無機(jī)填料對聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能影響研究現(xiàn)狀

張蒙蒙，謝 鳳，李 斌

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州 221000)

聚四氟乙烯(PTFE)作為摩擦副材料具有摩擦系數(shù)低、耐高低溫、耐腐蝕、耐老化、不黏及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種適用于制作成各種潤滑部件的聚合物材料，目前已廣泛地應(yīng)用于航空航天、石油化工、機(jī)械電子等領(lǐng)域。然而，純PTFE存在著耐磨損性能差、蠕變大、硬度低、尺寸穩(wěn)定性差等缺陷，這使得其應(yīng)用范圍受到了一定限制。但當(dāng)其中添加某些無機(jī)顆粒后，可適當(dāng)?shù)馗纳破鋵?dǎo)熱性能，從而提高了復(fù)合材料的耐蠕變性，阻止摩擦過程中大面積的帶狀磨屑的產(chǎn)生，減少了磨損。當(dāng)今，無機(jī)填充改性已經(jīng)是制備PTFE復(fù)合材料的主要方法之一，筆者就目前無機(jī)填料對聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)特性影響研究的現(xiàn)狀做了簡要的概述。

1 聚四氟乙烯的摩擦學(xué)作用機(jī)理

PTFE聚合物結(jié)構(gòu)是晶態(tài)的，在基體的構(gòu)造中存在著150～900 A厚的、由板狀晶構(gòu)成的帶狀結(jié)構(gòu)，因而容易發(fā)生變形和斷裂。PTFE分子被分布相當(dāng)均勻的外層電子所包圍，分子呈柱狀流線型結(jié)構(gòu)，分子間的相互作用力小，吸引力弱。這些結(jié)構(gòu)特性從本質(zhì)上決定了PTFE聚合物易滑動(dòng)，它的摩擦系數(shù)很低。作為潤滑劑，它是目前所有材料中摩擦系數(shù)最小的，其化學(xué)穩(wěn)定性又是現(xiàn)有塑料中最高的。在摩擦過程中，不發(fā)生粘著與咬死，摩擦面間不發(fā)生膠合，具有自潤滑減磨性能，且在很寬的溫度范圍內(nèi)不變，即使在真空下也能保持潤滑性能［1］。

2 無機(jī)填料對聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)特性的影響

王曉波等人［2］將不同體積含量，不同粒徑(80目和200目兩種粒度)的SiO2填充到聚四氟乙烯樣品中，制備了聚四氟乙烯復(fù)合材料，并通過M－2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在大氣中、干燥的摩擦條件下進(jìn)行了樣品的摩擦磨損性能評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨填料體積含量的增加，粗、細(xì)兩種填料填充到聚四氟乙烯樣品中后，樣品的摩擦系數(shù)均會(huì)增大。在相同體積含量時(shí)，粗粒徑的SiO2填充的聚四氟乙烯樣品摩擦系數(shù)要低于細(xì)SiO2填充的聚四氟乙烯樣品摩擦系數(shù)，這種差別是隨著填料體積含量的增加而變大的;并且，通過分析磨痕寬度隨填充體積含量時(shí)他們還發(fā)現(xiàn):粗、細(xì)SiO2填充的聚四氟乙烯樣品磨痕寬度隨填充含量的變化規(guī)律均是先降低后升高，兩種樣品均有一個(gè)最佳體積含量，但它們的變化趨勢卻是有差別的，這種差別主要表現(xiàn)在:在較低的體積填充含量(＜30%)、相同的體積含量下，細(xì)SiO2填充的聚四氟乙烯的抗磨性能要優(yōu)于粗SiO2填充的聚四氟乙烯，并且其受填料含量的影響與粗SiO2填充的聚四氟乙烯相比要小，在較高的填充分?jǐn)?shù)時(shí)這種規(guī)律則是相反的。他們認(rèn)為，SiO2粒子在摩擦過程中是以隨機(jī)方式分散在聚四氟乙烯基體中的，隨機(jī)分散之后，SiO2粒子能夠在摩擦面上形成一個(gè)個(gè)小支撐點(diǎn)，正是這些支撐點(diǎn)的存在，可以使得作用于摩擦面的壓應(yīng)力和剪切力很好地傳遞到基體內(nèi)部，而不是集中在材料表層，從而避免了聚四氟乙烯基體的迅速、劇烈破壞。在相同的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，細(xì)SiO2在摩擦面所占的面積分?jǐn)?shù)相對與粗SiO2要大一些，而顆粒間平均距離卻是粗SiO2大于細(xì)SiO2;他們還發(fā)現(xiàn)隨著SiO2顆粒體積含量的增加，這兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)(摩擦面的面積分?jǐn)?shù)和粒子間的平均距離)隨之會(huì)發(fā)生變化，前者會(huì)逐漸增大，后者會(huì)逐漸減小，且這種變化的趨勢是細(xì)SiO2遠(yuǎn)大于粗SiO2。

