)論

（1）襯墊的摩擦因數(shù)隨載荷增大而逐漸降低；在20～40kN下摩擦因數(shù)隨頻率的增大先降低，后經(jīng)過一個(gè)最低點(diǎn)上升到穩(wěn)定值。

（2）摩擦過程中形成于對偶環(huán)表面的轉(zhuǎn)移膜對摩擦因數(shù)有重要影響，擺動(dòng)頻率及載荷主要通過影響轉(zhuǎn)移膜的狀態(tài)影響摩擦因數(shù)。

（3）在10～50kN范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)的大小主要受載荷影響，頻率對摩擦因數(shù)的影響相對較小。

圖5 頻率、載荷與摩擦因數(shù)的關(guān)系 （a）三維曲面圖；（b）摩擦因數(shù)等值線Fig.5 The relation of frequency，load and friction coefficient （a）3Dsurface graph；（b）the isoline of friction coefficient

［1］ 張永振.材料的干摩擦學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］ 向定漢，潘青林，姚正軍，等.聚四氟乙烯自潤滑編織復(fù)合材料關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)報(bào)，2003，23（1）：72－75.

［3］ WANG Yun－xia，YAN Feng－yuan.Tribological properties of transfer films of PTFE－based composites［J］.Wear，2006，261 （11－12）：1359－1366.

［4］ 上官倩芡.稀土改性碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.89－90.

［5］ 狄葆璋，洪富岳，王云，等.自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損試驗(yàn)分析［J］.軸承，1999，（6）：25－26.

［6］ 楊咸啟.自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命估算方法［J］.軸承，1994，（10）：2－6.

［7］ SU Feng－h(huán)ua，ZHANG Zhao－zhu，LIU Wei－min.Tribological behavior of hybrid glass／PTFE fabric composites with phenolic resin binder and nano－TiO2filler［J］.Wear，2008，264（7－8）：562－570.

［8］ BYUNG CHULKIM，DAI GILLEE.Endurance and performance of a composite spherical bearing［J］.Composite Structures，2008，（1）：1－9.

［9］ 王家序，陳戰(zhàn)，秦大同.聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，（4）：99－101.

［10］ BAHADUR S.The development of transfer layers and their role in the polymer tribology［J］.Wear，2000，245（1－2）：92－99.

［11］ 沈雪瑾，曹磊，陳有光，等.織物襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承的研究現(xiàn)狀與展望［J］.軸承，2009，（3）：57－61.

［12］ 段海濤，杜三明，張永振，等.高速干滑動(dòng)條件下鋼／銅摩擦副摩擦磨損表面摩擦熱規(guī)律研究［J］.潤滑與密封，2007，32（10）：39－42.

［13］ 戴雄奇.摩擦學(xué)基礎(chǔ)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

Study on Friction Characteristics of PTFE Braided Composites

LIU Jian1，ZHANG Yong－zhen1，2，DU San－ming2，LIU Jing－chao2
（1School of Mechatronic，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2Key Laboratory of Material Tribology，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan，China）

The dry friction tests of PTFE braided composites were carried out on high－speed tribo－tester with speed，load as variables.The influence of different speed，load on the friction coefficient were analyzed.The results show that friction coefficient is stable reducing trend and finally stabilized with increasing load.Friction coefficient with the speed of change trend is：between 10－20kN，with increasing of the frequency，friction coefficient gets a minimum value and then rises to a steady value.The influence of the load on the friction coefficient is greater than that of frequency on the friction coefficient.Through the analysis of the microstructure of the liner using scanning electron microscope，the influences mechanism of speed，load on the friction coefficient was explained.

PTFE；load；frequency；friction coefficient

TH117

A

1001－4381（2012）08－0069－04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975078）；973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2010CB635113）

2011－11－20；

2012－05－11

劉建（1985—），男，博士研究生，主要從事材料干摩擦學(xué)研究，E－mail：liuj1795ddd＠163.com

張永振（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事材料干摩擦學(xué)研究，聯(lián)系地址：河南省洛陽市西苑路48號(hào)河南科技大學(xué)西苑校區(qū)材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室134信箱（471003），E－mail：yzzhang＠m(xù)ail.haust.edu.cn