全無油往復(fù)壓縮機(jī)用碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的性能研究

楊家義，楊博峰，李 香，沈宗沼，劉 杰，鮑 軍

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥壓縮機(jī)技術(shù)省級實(shí)驗(yàn)室通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

全無油往復(fù)壓縮機(jī)用碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的性能研究

楊家義，楊博峰，李 香，沈宗沼，劉 杰，鮑 軍

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥壓縮機(jī)技術(shù)省級實(shí)驗(yàn)室通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

隨著全無油往復(fù)壓縮機(jī)排氣壓力的不斷升高，普通配方增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料無法滿足使用壽命要求。碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料具有更加優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性和力學(xué)性能。本文選用不同類型的直線型碳纖維采用模壓法制備了碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料，并對其斷面形態(tài)、表面硬度、彎曲性能、摩擦磨損性能等進(jìn)行了測試研究，結(jié)果表明：采用高強(qiáng)度、低顆粒度含量的CF-1碳纖維制得的1#密封材料具有最佳的綜合力學(xué)性能；采用低強(qiáng)度、低長徑比的CF-3碳纖維制得的3#密封材料具有最高的表面硬度和彎曲強(qiáng)度。

全無油往復(fù)壓縮機(jī)；碳纖維；聚四氟乙烯；密封材料；性能研究

1 前言

全無油往復(fù)壓縮機(jī)具有氣缸無油自潤滑，排出的氣體潔凈，能簡化設(shè)備和延長觸媒使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，在化工、國防、冶金、石油煉制、儀表、食品、醫(yī)療、紡織等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)無油潤滑狀態(tài)下的密封，通常在活塞和氣缸間使用增強(qiáng)聚四氟乙烯自潤滑密封材料予以保證[1]。

隨著全無油往復(fù)壓縮機(jī)排氣壓力的不斷升高，普通配方增強(qiáng)聚四氟乙烯材料無法滿足使用壽命要求[2～5]。碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料具有更加優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性和力學(xué)性能，國內(nèi)有很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[6～12]：孫春峰等通過冷壓成型和燒結(jié)固化工藝制備了不同配方下碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)試樣,測試結(jié)果表明：隨著碳纖維質(zhì)量份數(shù)的增加，碳纖維增強(qiáng)PTFE材料的沖擊性能有所下降；而拉伸強(qiáng)度和硬度則呈遞增趨勢，抗磨損性能明顯提高；碳纖維與PTFE在偶聯(lián)劑的作用下能夠很好相容[6]。何麗紅等研究了不同碳纖維填充比例對聚四氟乙烯(PTFE)耐磨性、摩擦系數(shù)、表面硬度、沖擊韌度等性能的影響，結(jié)果表明：添加碳纖維使PTFE的耐磨性大大提高，摩擦系數(shù)增大，表面硬度增大，但沖擊韌度大大降低[8]。項(xiàng)東虎等選用螺旋碳纖維(CMCs)和直碳纖維(SCF)填充改善聚四氟乙烯(PTFE)的綜合性能[10]，添加其中任何一種碳纖維都會不同程度地提高PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，高載下的摩擦系數(shù)稍低于低載下的摩擦系數(shù)；另外，隨著碳纖維含量的增加，其耐磨性能逐步提高,磨損率下降；直纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度呈先增大后減小的趨勢，螺旋碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度則緩慢提高，2種纖維均可使抗壓強(qiáng)度提高，且螺旋碳纖維的效果更為明顯，從斷裂位移可以看出，碳纖維的添加大大改善了純PTFE的塑性性能。姚榮慶等研究了碳纖維填充改性聚四氟乙烯密封環(huán)的力學(xué)性能和抗蠕變性能[11]，結(jié)果表明：空氣氧化法加涂層的組合表面處理方式能提高碳纖維與聚四氟乙烯樹脂間的界面結(jié)合能力。隨著碳纖維用量的增加，密封環(huán)的抗蠕變性能得到改善，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)得到最佳的效果，同時(shí)，特殊的熱處理工藝能使密封環(huán)獲得較好的低蠕變性能和穩(wěn)定的尺寸。