顧紅艷、何春霞［3］分別將未經(jīng)處理的納米Si3N4和用無水乙醇稀釋鈦酸酯偶聯(lián)劑來處理Si3N4，然后填充到聚四氟乙烯中制備復(fù)合材料，研究納米Si3N4表面處理、質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米Si3N4的填充可以使復(fù)合材料的耐磨性能大大提高，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面處理的Si3N4填充到聚四氟乙烯復(fù)合材料中后，雖然會(huì)使復(fù)合材料的耐磨性能有所下降，但當(dāng)Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9%之后，其耐磨性能仍能夠比純PTFE提高109倍，表現(xiàn)出了較好的耐磨性能。經(jīng)表面處理后，Si3N4填充的PTFE復(fù)合材料的減摩性能平均可提高14.5%的水平。他們認(rèn)為，這是由于純的PTFE在磨擦過程中主要是發(fā)生大分子鏈的滑移或斷裂，當(dāng)加入了硬質(zhì)填料后，相對于純PTFE而言，填料具有優(yōu)先承載作用，而且填料的表面可以吸附大分子鏈，使得粒子相互之間吸附的大分子鏈產(chǎn)生互相纏繞，從而可以達(dá)到阻止PTFE帶狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞，進(jìn)而提高了其耐磨性能;當(dāng)復(fù)合材料中納米粒子含量增加時(shí)，復(fù)合材料的硬度也會(huì)逐漸增大，而且加入填料后，磨損過程中復(fù)合材料不會(huì)輕易地產(chǎn)生塑性變形，這可能是由于復(fù)合材料中的粒子在摩擦過程中逐漸暴露出來，與對磨件表面接觸，從而會(huì)在磨損過程中承載大部分載荷，進(jìn)而可以有效地保護(hù)PTFE基體，減少磨損量。經(jīng)過表面處理后，納米粒子表面可以形成柔軟的界面層，使得復(fù)合材料的硬度發(fā)生下降，從而會(huì)使復(fù)合材料的耐磨性能下降。

龔俊等人［4］利用往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，考察了石墨和MoS2填充到聚四氟乙烯后制成的復(fù)合材料的摩擦磨損性能，并與純PTFE的摩擦磨損性能進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):石墨和MoS2填充的PTFE復(fù)合材料的耐磨性比純PTFE提高很多，并且添加石墨和MoS2之后，PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低許多，有利于減少摩擦磨損。他們認(rèn)為，其原因是一方面石墨和MoS2可能起到了增強(qiáng)效果，石墨可以起到潤滑劑的作用，這主要表現(xiàn)在通過吸附在對摩面上的石墨轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行阻礙磨損;另一方面，填充的石墨和MoS2通過阻止PTFE帶狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞，從而改變了磨屑的形成機(jī)制，降低了PTFE復(fù)合材料的磨損。加入石墨和MoS2后，PTFE的磨損由以犁溝效應(yīng)和粘著磨損為主可以改變?yōu)橐阅チＤp為主。

何春霞、康麗霞［5］考察了聚四氟乙烯以及石墨填充聚四氟乙烯復(fù)合材料在不同載荷、不同潤滑條件下的摩擦磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨填充聚四氟乙烯的耐磨性與純聚四氟乙烯相比提高了很多，在不同的潤滑條件下，純四氟乙烯及石墨填充四氟乙烯的磨損量及摩擦系數(shù)是不一樣的，對于純四氟乙烯而言，其磨損量是水潤滑條件下最小;而對石墨填充四氟乙烯，其磨損量則是油潤滑條件下最小，水潤滑條件下的磨損量相對而言較大，甚至大于干摩擦下的磨損量。他們認(rèn)為，其原因是一方面石墨可以起到潤滑劑作用，通過吸附在對磨面上的石墨轉(zhuǎn)移膜阻礙了磨損，另一方面石墨可以起到增強(qiáng)效果，提高了四氟乙烯的剪切強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而減少磨損。

