聚四氟乙烯填充含量對鋼背超高分子量聚乙烯纖維織物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

林羽東 郭智威 袁成清

1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，武漢，4300632.國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢，430063

0 引言

隨著我國航運業(yè)的蓬勃發(fā)展，控制能源消耗與環(huán)境保護受到越來越廣泛的社會關(guān)注。船舶、艦艇等水路交通裝備通常為油/脂潤滑，不僅需要定時更換，而且對其進行處理還會造成一系列環(huán)境影響。在船舶苛刻運行環(huán)境下，機艙、甲板等配備機械設(shè)施(如舵桿襯套、吊艇架、滑輪和絞車、艏門襯套和水密門襯套等)由于工作環(huán)境特殊，潤滑油/脂不易置換，在遭遇高溫、水汽、極地低溫等環(huán)境時，容易氧化變質(zhì)，從而造成設(shè)備運行出現(xiàn)安全隱患[1-3]。

自潤滑材料的出現(xiàn)為上述苛刻環(huán)境下摩擦配副材料的應(yīng)用提供了思路，同時在一定程度上解決了這個問題。隨著高分子材料的快速發(fā)展，其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能吸引了學(xué)者們的關(guān)注與研究，并已逐步應(yīng)用于軸承及襯套等零部件。目前常用作固體潤滑劑的高分子材料包括超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene， UHMWPE)[4]、聚四氟乙烯(polytetra-fluoroethylene ，PTFE)[5]、熱塑性聚氨酯[6]和聚酰亞胺[7]等，其中PTFE由于自身具備優(yōu)良的減摩效果，層間原子僅依靠較弱的范德華力結(jié)合，在切向力的作用下較易沿平面層斷裂從而形成滑移面，通過填料自身的黏結(jié)性能可在對磨副表面形成PTFE潤滑膜從而使摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)镻TFE間的對磨，大幅減小材料的摩擦因數(shù)，故得到了廣泛的應(yīng)用與研究。

UHMWPE纖維作為比強度、比模量較高，且抗沖擊性和耐腐蝕性好的高性能纖維，在防護、航海、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域已有相應(yīng)應(yīng)用[8-10]。由于其自潤滑性好，耐磨性高，故在自潤滑復(fù)合材料設(shè)計及應(yīng)用領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。LI等[11]通過空氣等離子體刻蝕原始UHMWPE織物并利用原位生長法制備出具有雙層結(jié)構(gòu)的超疏水/自潤滑織物，然后使用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PTES)對其進行進一步改性，結(jié)果表明織物能與填料起協(xié)同作用，使其具備優(yōu)異的減摩抗磨性能。

根據(jù)不同的工作條件，織物通常以不同的形式編織制造。由于UHMWPE具有高度對稱的非極性亞甲基長鏈，因此它的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出一定惰性，造成纖維具有很高的結(jié)晶度和取向度，而其結(jié)構(gòu)中又缺乏極性基團與較強范德華力的作用[12-13]，故纖維表面呈疏水性，難以與樹脂形成化學(xué)鍵合，用作復(fù)合增強材料時難以與樹脂基體形成良好的浸潤與黏結(jié)，需對纖維進行改性處理，通過生成化學(xué)鍵合或氫鍵、范德華力等手段增強UHMWPE纖維與樹脂間的界面黏結(jié)作用及增加纖維比表面積與表面自由能的方式提高纖維對樹脂的潤濕性及黏附力[14]。經(jīng)過一定的改性處理后通過與配備固體潤滑劑的樹脂浸漬、預(yù)固化，再經(jīng)過熱壓等手段與金屬襯背粘連[15]制成復(fù)合材料，使其既具備襯背金屬高承載能力、強耐沖擊能力等優(yōu)點，又發(fā)揮了其上固體潤滑劑優(yōu)良的摩擦性能，是近年被廣泛關(guān)注的具有較高應(yīng)用價值的自潤滑復(fù)合材料[16]。目前關(guān)于PTFE改性UHMWPE纖維織物復(fù)合材料的研究報導(dǎo)較少，PTFE添加含量對材料摩擦學(xué)性能的影響及其摩擦磨損機制還有待進一步研究?；诖?，本文設(shè)計并制備了不同PTFE含量的UHMWPE纖維織物增強鋼背復(fù)合材料，分別探究它與45鋼在環(huán)-環(huán)端面連續(xù)接觸干摩擦方式下的摩擦磨損性能，并對其摩擦磨損機理進行分析。