碳纖維是增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的常用改性劑，以上文獻(xiàn)就碳纖維的用量對聚四氟乙烯密封材料的性能影響進(jìn)行了深入的研究。但是對于常用的直線型碳纖維，由于類別不同，其原材料品種、結(jié)構(gòu)尺寸、碳含量、顆粒狀含量等均有所不同，對聚四氟乙烯密封材料的表面硬度、彎曲、耐磨等性能的增強(qiáng)效果也不盡相同。本文采用3種直線型碳纖維制備增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料，并對其相關(guān)性能進(jìn)行對比研究，研究結(jié)果對于碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的深入研究有一定的借鑒意義，而且有助于機(jī)械設(shè)計(jì)人員對密封材料配方的選擇。目前，國內(nèi)對此方向還未見相關(guān)研究報(bào)道。

2 密封材料的制備

2.1 原材料

采用的聚四氟乙烯為懸浮法合成的細(xì)顆粒樹脂粉末，粒徑25～35 μm，拉伸強(qiáng)度≥35 MPa，拉伸斷裂伸長率≥350%；采用的碳纖維為PAN基磨碎碳纖維和瀝青基碳纖維，纖維長徑比為5∶1～10∶1，纖維直徑5～15 μm，碳含量96%～98%，主要分為3種，見表1。

表1 不同類別碳纖維的編號及性能參數(shù)

從表1可以看出，CF-1類碳纖維材料具有最高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，但顆粒狀含量最低，僅為1%，碳含量95%，纖維直徑與長徑比與CF-2類碳纖維相同，價(jià)位最高；CF-2類碳纖維材料拉伸強(qiáng)度低于CF-1類碳纖維，但遠(yuǎn)高于CF-3類碳纖維，顆粒狀含量最高，為10%，碳含量最低，價(jià)位最低；CF-3類碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最低，纖維直徑最粗，長徑比最小，顆粒狀含量適中，碳含量最高，價(jià)位中等。

2.2 制備工藝方法

碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料采用粉末冶金的方法制備，主要過程包括：混料、壓制、燒結(jié)、熱處理等。碳纖維在使用前采用自制的含氟偶聯(lián)劑對其進(jìn)行表面處理，以提高碳纖維與聚四氟乙烯基體間的親和力，改善界面浸潤狀態(tài)。

分別取3種不同類別的碳纖維(已經(jīng)過偶聯(lián)劑表面處理)，與聚四氟乙烯粉末在專用混合機(jī)上進(jìn)行混合(碳纖維質(zhì)量份20%，聚四氟乙烯質(zhì)量份為80%)，混合好的材料編號為1#，2#，3#，見表2。取一定量的混合料，在規(guī)定的模具中室溫壓制成型，壓力為40～50 MPa，多次排氣。將毛坯放入烘箱中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)程序如下：室溫到300 ℃，升溫速率為70 ℃/h，300 ℃保溫1 h， 300 ℃到375 ℃，升溫速率為50 ℃/h，375 ℃保溫1～3 h，375 ℃降到室溫，降溫速率為70 ℃/h，室溫后取出試驗(yàn)材料，在固定的模具中進(jìn)行熱處理，得到碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的試驗(yàn)毛坯。

表2 不同類別碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的編號及各組分含量

3 密封材料的性能研究

按照GB/T 2411-2008的要求，對不同配方的碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯試驗(yàn)材料進(jìn)行表面硬度的測試，測試工具為邵氏硬度計(jì)(D型)；按照GB/T 9341-2008的要求對不同配方的碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯試驗(yàn)材料進(jìn)行彎曲性能的測試，試驗(yàn)件尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，測試設(shè)備為CMT4304型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)；按照GB 3960-1983的要求對不同配方的碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯試驗(yàn)材料進(jìn)行摩擦磨損性能的測試，試驗(yàn)件尺寸為30 mm×6 mm×7 mm，測試裝置為M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷200 N，干摩擦，對應(yīng)摩擦副為表面淬火處理的45#鋼環(huán)，硬度HRC35～38。采用冷場發(fā)射電子束流觀察不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的斷面形態(tài)，測試設(shè)備為SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

3.1 斷面形態(tài)

