鎳/聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁化的研究

解　挺,　崔愛(ài)龍,　楊婷婷,　李儒旺,　閆照明

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230088)

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鎳/聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁化的研究

解挺1,崔愛(ài)龍1,楊婷婷2,李儒旺1,閆照明1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230088)

文章利用多功能環(huán)境可控摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),研究了具有不同鎳含量的聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料和45號(hào)鋼干摩擦?xí)r的摩擦誘導(dǎo)磁化以及摩擦學(xué)性能,考查了鎳含量對(duì)摩擦誘導(dǎo)磁化和摩擦學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:含有鎳顆粒的PTFE基復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中能夠產(chǎn)生摩擦誘導(dǎo)磁化現(xiàn)象,且摩擦誘導(dǎo)磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度與鎳含量有關(guān);隨著鎳含量的增加,Ni/PTFE復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大,摩擦系數(shù)幾乎不變,磨損量先逐步減小后迅速增大;摩擦誘導(dǎo)磁化作用在一定程度上對(duì)促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的生成有利,從而有利于改善摩擦學(xué)性能。

聚四氟乙烯;復(fù)合材料;鎳;摩擦誘導(dǎo)磁化;摩擦學(xué)特性

摩擦誘導(dǎo)磁化是指鐵磁性材料(鐵、鈷、鎳等)在摩擦磨損過(guò)程中、在無(wú)外加磁場(chǎng)條件下摩擦表面自激發(fā)磁化的行為。相關(guān)研究表明[1-3],摩擦誘導(dǎo)磁化與摩擦學(xué)過(guò)程密切相關(guān)。已報(bào)道的摩擦誘導(dǎo)磁化研究都基于金屬摩擦副在摩擦中產(chǎn)生的行為,對(duì)于聚合物基復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化尚缺乏研究,而這一現(xiàn)象在含鐵磁性填料的聚合物復(fù)合材料摩擦中廣泛存在,并且對(duì)其摩擦學(xué)性能有重要的影響。隨著科技進(jìn)步,聚合物復(fù)合材料應(yīng)用日益普遍,尤其是與金屬組成摩擦副能夠降低摩擦系數(shù)、改善摩擦學(xué)特性。關(guān)于聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料的改性及其摩擦學(xué)特性的研究已較為深入[4-10],然而關(guān)于PTFE基復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化尚待深入研究。

本文以PTFE基復(fù)合材料為研究對(duì)象,考察了含有鐵磁性填料鎳的PTFE基復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化行為及其摩擦學(xué)特性,分析了鎳含量對(duì)其摩擦學(xué)特性的影響規(guī)律,這對(duì)于PTFE基復(fù)合材料的功能化設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

1　試驗(yàn)部分

1.1試樣制備

PTFE為白色粉末,密度為2.2 g/cm3。鎳(Ni)粉為灰色樹枝狀粉末,將Ni分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、15%、25%、35%加入到基體PTFE材料中,經(jīng)過(guò)機(jī)械混合、壓制成型(60 MPa)和燒結(jié),得到圓片狀復(fù)合材料試樣,其尺寸為φ35 mm×5 mm。對(duì)偶件為45號(hào)鋼環(huán)形試樣(外徑為30 mm、內(nèi)徑為22 mm)。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所研制的多功能環(huán)境可控摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。摩擦接觸形式為面接觸,試驗(yàn)條件為載荷4 MPa、平均線速度0.4 m/s、試驗(yàn)時(shí)間30 min、室溫、干摩擦。試驗(yàn)中摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度采用南京大學(xué)生產(chǎn)的毫特斯拉計(jì)(GS108型)實(shí)時(shí)測(cè)量,測(cè)量位置固定不變，并對(duì)摩擦系統(tǒng)實(shí)施電磁屏蔽,摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄,磨損量為試驗(yàn)前后的質(zhì)量差值。試驗(yàn)后用數(shù)字光學(xué)顯微鏡觀察上、下試樣表面微觀形貌。摩擦副及磁性測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1　摩擦副及磁性測(cè)量方式

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化

不同Ni含量下PTFE基復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知,含有Ni的PTFE基復(fù)合材料被測(cè)試樣都因摩擦磨損作用而產(chǎn)生了摩擦誘導(dǎo)磁化行為。

圖2　PTFE基復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖2a為復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨摩擦?xí)r間變化的曲線,由圖2a可以看出,除了wNi為15%的試樣外,其他樣品的摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度都在開始摩擦階段迅速上升,大多在5 min后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)并伴有小幅波動(dòng)。圖2b為復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定值與Ni含量的關(guān)系,由圖2b可以看出,隨著wNi的增大,復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度也逐漸增大,但wNi超過(guò)15%以后增大的幅度不明顯。

上述結(jié)果說(shuō)明PTFE基復(fù)合材料能夠產(chǎn)生摩擦誘導(dǎo)磁化現(xiàn)象,這種摩擦磁化行為主要是鐵磁性填料的貢獻(xiàn)，因?yàn)镻TFE基體本身不具有磁性。不同Ni含量的復(fù)合材料試樣在與對(duì)偶件45號(hào)鋼對(duì)摩時(shí),復(fù)合材料表面的Ni顆粒產(chǎn)生磨損,形成細(xì)小的Ni磨損碎屑,這些碎屑中的磁疇會(huì)在摩擦作用下發(fā)生一致取向的行為,碎屑首先發(fā)生自激發(fā)磁化[2-3],進(jìn)而導(dǎo)致摩擦面上Ni顆粒磁化,顯現(xiàn)出復(fù)合材料表面的摩擦誘導(dǎo)磁化作用。由此可見,摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度與Ni含量的多少密切相關(guān),Ni含量多,誘導(dǎo)磁化的累積效應(yīng)大,摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度就高。wNi超過(guò)15%以后,Ni顆粒在復(fù)合材料表面的分布數(shù)量差別不大,因此表現(xiàn)為摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度升高不明顯。

