GF/MoS2 改性PTFE 密封唇片材料的力學及摩擦學性能

魏 剛，魏莉嵐，謝 強，許榮霞，劉 燕

（西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039）

高端裝備如工程機械、商務(wù)和乘用車特別是新能源電動汽車的發(fā)展，其曲軸或變速器輸入軸(如電動汽車的輸入軸轉(zhuǎn)速高達10 000 r/min 以上)的轉(zhuǎn)速越來越高，對旋轉(zhuǎn)唇形油封的密封性能提出了更高要求，油封應(yīng)能承受高低溫、高線速度和高頻跳動的苛刻工況。這相應(yīng)地需要旋轉(zhuǎn)軸密封唇片材料具有與金屬軸的接觸摩擦因數(shù)小、高耐磨和高回彈性能。

目前，旋轉(zhuǎn)軸唇形油封主要采用NBR 和FKM 橡膠制造，在乏油或干摩擦狀態(tài)下它們的摩擦因數(shù)大(NBR 的摩擦因數(shù)可達1.0，F(xiàn)KM 的摩擦因數(shù)可達0.85)，造成唇口的溫升劇烈而老化失效。此外，NBR 橡膠存在耐高溫性能及耐高速性能較差，在超過120 ℃或者旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速超過5 000 r/min時，油封唇口易老化變硬、變脆而失去彈性，泄漏情況比較嚴重。FKM 橡膠雖然耐高溫可達250 ℃左右，但在高速轉(zhuǎn)動中油封唇口的磨損嚴重，也容易產(chǎn)生泄漏[1]。

聚四氟乙烯是一種高結(jié)晶性聚合物，具有耐高低溫、耐化學腐蝕、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，可耐受旋轉(zhuǎn)軸唇形密封的高溫高速苛刻工況，但純PTFE 的回彈性不夠和耐磨性差限制了其應(yīng)用。國內(nèi)外學者對PTFE 摩擦磨損特性進行了較多研究，主要的方法是在PTFE 內(nèi)填充纖維、金屬微粉、耐磨高分子、無機納米粒子和自潤滑顆粒等進行改性[2-9]。有關(guān)PTFE 作為密封材料的研究報道也主要集中在往復運動密封的抗蠕變和摩擦學性能方面[10-12]，很少涉及PTFE 作為旋轉(zhuǎn)軸密封唇片材料的回彈性和摩擦磨損特性研究[13]。

本文采用高速混合-冷壓成型-燒結(jié)-熱拉伸的工藝制備出玻璃纖維(GF)微粉及與MoS2自潤滑顆粒復合填充PTFE 復合材料，重點考察了GF微粉及與MoS2復合對PTFE 復合材料的力學和摩擦磨損性能的影響，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PTFE 復合材料的磨損表面，探討其磨損機理。

1 實驗部分

1.1 原材料

聚四氟乙烯粉末：牌號JF-4TM，浙江巨圣氟化工有限公司；二硫化鉬(MoS2)：400 目，上海膠體石墨廠；玻璃纖維：直徑10 μm，長徑比為4∶1，市售；丙酮：分析純，成都金山化學試劑有限公司。

1.2 試樣制備

先將PTFE 粉料于電熱恒溫鼓風干燥箱120 ℃干燥3 h，然后加入一定量的玻璃纖維微粉或二硫化鉬于高速混合機內(nèi)攪拌均勻，將混合料于平板硫化機上壓制成90 mm×10 mm×4(1.5)mm 的片材，然后將壓制好的片材放在燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度為375 ℃，保溫3 h。試樣燒結(jié)結(jié)束后降溫到315 ℃進行熱拉伸，最后水冷處理。

1.3 性能測試和表征

1.3.1 力學性能測試

將燒結(jié)熱拉伸后試樣夾持在CMT-6104 型拉力機上，拉伸速度20 mm/min。用游標卡尺馬上測量試樣在其拉伸后的標尺間距和試樣拉伸前后的標尺間距。拉伸試樣重復5 次，結(jié)果取平均值?；貜椔视嬎愎饺缦拢?/p>