汪海風(fēng)、徐意等人［6］將兩種方法制備的Al2O3納米顆粒分別填充到聚四氟乙烯(PTFE)中制成復(fù)合材料，一種是以添加表面活性劑的水為溶劑，采用溶劑混合法制備的納米Al2O3，另一種是在乙醇中制備的納米Al2O3顆粒。他們通過采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)考察了兩種材料的摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200 N和干摩擦條件下，納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～5%的范圍內(nèi)時(shí)，水中制備的復(fù)合材料的磨損量要比乙醇中制備的復(fù)合材料的磨損量小，與純PTFE相比，磨損量可以下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí);他們還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)在水中制備的要比在乙醇中制備的低。他們認(rèn)為這是由于Al2O3在乙醇中與在水中相比會(huì)更容易團(tuán)聚，形成較大顆粒，因此會(huì)加劇對PTFE基體的磨粒磨損，增加磨損量。

張軍凱、王鵬超等人［7］用硫酸鈣晶須(CSW)填充改性聚四氟乙烯(PTFE)，研究不同硫酸鈣晶須含量的PTFE/CSW復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明:填充硫酸鈣晶須在一定的情況下是可以提高PTFE復(fù)合材料的耐磨損性能的，但存在的問題是硫酸鈣晶須會(huì)使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與純PTFE相比略有增加。在填充量不大于1%時(shí)，PTFE復(fù)合材料的磨損量在填充硫酸鈣晶須后可顯著減小，當(dāng)填充量大于1%后，復(fù)合材料磨損量減小的趨勢會(huì)變得較為平緩，填充量的最佳值為10%;當(dāng)填充量大于10%后，PTFE/CSW復(fù)合材料的磨損量則會(huì)呈現(xiàn)出上升的趨勢。他們認(rèn)為，這是由于當(dāng)填充量較高時(shí)，硫酸鈣晶須在PTFE基體中無法均勻分散，硫酸鈣晶須在基體 PTFE中的分散性較差，引起 PTFE/CSW復(fù)合材料產(chǎn)生一定的缺陷;對于那些未均勻分散的大量硫酸鈣晶須，它們會(huì)團(tuán)聚在一起，團(tuán)聚的硫酸鈣晶須則會(huì)造成嚴(yán)重的磨粒磨損，從而增加磨損量。純PTFE的磨損主要是黏著磨損，而PTFE/CSW復(fù)合材料的磨損主要為輕微磨粒磨損和黏著磨損共同作用。

周邵萍［8］將不同質(zhì)量比的青銅粉和氧化鉛混合加入到聚四氟乙烯材料中制備聚四氟乙烯復(fù)合材料，通過與不加青銅粉的填充氧化鉛的聚四氟乙烯材料進(jìn)行對比試驗(yàn)，進(jìn)而研究青銅粉對聚四氟乙烯基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在其實(shí)驗(yàn)條件下，干摩擦?xí)r，隨著青銅粉含量的增加，填充氧化鉛的PTFE基復(fù)合材料的摩擦性能會(huì)所下降;油潤滑時(shí)，填充氧化鉛的PTFE基復(fù)合材料的摩擦性能相對于干摩擦?xí)r有所改善，并且在一定范圍內(nèi)，隨著青銅粉含量的增加，填充氧化鉛的PTFE基復(fù)合材料的摩擦性能卻有所提高。她認(rèn)為，填料在摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生一種“第三體”，這個(gè)“第三體”即是轉(zhuǎn)移膜，在幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)(包括載荷、速度、溫度、表面粗糙度)和運(yùn)動(dòng)類型等條件不變的情況下，該“第三體”的形成是同基體填料組分息息相關(guān)的。填料組分在某種條件下會(huì)影響“第三體”在對偶面上的粘著強(qiáng)度，進(jìn)而會(huì)影響材料的摩擦磨損性能，使材料的摩擦性能發(fā)生改變。

史以俊、何明等人［9］將鈦酸鉀晶須(PTW)填充到聚四氟乙烯材料中制成復(fù)合材料，通過與碳纖維(CF)和玻璃纖維(GF)的填充效果進(jìn)行比較，進(jìn)而考察鈦酸鉀晶須/聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與純的PTFE材料相比，鈦酸鉀晶須是可以增強(qiáng)PTEE復(fù)合材料的耐磨性能的，可以使其耐磨性能提高約300倍左右。通過對PTW/FIFE、GF/PTFE、CF/P1FE這 3種體系磨損面的SEM分析后發(fā)現(xiàn)，PTW/PTFE磨損面相對于其它兩種體系的摩擦面而言要平整一些，基體材料PTFE受到的損傷相對較小;而GF/PTFE的磨損面在三者之中要更加的粗糙，他們認(rèn)為，這可能是由于在摩擦過程中，材料斷碎的GF小塊會(huì)停留在摩擦面之間，導(dǎo)致磨粒磨損，從而會(huì)損傷基體材料，其外在的摩擦面表現(xiàn)則是復(fù)合材料磨損面相對粗糙;在SEM分析下發(fā)現(xiàn)CF/PTFE的磨損面上有明顯的纖維脫落留下的凹坑，同GF小塊一樣，脫落的CF同樣會(huì)造成磨粒磨損，從而加大了PTFE的磨損。