2.2復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性

不同Ni含量下Ni/PTFE基復(fù)合材料摩擦系數(shù)、磨損量如圖3所示。圖3a為不同Ni含量下復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線,右上角插入的小圖為平均摩擦系數(shù)與Ni含量的關(guān)系圖。由圖3a可見,不同Ni含量下,Ni/PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著Ni含量的升高幾乎不變,穩(wěn)定在0.19附近;但是隨著Ni含量的升高,其摩擦系數(shù)的波動(dòng)逐漸變大,wNi為35%時(shí)波動(dòng)最大。由圖3b可以看出,隨著Ni含量的增大,復(fù)合材料的磨損量逐漸降低,當(dāng)wNi為25%時(shí),復(fù)合材料的磨損量最小;wNi超過(guò)25%時(shí),復(fù)合材料的磨損量反而增大；由此表明,在不同的Ni含量下,復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理都相同。

(a) 　wNi與摩擦系數(shù)的關(guān)系

(b)　wNi與磨損量的關(guān)系

上述變化規(guī)律與復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化有著密切關(guān)聯(lián)。摩擦過(guò)程中,對(duì)偶件試樣表面會(huì)產(chǎn)生一層轉(zhuǎn)移膜,轉(zhuǎn)移膜的質(zhì)量對(duì)摩擦學(xué)性能有著決定性的作用,轉(zhuǎn)移膜均勻、完整則有利于降低摩擦、減小磨損[7]。在本文的摩擦界面上,由于復(fù)合材料中鐵磁性Ni顆粒的摩擦誘導(dǎo)磁化,具有磁性的Ni的磨損碎屑容易吸附于對(duì)偶件45號(hào)鋼的表面,對(duì)于轉(zhuǎn)移膜的形成和穩(wěn)定有很好的促進(jìn)作用,同時(shí)這些Ni顆粒的存在具有一定的“釘扎”作用,對(duì)于轉(zhuǎn)移膜依附于對(duì)偶件表面有很好的輔助作用,從而有效地促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成和穩(wěn)定,對(duì)減小摩擦和磨損有利。另一方面,隨著Ni顆粒含量的增多,對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)作用增大,同時(shí)對(duì)于抵抗裂紋的擴(kuò)展等有利。因此綜合表現(xiàn)為：一定的Ni含量范圍內(nèi),隨著Ni顆粒的增多,磨損減?。坏?dāng)wNi超過(guò)25%時(shí),磨損增大,這是由于復(fù)合材料表面Ni顆粒過(guò)多、顆粒與對(duì)偶件的黏著作用增大，導(dǎo)致了黏著磨損迅速增大、磨損量迅速增大。此時(shí),摩擦系數(shù)也不穩(wěn)定,表現(xiàn)為摩擦系數(shù)波動(dòng)較大(如圖3a)。

不同Ni含量下Ni/PTFE基復(fù)合材料磨損表面形貌如圖4所示。由圖4可以看出,wNi為5%時(shí)磨損表面比較光滑,wNi為35%時(shí)產(chǎn)生磨損的表面發(fā)生了較顯著的黏著磨損。

圖4　不同wNi下Ni/PTFE基復(fù)合材料磨損表面形貌

3　結(jié)　　論

本文通過(guò)對(duì)Ni/PTFE基復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化行為及其摩擦學(xué)特性的研究,得出如下結(jié)論:

(1) Ni/PTFE復(fù)合材料在與對(duì)偶件45號(hào)鋼摩擦過(guò)程中能夠產(chǎn)生摩擦誘導(dǎo)磁化現(xiàn)象。

(2) Ni含量的變化影響Ni/PTFE復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁化強(qiáng)度,其規(guī)律為:隨著鎳含量的增加,復(fù)合材料摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大,wNi超過(guò)15%后增幅較小。

(3) 隨著鎳含量的升高,復(fù)合材料摩擦系數(shù)幾乎不變;復(fù)合材料磨損量隨著Ni含量增大,逐步減小,但wNi超過(guò)25%時(shí),由于黏著磨損加劇,導(dǎo)致磨損量迅速增大。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

Study of friction-induced magnetization of polytetrafluoroethylene composites containing nickel particles

XIE Ting1,CUI Ailong1,YANG Tingting2,LI Ruwang1,YAN Zhaoming1

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Civil and Environmental Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)

The friction-induced magnetization and tribological properties of the polytetrafluoroethylene(PTFE) composite containing different contents of nickel particles(Ni) were studied by using a multi-functional tribometer as the composite slid against No.45 steel. The effect of the Ni content on friction-induced magnetization and tribological properties of the composite was discussed. The experimental results showed that the friction-induced magnetization of the PTFE composite containing Ni particles could be found when it slid against No.45 steel. And the friction-induced magnetic induction intensity of the composite related to the Ni content. With the increase of the Ni content, the friction induced magnetic induction of the composite increased, the friction coefficients changed little, and the wear loss decreased at first and then rapidly increased. The friction-induced magnetization of the composite is helpful in promoting the formation of the transfer film to a certain extent, thus improving the tribological properties.

polytetrafluoroethylene(PTFE); composite; nickel; friction-induced magnetization; tribological property

2015-03-06；

2015-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275144)

解挺(1963-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.001

TH117.1

A

1003-5060(2016)07-0865-04