1 試驗部分

1.1 原材料與制備工藝

由于平紋織物由經(jīng)緯兩個方向垂直編制構(gòu)成，織造較為簡單，強度高，可靠性強，耐磨性好，故在摩擦領(lǐng)域得到了較多研究與應(yīng)用[17-18]。本研究中使用的織物為LCPE200平紋UHMWPE織物1000D(成都魯晨新材料科技有限公司)，面密度為200 g/m2，厚度為0.24 mm；樹脂為環(huán)氧樹脂E51(杭州五會港膠粘劑有限公司)；環(huán)氧固化劑為2-乙基-4-甲基咪唑，UHMWPE纖維織物改性劑為硅烷偶聯(lián)劑KH-550，PTFE規(guī)格為直徑2 μm的粉末(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。先將環(huán)氧樹脂和固化劑按100∶7(質(zhì)量比)混合攪拌配置黏結(jié)劑，后將PTFE粉末按0，1%，3%，5%，10%，15%(質(zhì)量分數(shù))加入黏結(jié)劑并利用超聲混合15 min使其在樹脂中均勻分散制得PTFE-環(huán)氧黏結(jié)劑[19]。UHMWPE纖維織物施膠黏結(jié)前對其進行化學(xué)改性處理，經(jīng)丙酮清洗后以5% (質(zhì)量分數(shù))KH-550硅烷偶聯(lián)劑處理烘干完成改性。試驗前對45鋼盤進行打磨至光滑狀(240目與600目砂紙,最終表面粗糙度Ra=0.8±0.05 μm)，處理完成后用丙酮超聲清洗并對其進行清洗烘干。為驗證織物改性效果，對其進行接觸角測量并根據(jù)GB 7124—1986[20]進行黏結(jié)強度測試，結(jié)果表明改性前后接觸角分別為106.4°與79.6°，降低了25.2%；而改性前后黏結(jié)強度分別為4.24209 MPa與4.63986 MPa，提高了8.6%，表明改性有助于提高織物潤濕及黏結(jié)性能。將PTFE-環(huán)氧黏結(jié)劑施于UHMWPE纖維織物直至完全浸漬后于室溫靜置12 h，使織物得到充分浸潤且達到預(yù)固化狀，將纖維織物置于不銹鋼環(huán)上以50 ℃固化0.5 h，100 ℃固化1 h，室溫放置24 h熱壓機制固化成形，制得PTFE改性鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料。

1.2 摩擦性能測試

摩擦磨損試驗于CBZ-1船舶軸系摩擦磨損試驗機(武漢海馬科技開發(fā)有限公司)上開展，探究PTFE改性鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料與45鋼盤對磨所表現(xiàn)的摩擦特性，45鋼盤的化學(xué)組分及其與不銹鋼環(huán)的形貌與尺寸分別如表1與圖1所示。不銹鋼環(huán)內(nèi)徑、外徑和高度分別為18 mm、30 mm和10 mm，摩擦接觸面積為452.16 mm2。45鋼盤內(nèi)外徑與高度分別為16 mm，40 mm和5 mm。

表1 45鋼的化學(xué)組分(質(zhì)量分數(shù))

(a)45鋼盤形貌 (b)45鋼盤尺寸

摩擦磨損試驗機與其原理如圖2所示。下環(huán)試樣為PTFE改性鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料，用銷進行定位固定；上環(huán)試樣為45鋼盤，固定在轉(zhuǎn)軸上同步轉(zhuǎn)動實現(xiàn)端面接觸對磨，載荷通過下方杠桿施加。試驗過程中通過傳感器動態(tài)檢測扭矩、載荷，通過下式計算材料摩擦因數(shù)[21]：

(a)摩擦磨損試驗機

(1)

式中，μ為摩擦因數(shù)；T為扭矩，N·m；r為試樣半徑，m；F為載荷，N。

為模擬該復(fù)合材料在船舶中的實際應(yīng)用，以船舶水密門鉸鏈襯套的運行工況為對象，根據(jù)ISO 17940—2015[22]的相關(guān)規(guī)定，摩擦磨損試驗工況條件設(shè)置為干摩擦，轉(zhuǎn)速分別為50 r/min(3.768 m/min)、200 r/min(15.072 m/min)與350 r/min(26.376 m/min)[23]，法向載荷為226 N(0.5 MPa)，試驗時間設(shè)定為1 h。試驗前后用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺對試樣厚度進行測量，通過計算得到試樣測試前后的體積，計算得到體積差ΔV(mm3)，通過下式計算試樣的磨損率[24]：

(2)

式中，ws為磨損率，10-5mm3/(N·m)；∑W為累計摩擦功，N·m。

為探究復(fù)合材料硬度對其摩擦學(xué)性能的影響，利用邵氏硬度計對不同復(fù)合材料表面的邵氏硬度進行測量。

用配備能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)與激光干涉表面輪廓儀對試樣試驗后的磨損形貌與鋼盤表面元素組成進行測試并通過下式[25]測量計算45鋼Sq值：