采用掃描電鏡對不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的斷面形態(tài)進(jìn)行了放大分析，具體的SEM照片見圖1～3(放大500倍和4000倍)。從圖1(a)中可看出，1#材料斷面有大量的短切纖維，長度均小于50 μm，直徑5～7 μm，顆粒狀較少，從圖1(b)中可以看到，碳纖維和聚四氟乙烯樹脂之間有明顯的拉伸銀紋；從圖2中可看出，2#材料斷面有少量的纖維體，長度小于50 μm，顆粒狀較多，分布不均勻，材料斷面導(dǎo)電性差，照片不清晰；從圖3(a)中可看出，3#材料斷面有一些明顯的短切纖維，長度大于50 μm，顆粒狀也較少，照片清晰，纖維體基本被樹脂包裹，從圖3(b)中可以看到，纖維體的直徑較粗，大于10 μm，但長徑比不高，碳纖維基本插入到聚四氟乙烯樹脂基體中。

(a)放大500倍

(b)放大4000倍

圖2 2#材料的斷面形態(tài)(放大500倍)

(a)放大500倍

(b)放大1400倍

3.2 表面硬度

采用D型邵氏硬度計(jì)對不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的表面硬度進(jìn)行測試(環(huán)境溫度12℃)，測試結(jié)果如圖4。從圖4可看出，采用CF-1和CF-3碳纖維制得的1#和3#材料的表面硬度最高，大于70，采用CF-2碳纖維制得的2#材料，表面硬度最低，為69.7。材料的表面硬度與碳纖維在復(fù)合材料中的分散狀態(tài)、碳纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)和碳纖維本身的碳含量有關(guān)，在碳纖維用量相同的情況下，混合狀態(tài)越均勻，纖維體含量越高，復(fù)合材料的表面硬度越高，因?yàn)?#材料中CF-3碳纖維在聚四氟乙烯樹脂中混合狀態(tài)較好，顆粒狀含量少，而且具有96%的碳含量，所以3#材料的表面硬度最高，而采用CF-2碳纖維制得的2#材料表面硬度最低。

圖4 不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的表面硬度

3.3 彎曲性能

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5，6。從圖5中可看出，采用CF-3碳纖維制得的3#材料的彎曲強(qiáng)度最高，數(shù)值為24.84 MPa，采用CF-2碳纖維制得的2#材料，彎曲強(qiáng)度最低，數(shù)值為22.49 MPa。雖然CF-1和CF-2碳纖維材料本身的強(qiáng)度很高(CF-1：4800 MPa ，CF-2：3000 MPa)，但在制成增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料后，其彎曲強(qiáng)度并非最高，反而CF-3增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的彎曲強(qiáng)度最高，這可能是因?yàn)镃F-3碳纖維材料長徑比最短，與聚四氟乙烯粉末粒徑接近，混合效果更好，在彎曲試驗(yàn)中，有效承載了彎曲應(yīng)力，從而表現(xiàn)出更高的彎曲強(qiáng)度。因此，在要求提高密封材料彎曲強(qiáng)度時(shí)，不可盲目選用高強(qiáng)度的碳纖維品種。

圖5 不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的彎曲強(qiáng)度

圖6 不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的彎曲模量

從圖6中可看出，采用CF-1碳纖維制得的1#材料的彎曲模量最高，可以達(dá)到1.78 GPa，采用CF-2碳纖維制得的2#材料，彎曲模量最低，為1.45 GPa。

3.4 摩擦磨損性能

采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的磨耗量、磨痕寬度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的磨耗量和磨痕寬度

從圖7中可看出，采用CF-1碳纖維制得的1#材料的磨耗量最小，為0.0006 mg，采用CF-3碳纖維制得的3#材料，磨耗量最大，為0.00087 mg。采用CF-2碳纖維制得的2#材料的磨痕寬度最小，為3.27 mm，采用CF-3碳纖維制得的3#材料，磨痕寬度最大，為3.92 mm。由此可見，采用CF-3碳纖維制得的3#材料在標(biāo)準(zhǔn)的干摩擦試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出的耐磨損性能最差，而1#、2#材料表現(xiàn)出的耐磨損性能較好，這是因?yàn)镃F-1，CF-2碳纖維的拉伸強(qiáng)度較高，與聚四氟乙烯樹脂界面結(jié)合情況良好，局部位置甚至出現(xiàn)了銀紋，在摩擦磨損試驗(yàn)過程中，碳纖維鏈段有效牽制了聚四氟乙烯分子鏈的滑移，減小了磨耗量和磨痕寬度。