式中：P 為拉伸前試樣的標線間距，mm；M 為定伸拉伸試樣達到的標線間距，mm；R 為拉伸后試樣的標線間距，mm。

1.3.2 摩擦磨損測試

在室溫、干摩擦條件下，使用MM-200 型磨損試驗機對PTFE 復合材料的摩擦磨損性能進行測試。在每次試驗前，將試樣及對偶表面用丙酮清洗干凈并在空氣中晾干。試驗所選用的負荷為300 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，磨損時間2 h。通過測量摩擦力矩，換算得到摩擦因數(shù)，摩擦因數(shù)取穩(wěn)定階段內(nèi)的平均值。磨損量以試驗前后試樣的質(zhì)量差計，根據(jù)磨損量計算出體積磨損率。

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

把試樣的磨損表面用丙酮清洗，然后對表面進行噴金處理后，在JSM-5900LV 型掃描電子顯微鏡上觀察其磨損面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 GF 改性PTFE 復合材料的性能

2.1.1 力學性能

采用不同的玻璃纖維含量填充得到PTFE/GF復合材料，經(jīng)過干燥、混料和冷壓成型后，放入一定溫度下的燒結(jié)爐中燒結(jié)，然后在315 ℃下對試樣進行定伸熱拉伸處理，最后采用水冷卻，其拉伸曲線如圖1 所示。從圖中可以看出，加入玻璃纖維進行增強后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比純PTFE 更接近于橡膠態(tài)。拉伸曲線最接近橡膠態(tài)是質(zhì)量分數(shù)為15%的玻璃纖維試樣；其次是GF 質(zhì)量分數(shù)為10%和5%的試樣；再次是GF 質(zhì)量分數(shù)為20%的試樣，拉伸曲線找不到明顯的屈服點，沒有明顯的屈服現(xiàn)象。相反，純PTFE 試樣從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出明顯的拉伸屈服行為，反映在典型結(jié)晶型高聚物的拉伸曲線后段進入了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的永久形變區(qū)，即塑性變形。

純PTFE 的彈性行為較差，經(jīng)過定伸熱拉伸處理可以改善其拉伸彈性，但仍然低于加入玻璃纖維增強試樣的彈性性能。當玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為0～15%時，拉伸曲線隨著玻璃纖維的含量增大而逐漸接近于橡膠態(tài)，試樣的彈性得到改善。當玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為20%時，其拉伸曲線又開始遠離橡膠態(tài)，這說明加入過量的玻璃纖維使其彈性行為開始惡化。

圖1 GF 含量對PTFE 應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響

圖2 為不同玻璃纖維含量對試樣回彈率的影響。隨著GF 含量的增加，PTFE/GF 復合材料的回彈率呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢。當GF 質(zhì)量分數(shù)為15%時，試樣的回彈率最大為92.5%，純PTFE試樣的回彈率最小為86.5%。從圖1 的應(yīng)力-應(yīng)變行為可以看出，GF 質(zhì)量分數(shù)為0～15%的試樣，拉伸曲線隨著GF 含量的增加而逐漸接近于橡膠態(tài)，對應(yīng)的回彈率也隨著GF 含量的增加而逐漸增大。當GF 質(zhì)量分數(shù)為20%時，過量的玻璃纖維使PTFE/GF 復合材料的彈性行為變差，導致試樣的回彈率下降到89%。

圖2 GF 含量對PTFE 回彈率的影響

2.1.2 摩擦磨損性能

不同GF 含量對PTFE/GF 試樣的摩擦磨損性能影響如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，PTFE/GF 復合材料的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢。純PTFE 的干摩擦因數(shù)為0.21，其試樣因很快磨損而早期終止，故沒有計算其磨損率。玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為5%～20%試樣的摩擦因數(shù)逐漸從0.26 增大到0.325，體積磨損率則逐漸減小。當玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為5%時，PTFE/GF 試樣的體積磨損率最大，為10.1×10-6mm3/(N·m)。當玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)達到15%時，PTFE/GF 試樣的體積磨損率為1.8×10-6mm3/(N·m)。進一步增加GF 的質(zhì)量分數(shù)到20%時，試樣的磨損率減小到1.3×10-6mm3/(N·m)?？梢?，當玻纖質(zhì)量分數(shù)在20%范圍內(nèi)時，隨著玻纖含量的增加，PTFE/GF 試樣的摩擦因數(shù)逐漸增大，而磨損量則逐漸減小。如果再繼續(xù)增加GF 的含量，會導致PTFE/GF試樣的摩擦因數(shù)進一步增大，加劇對偶金屬的磨損。