(3)

式中，Sq值表示樣品計算區(qū)域中各點高度的均方根，為其高度的標(biāo)準偏差；M為x軸方向的采樣點數(shù)；N為y軸方向的采樣點數(shù)；Z(xk,yl)為采樣點(xk,yl)的高度值；u為采樣區(qū)域的平均高度。

為考察PTFE含量對鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料摩擦性能的影響，試驗中制備了質(zhì)量分數(shù)為1%(PT-1)，3% (PT-3)，5% (PT-5)，10% (PT-10)與15% (PT-15)PTFE填充的復(fù)合材料，并將其與無填充的空白組(PT-0)進行比較。結(jié)合測試數(shù)據(jù)進行材料的摩擦磨損機理分析，探究PTFE填充含量對摩擦副摩擦學(xué)性能的影響。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料硬度分析

進行摩擦試驗前先對試樣硬度進行測試，其結(jié)果如表2所示。由表2可見，隨著PTFE填充含量的增加，復(fù)合材料的邵氏硬度隨之增大，說明PTFE的加入能使復(fù)合材料表層形成更為致密的樹脂，故對復(fù)合材料硬度有提升作用，且填充含量越高提升效果越明顯。

表2 復(fù)合材料的邵氏硬度值

2.2 摩擦因數(shù)分析

由于材料表面不平整且不同類型復(fù)合材料的磨合時間可能會導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，故在開始試驗前對試樣在50 r/min和0.5 MPa工況下進行5 min預(yù)磨，后對其摩擦因數(shù)進行記錄。

圖3所示為6種復(fù)合材料在3種不同轉(zhuǎn)速下測得的平均摩擦因數(shù)。其中PT-0的摩擦因數(shù)為所有試樣中最大的，遠高于有PTFE填充的復(fù)合材料，在350 r/min工況下尤為突出。隨著轉(zhuǎn)速升高，PT-0試樣摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，其摩擦因數(shù)在高轉(zhuǎn)速下較小并在200 r/min工況下最小。PT-1平均摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大不斷減小，最終在350 r/min時達到最小且為所有試樣中最小的；PT-3平均摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大略有增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 r/min與200 r/min時，其摩擦因數(shù)是所有試樣中最小的；PT-5平均摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增大先增后減，且在高轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)較低轉(zhuǎn)速(50 r/min)下大幅增加；PT-10與PT-15摩擦因數(shù)均隨著轉(zhuǎn)速增大不斷增大，且兩者大小均較為相似。

圖3 6種復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速下的平均摩擦因數(shù)

平均摩擦因數(shù)的比較分析表明，PTFE填充復(fù)合材料平均摩擦因數(shù)均較無填充復(fù)合材料平均摩擦因數(shù)小，其中低PTFE含量填充復(fù)合材料(填充質(zhì)量分數(shù)w0≤3%)在減摩性能方面表現(xiàn)最優(yōu)，除PTFE的作用，其摩擦因數(shù)整體隨硬度的增大而增大，這也與萬理想等[26]的研究結(jié)果相吻合。

圖4分別展示了6種復(fù)合材料在載荷為0.5 MPa，轉(zhuǎn)速分別為50 r/min、200 r/min、350 r/min，環(huán)-環(huán)端面干摩擦工況下，復(fù)合材料摩擦因數(shù)μ隨時間t的變化曲線。

(a)載荷0.5 MPa、轉(zhuǎn)速50 r/min工況

50 r/min工況下，PT-0經(jīng)歷了短暫磨合，摩擦因數(shù)在整個過程中較為平穩(wěn)，但其值始終大于PTFE填充復(fù)合材料的摩擦因數(shù)；PT-1與PT-3初始摩擦因數(shù)均為0.075且隨時間變化較小，t=25 min后，PT-1的摩擦因數(shù)有所增大而PT-3的摩擦因數(shù)表現(xiàn)出下降的趨勢；PT-5的初始摩擦因數(shù)較低PTFE含量填充復(fù)合材料的初始摩擦因數(shù)大，經(jīng)過10 min磨合后開始減小，最終達到此工況下的最低值；PT-10的摩擦因數(shù)與PT-1的摩擦因數(shù)變化相似，t=20 min后略有增大并一直保持較為平穩(wěn)的趨勢；PT-15則與PT-5相似，但其初始摩擦因數(shù)為PTFE填充復(fù)合材料中最大值，經(jīng)過10 min磨合后不斷減小，最終與PT-1的摩擦因數(shù)大小基本相等。