周惠娣、賈均紅等人［10］通過使用 MM－200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，考察了A12O3、ZnO及CdO等金屬氧化物填充的聚四氟乙烯復(fù)合材料在干摩擦和水潤滑條件下摩擦磨損性能。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水潤滑條件下與干摩擦條件下相比，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會(huì)有不同程度的降低，而磨損則會(huì)不同程度的加劇;水潤滑條件下，當(dāng)PTFE材料中填充了金屬氧化物后，摩擦系數(shù)會(huì)增大，填充的Al2O3、ZnO及CdO等無機(jī)填料均會(huì)使PTFE材料的磨損率大幅增大，他們認(rèn)為，這是由于這些填料吸水性較強(qiáng)，在摩擦過程中會(huì)導(dǎo)致填料與基體脫粘，進(jìn)而使材料表面的機(jī)械強(qiáng)度降低，因此磨損率會(huì)大幅增大。

3 聚四氟乙烯作為潤滑劑的應(yīng)用展望

雖然說在聚四氟乙烯基材料中填充無機(jī)物可以很好地提高聚四氟乙烯基材料的硬度和耐磨性，但是同時(shí)也應(yīng)看到，無機(jī)物的填充會(huì)使摩擦系數(shù)普遍升高，而且容易損傷對磨材料，這是以后需要改進(jìn)與重點(diǎn)研究的方向。無機(jī)物的化學(xué)穩(wěn)定性也不是特別的突出，這使得無機(jī)物填充的聚四氟乙烯基材料在高溫、高壓、極高腐蝕性等特殊工況下能否較好地發(fā)揮潤滑作用值得進(jìn)一步的探討。但同時(shí)也要看到，多種填料的復(fù)合填充比單一填料的潤滑作用要明顯優(yōu)越，是聚四氟乙烯未來進(jìn)行改性的一個(gè)重要方向。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，相信改性PTFE基復(fù)合材料還會(huì)有更大的發(fā)展空間，這就有賴于廣大科技工作者的共同努力，不斷研發(fā)，從而不斷提升PTFE基復(fù)合材料的綜合性能。

［1］ 鄭發(fā)正，謝鳳.潤滑劑摩擦化學(xué)［M］.徐州:空軍勤務(wù)學(xué)院，2013:257.

［2］ 王曉波，馮治中，閻逢元.SiO2填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為研究［J］.潤滑與密封，2002，(1):47－49.

［3］ 顧紅艷，何春霞.表面處理納米Si3N4/PTFE復(fù)合材料的力學(xué)與摩擦學(xué)性能［J］.潤滑與密封，2009，34(11):40－44.

［4］ 龔俊，付士軍，郭精義，辛舟.聚四氟乙烯及其石墨和MoS2填充復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究［J］.潤滑與密封，2006，(184):146－148.

［5］ 何春霞，康麗霞.聚四氟乙烯及其石墨填充復(fù)合材料的摩擦磨損特性［J］.工程塑料應(yīng)用，2001，29(3):1－3.

［6］ 汪海風(fēng)，徐意，申乾宏，等.聚四氟乙烯納米復(fù)合材料的制備及其力學(xué)和摩擦學(xué)性能［J］.潤滑與密封，2013，38(10):21－24.

［7］ 張軍凱，王鵬超，王亮，等.硫酸鈣晶須填充PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究［J］.潤滑與密封，2011，36(10):13 －19.

［8］ 周邵萍.青銅粉對聚四氟乙烯基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響的研究［J］.潤滑與密封，2006，(173):94－96.

［9］ 史以俊，何明，顧曉利，等.鈦酸鉀晶須增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)制的研究［J］.潤滑與密封，2009，34(1):59－62.

［10］周惠娣，賈均紅，陳建敏，等.金屬氧化物填充聚四氟乙烯復(fù)合材料在水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(6):449 －453.