聚酰亞胺填充三層復合材料摩擦磨損影響因素分析

焦明華，張武軍，田明，蘇柏萬，解挺

(合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

聚四氟乙烯(PTFE)是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，具有低摩擦因數(shù)、良好的化學穩(wěn)定性和耐高低溫性等優(yōu)點。PTFE基三層復合材料作為一種優(yōu)良的自潤滑軸承材料得到了迅猛發(fā)展和廣泛使用[1-3]。 在傳統(tǒng)的三層復合材料中大量使用了潤滑劑材料鉛，與PTFE混配使三層復合材料的減摩自潤滑性能和耐磨性能得到很大提升，但鉛對人類生存環(huán)境有嚴重危害，限制或停止使用已逐漸成為趨勢[4-5]。因此無鉛三層復合材料的研究具有重要意義。

部分聚合物填料及其與固體潤滑添加劑對PTFE基三層復合材料的單獨或復合改性，能使材料的摩擦學性能得到一定程度的提高[6-10]。通過研究發(fā)現(xiàn)，在PTFE中加入聚酰亞胺(PI)材料可有效改善PTFE三層復合材料的摩擦、磨損性能[4,11]，但PI的選擇對使用效果影響很大。下文主要考察了兩種不同PI樹脂填加到PTFE基三層復合材料的摩擦學特性，比較了PI配方與含鉛配方的性能差異及微觀作用機理，并分析了不同含量的石墨(Gr)、二硫化鉬(MoS2)等固體潤滑添加劑對該類三層復合材料摩擦、磨損特性的影響。

1 試驗方法

試驗使用的主要原材料見表1，兩種PI配方的基本組分和比例相同。將各組分別在高速攪拌器內(nèi)充分混合，制成黏稠狀混合物，用軋機復合在鋼背銅粉板上，最后燒結塑化為自潤滑板材試樣。

表1 PTFE基三層復合材料的主要制備原料

摩擦磨損試驗在合肥工業(yè)大學研制的HDM-20端面摩擦磨損試驗機上進行，采用標準環(huán)形上試樣(內(nèi)徑22 mm，外徑30 mm)，試驗材料制成邊長38 mm的正方體下試樣。試驗采用逐級加載及定載兩種方式進行，分別考察干摩擦和油潤滑條件下的摩擦、磨損性能。

2 試驗分析

2.1 PI對減摩耐磨性能的影響

將PI1與PI2分別加入到PTFE基三層復合材料中制成1#和2#(配方)試樣，與典型含鉛配方3#試樣在相同工況下做摩擦、磨損試驗，各種潤滑狀態(tài)下的試驗結果如圖1所示。由圖1a可知，干摩擦情況下2#試樣減摩效果明顯優(yōu)于1#試樣；輕載荷時3#試樣的摩擦較小，但隨著載荷的增加，2#試樣表現(xiàn)出更好的減摩效果，1#試樣摩擦特性相對最差。而在油潤滑狀態(tài)，含PI配方試樣的摩擦磨損性能明顯優(yōu)于含鉛配方試樣，且在試驗應力小于32 MPa時，1#試樣的摩擦因數(shù)始終低于2#試樣，但大載荷下2#試樣減摩性能更為突出。

圖1 摩擦因數(shù)隨載荷的變化情況

定載荷試驗下試樣磨痕深度如圖2所示，由圖可知，邊界潤滑和油潤滑時，1#試樣在較輕載荷下磨損量最??；在干摩擦條件下，2#試樣的耐磨性稍好?？傮w看，含PI配方試樣的減摩耐磨性能和承載能力都明顯好于含鉛配方試樣，并且不同類型PI填充增強的復合材料對減摩和抗磨特性的影響具有一致性，即減摩自潤滑效果好的試樣，其磨損量也相對較低。

圖2 磨痕深度柱狀圖(V=0.6 m/s,10 MPa)

2.2 固體潤滑劑對摩擦磨損性能的影響

為進一步探討PI填充無鉛PTFE基三層復合材料的摩擦學性能，選擇油潤滑和干摩擦性能反差較大的PI1配方，分別調(diào)整固體潤滑劑的種類及含量，分析固體潤滑劑對性能的影響。試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 干摩擦摩擦因數(shù)及磨痕深度變化

圖4 油潤滑平均摩擦因數(shù)及磨痕深度變化

結果表明，在干摩擦狀況下加入MoS2可以達到比加入Gr更好的減摩耐磨效果，特別是當固體潤滑劑含量為9%時，含MoS2材料的摩擦因數(shù)相比加入Gr可降低約0.02，磨損量更是減少了60%。但是在油潤滑條件下，隨著MoS2，Gr含量的增加，復合材料都能獲得更好的減摩自潤滑特性，且Gr的實用效果不遜色于MoS2，表現(xiàn)出更好的性價比。

3 摩擦磨損機制分析

兩種PI填充無鉛PTFE基三層復合材料試樣的磨痕表面相貌如圖5所示。從圖5a干摩擦顯微照片可以看出，1#試樣的表面晶粒細致均勻，說明雙馬來型PI與PTFE很好的混融。而2#試樣中兩種聚合物的融合性較差，物相界區(qū)比較明顯，PI的偏析使承載能力增強并改善復合材料的耐磨性，表現(xiàn)出的宏觀磨損量較小。但在油潤滑時，PI1配方的細密均勻性則可以使摩擦表面的微觀劃痕溝坑均勻分布(圖5b)，并獲得比2#試樣更好的儲油潤滑特性和減摩耐磨效果。

圖5 干摩擦和油潤滑時試樣磨痕表面形貌

4 結論

(1)不同類型PI樹脂填充的PTFE三層復合材料減摩耐磨性能有明顯差異，一般情況雙馬來型PI配方在油潤滑時摩擦因數(shù)和磨損量最小，但在大載荷下含MS10配方的減摩性能和承載能力更為突出。

(2)固體潤滑劑明顯影響PI填充復合材料的摩擦磨損性能，干摩擦狀況下加入MoS2可以獲得比加入Gr更好的減摩耐磨特性。但在油潤滑時，Gr的實用效果不遜色于MoS2，且性價比更高。

(3)PI與PTFE的混融性是影響三層復合材料性能的主要因素，應針對不同的潤滑狀態(tài)及承載要求，選擇合適的PI對PTFE進行填充改性。