圖3 GF 含量對PTFE 摩擦磨損性能的影響

2.1.3 磨損機理分析

圖4 給出了不同含量玻璃纖維的PTFE/GF 復合材料的磨損面形貌。從圖4(a)中可以看出，純PTFE 因帶狀晶片與非晶相之間的結(jié)合力較弱，在外力作用下易產(chǎn)生滑移，使其摩擦因數(shù)較低。但摩擦過程中易被拉出結(jié)晶區(qū)而形成帶狀磨屑，耐磨性極差，表現(xiàn)為明顯的塑性變形和粘著磨損特征。當加入5%玻璃纖維時，圖4(b)的磨損表面犁溝寬而深，磨損較嚴重，表現(xiàn)出明顯的磨粒磨損特征。繼續(xù)增加GF 的含量時，圖4(c)中PTFE/GF 試樣磨損表面的犁溝變窄，同時存在較大面積的平整光滑區(qū)域，磨粒磨損明顯減輕。當GF 質(zhì)量分數(shù)達到15%時，圖4(d)中磨損表面的犁溝進一步變窄，較多的玻璃纖維起到承載載荷的作用，復合材料的耐磨性進一步得到提高，磨粒磨損進一步減輕。當GF 的質(zhì)量分數(shù)為20%時，圖4(e)中試樣的磨損表面上可見許多玻璃纖維呈均勻的分布，磨損面平整光滑，未見明顯的犁溝，試樣在摩擦過程中的塑性變形、粘著磨損和磨粒磨損得到有效抑制。可見，適量玻璃纖維的加入明顯阻止了PTFE 帶狀晶片的滑移破壞，體積磨損率大大降低。與此同時，摩擦面上大量硬質(zhì)GF 顆粒的存在，也增大了試樣與對偶之間的摩擦因數(shù)。

2.2 MoS2 對PTFE/GF 復合材料性能的影響

2.2.1 力學性能

圖4 GF/PTFE 復合材料磨損表面SEM 照片

保持PTFE/GF 的配比為85/15，在此基礎(chǔ)上添加不同含量的MoS2時，PTFE/GF/MoS2試樣的定伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示?？梢钥闯觯蚧f質(zhì)量分數(shù)為2%和5%試樣的定伸應(yīng)力-應(yīng)變行為與未加入二硫化鉬試樣的拉伸行為比較接近，也比較接近于橡膠態(tài)。但當MoS2質(zhì)量分數(shù)為8%和12%時，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為明顯遠離橡膠態(tài)，在應(yīng)變后期出現(xiàn)了明顯的屈服行為。由此可見，加入少量二硫化鉬的PTFE/GF/MoS2試樣在較小應(yīng)變時依然保持較好的橡膠態(tài)力學行為，而過量加入MoS2則會破壞試樣的拉伸彈性性能，表現(xiàn)出明顯的屈服變形特征。

圖5 PTFE/GF/MoS2 復合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 為二硫化鉬含量對PTFE/GF 復合材料回彈性能的影響。從圖中可以看出，隨著二硫化鉬含量的增大，PTFE/GF/MoS2試樣的回彈率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當MoS2質(zhì)量分數(shù)在5%以下時，與未添加MoS2試樣相比，PTFE/GF/MoS2試樣的回彈率略有下降，仍然保持在90%以上。進一步增大MoS2含量時，復合材料試樣的回彈率出現(xiàn)明顯下降。當MoS2質(zhì)量分數(shù)為12%時，試樣的回彈率降到74%。結(jié)合圖5 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，當MoS2質(zhì)量分數(shù)為8%時，試樣的拉伸彈性模量也出現(xiàn)明顯躍升，反映出試樣彈性變形阻力增大，彈性變差，這與此時試樣的回彈率出現(xiàn)明顯降低相一致。

2.2.2 摩擦磨損性能

圖6 MoS2 對PTFE/GF 復合材料回彈率的影響

圖7 所示為不同MoS2含量的PTFE/GF/MoS2試樣的摩擦磨損性能。從圖中可以看出，隨著MoS2含量的增加，PTFE/GF/MoS2復合材料的摩擦因數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，從未添加MoS2試樣的0.29 增大到含12%MoS2試樣的0.35，體積磨損率則呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當MoS2質(zhì)量分數(shù)為5%時，試樣的摩擦因數(shù)為0.31，體積磨損率為1.25×10-6mm3/(N·m)。當MoS2質(zhì)量分數(shù)為8%時，試樣的體積磨損率最小，僅為0.48×10-6mm3/(N·m)。進一步提高MoS2的質(zhì)量分數(shù)為12%時，試樣的體積磨損率又開始增大到0.82×10-6mm3/(N·m)。這表明過多的MoS2將導致PTFE/GF/MoS2試樣的耐磨性變差。