采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的摩擦系數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可看出，采用CF-3碳纖維制得的3#材料的平均摩擦系數(shù)最小，為0.192，采用CF-2碳纖維制得的2#材料，平均摩擦系數(shù)最大，為0.206。碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的摩擦系數(shù)的高低與材料中石墨結(jié)構(gòu)的碳含量有關(guān)，具有石墨結(jié)構(gòu)的碳含量越高，材料的摩擦系數(shù)越低，自潤滑性越好，CF-3碳纖維中的碳含量最高，顆粒狀含量為5%，這可能是導(dǎo)致其摩擦系數(shù)最低的原因。從摩擦磨損試驗(yàn)曲線來看，采用CF-1碳纖維制得的1#材料摩擦狀態(tài)最為穩(wěn)定，摩擦系數(shù)變化不大，數(shù)值為0.183～0.213，而2#、3#材料摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定，摩擦系數(shù)變化較大，2#材料為0.158～0.254，3#材料為0.15～0.233，所以總體而言，1#材料的耐干摩擦性能最好，磨耗量最小，摩擦狀態(tài)最穩(wěn)定。

圖8 不同配方碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯密封材料的平均摩擦系數(shù)

4 結(jié)論

(1)采用CF-1碳纖維制備的1#材料具有中等的表面硬度、彎曲強(qiáng)度，但彎曲模量最高，磨耗量最小，摩擦磨損試驗(yàn)狀態(tài)最穩(wěn)定，具有最佳的綜合性能。從掃描電鏡照片中也可看出，碳纖維與樹脂基體結(jié)合狀況良好，拉伸部位出現(xiàn)了銀紋，該配方的材料適用于摩擦狀況惡劣的高壓差壓縮機(jī)領(lǐng)域。

(2)采用CF-2碳纖維制得的2#材料具有最低的表面硬度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，平均摩擦系數(shù)最大，磨耗量中等，摩擦磨損試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定，綜合性能一般。

(3)采用CF-3碳纖維制得的3#材料具有最高的表面硬度和彎曲強(qiáng)度，雖然平均摩擦系數(shù)最小，但磨耗量和磨痕寬度最大，磨損狀態(tài)不穩(wěn)定，適用于一般摩擦狀況的低壓差壓縮機(jī)領(lǐng)域。

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Study on Properties of Carbon Fiber Reinforced PTFE Sealing Material Applied in Non-lubricated Reciprocating Compressor

YANG Jia-yi,YANG Bo-feng,LI Xiang,SHEN Zong-zhao,LIU Jie,BAO Jun

(Hefei General Machinery Research Institute,State Key Laboratory of Compressor Technology,Hefei Provincial Laboratory of Compressor Technology,Anhui Key Laboratory of General Mechanical Composite Technology,Hefei 230031,China)

The general formula PTFE sealing material could not meet the requirements of service life,with the increasing of the exhaust pressure of non-lubricated reciprocating compressor.Carbon fiber reinforced PTFE sealing material had excellent wear resistance,self lubrication and mechanical properties.Different types of linear type carbon fiber reinforced PTFE sealing material were prepared by molding method.The fracture morphology,surface hardness,bending properties and tribological properties of PTFE/CF sealing material were studied.The results showed that 1#material made by CF-1 had the best comprehensive mechanical property,and 3#material made by CF-3 had the highest surface hardness and bend strength.

non-lubricated reciprocating compressor;carbon fiber;PTFE;sealing material;study on properties

1005-0329(2017)03-0006-05

2016-06-07

2016-08-01

安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1604a0902174)

TH45；TB743

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.002

楊家義(1983-)，高級工程師，主要從事聚合物基高性能復(fù)合材料的研究，通訊地址：230031 安徽合肥市長江西路888號合肥通用機(jī)械研究院，E-mail:13721031270@163.com。