圖7 PTFE/GF/MoS2 復合材料的摩擦磨損性能

2.2.3 磨損機理分析

圖8 為PTFE/GF/MoS2復合材料磨損面的電子顯微鏡照片。從圖8(a)中可以看出，未加入MoS2時，對偶金屬在試樣表面滑動過程中產(chǎn)生較大的刮擦作用，導致磨損表面平整光滑性差，存在明顯的犁溝痕跡，表現(xiàn)為典型的犁削和磨粒磨損特征。當加入5%MoS2時，圖8(b)試樣受到對偶的刮擦作用減弱，磨損面變得光滑、平整，犁削造成的磨粒磨損消失，僅有少許的粘著磨損行為。當MoS2質(zhì)量分數(shù)進一步增加到8%時，圖8(c)所示PTFE/GF/MoS2試樣的磨損面更加平整光滑，摩擦過程中試樣僅受到非常輕微的粘著磨損，此時試樣的磨損率很小。如果MoS2的質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到12%(圖8(d))，此時試樣的磨損表面又開始出現(xiàn)明顯的磨粒和溝槽，這可能與過多MoS2在摩擦過程中轉(zhuǎn)移到對偶金屬表面，這些MoS2粒子反過來對試樣表面產(chǎn)生磨粒磨削作用有關(guān)，從而加劇試樣的磨損。此外，與未添加MoS2試樣相比，MoS2在摩擦過程中易轉(zhuǎn)移到對偶金屬的表面形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦界面間的磨粒磨損減少，磨粒的滾動減摩作用消失，取而代之的是試樣與轉(zhuǎn)移膜之間的粘著摩擦。同時，在小載荷下摩擦界面的MoS2層間發(fā)生滑移較困難，而主要是形成轉(zhuǎn)移膜阻止試樣的犁削和磨粒磨損，這都使得試樣的摩擦因數(shù)隨著MoS2質(zhì)量分數(shù)的增加而有所增大。

3 結(jié)論

1)當GF 的質(zhì)量分數(shù)在0～15%范圍內(nèi)，隨著GF 質(zhì)量分數(shù)的增大，試樣表現(xiàn)出較好的橡膠態(tài)彈性行為。但當GF 質(zhì)量分數(shù)達到20%時，試樣的拉伸彈性行為變差。相應(yīng)地，PTFE/GF 試樣的回彈率也出現(xiàn)先增大后減少的趨勢。當GF 質(zhì)量分數(shù)為15%時，試樣的回彈率最大，達到92.5%。隨著GF 質(zhì)量分數(shù)的增加，PTFE/GF 試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢，體積磨損率則逐漸減小。

2)以PTFE/GF 配比為85/15 作基體，當MoS2質(zhì)量分數(shù)為5%時，PTFE/GF/MoS2試樣在較小應(yīng)變時保持較好的橡膠態(tài)力學行為，回彈率仍然保持在90%以上。但當MoS2質(zhì)量分數(shù)達到8%以上時，試樣表現(xiàn)出明顯的屈服變形特征，回彈率大幅降低。隨著MoS2質(zhì)量分數(shù)的增加，PTFE/GF/MoS2試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，從0.29 增大到0.35，體積磨損率則先減小后增大。當MoS2質(zhì)量分數(shù)為8%時，試樣的體積磨損率達到最小，僅為0.48×10-6mm3/(N·m)。進一步增加MoS2質(zhì)量分數(shù)時，試樣的體積磨損率又開始增大。

3)磨損面SEM 分析表明，純PTFE 表現(xiàn)為明顯的塑性變形和粘著磨損特征，PTFE/GF 試樣主要呈現(xiàn)出磨粒磨損特征，而塑性變形和粘著磨損得到有效抑制。適當MoS2含量的PTFE/GF/MoS2試樣在摩擦過程中磨粒磨損特征消失，僅有非常輕微的粘著磨損行為。