分析其原因可知，PT-1中PTFE含量較PT-3少，后期積累的轉(zhuǎn)移膜相對不足，且試驗過程中溫度略有積聚，故使其摩擦因數(shù)增大；PT-3因自潤滑及成膜能力更佳而摩擦因數(shù)減小。上述兩者的樹脂層均未發(fā)生較為嚴重的破損。當(dāng)PTFE填充5%(質(zhì)量分數(shù))時，材料發(fā)生團聚且與樹脂基體結(jié)合狀態(tài)惡化，導(dǎo)致摩擦初期材料表面粗糙度較大，故PT-5初始摩擦因數(shù)較大，但隨著試驗的進行樹脂層開始破碎，具備良好自潤滑能力的織物顯露并參與摩擦，與PTFE共同作用使摩擦因數(shù)不斷減小達到被測試樣中的最低值。隨著PTFE含量上升，材料團聚現(xiàn)象加劇，PT-10的摩擦因數(shù)隨著試驗的進行并未減小，雖然樹脂破碎增加使更多織物參與摩擦，但破碎的樹脂也將充當(dāng)磨粒而惡化工況；由于PT-15中填料含量最大，破碎樹脂中含有大量PTFE，經(jīng)過初期磨合后，樹脂凸點被磨平并在對磨副上形成了轉(zhuǎn)移膜，在摩擦過程中起到類似“滾珠”的作用，結(jié)合UHMWPE織物的自潤滑性能，故其摩擦因數(shù)得以減小并與PT-1摩擦因數(shù)大小相等。

綜合比較，低PTFE含量填充復(fù)合材料的摩擦因數(shù)在此工況下表現(xiàn)較為平穩(wěn)且數(shù)值較小，隨著PTFE含量增加，材料的團聚作用愈發(fā)明顯，由于樹脂破碎其初始摩擦因數(shù)較大，但隨著樹脂中PTFE與UHMWPE纖維的參與，部分材料摩擦因數(shù)得以減小。

200 r/min工況下，低PTFE含量填充復(fù)合材料與PT-10的減摩性能未出現(xiàn)較大變化。PT-0的摩擦因數(shù)較50 r/min工況減小了約25%；PT-5的摩擦因數(shù)趨勢與50 r/min工況下相似，但增大約50%；PT-15的摩擦因數(shù)則不斷增大，它與PT-5一樣摩擦因數(shù)穩(wěn)定性都有所下降，達到穩(wěn)定時為PTFE填充復(fù)合材料中的最大值。由于轉(zhuǎn)速上升，摩擦工況更為惡劣并產(chǎn)生了摩擦附屬的熱量積聚現(xiàn)象。低PTFE含量填充復(fù)合材料仍依靠樹脂層中PTFE及轉(zhuǎn)移膜維持較小的摩擦因數(shù)，熱量積聚并未大幅影響其減摩性能。高PTFE含量填充復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均有所增大，其中PT-5表現(xiàn)最為突出，除熱量積聚導(dǎo)致的減摩性能下降外，在高轉(zhuǎn)速下團聚造成的樹脂脫落將加劇對材料樹脂層的損傷，但由于其PTFE含量較低，且纖維顯露較少，故整體摩擦因數(shù)大幅增大。PT-15由于破碎樹脂較多，此工況下其摩擦環(huán)境最為惡劣，樹脂由于溫升不再充當(dāng)“滾珠”而是磨粒，對織物進一步磨損，最終導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。綜合對比，此工況下低PTFE填充量復(fù)合材料減摩性能更佳，摩擦因數(shù)較50 r/min工況未明顯增大，隨著PTFE含量的增加，復(fù)合材料的減摩性能有所下降。

350 r/min工況下，所有PTFE填充復(fù)合材料的摩擦因數(shù)都表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。PT-0的摩擦因數(shù)仍最高；PT-1與PT-5的摩擦因數(shù)較200 r/min工況明顯減小而其余試樣則未發(fā)生較大變化。PT-1由于填料填充較少，樹脂層得到快速穩(wěn)定的消耗，故更多織物得以參與摩擦使摩擦因數(shù)減小。綜合分析，此工況下，PT-1減摩特性最佳，所有PTFE填充復(fù)合材料的摩擦因數(shù)都較為穩(wěn)定，高PTFE含量填充復(fù)合材料的減摩特性得到了較大改善。

2.3 磨損性能分析

為考察PTFE填充含量對UHMWPE纖維織物復(fù)合材料磨損性能的影響，試驗前后用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺對試樣厚度進行測量，通過計算得到試驗前后試樣的磨損率，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，PT-0的磨損率最大且遠高于PTFE填充復(fù)合材料的磨損率，在350 r/min工況下最為明顯，隨著轉(zhuǎn)速的增大，呈現(xiàn)了先降后升的趨勢。在50 r/min工況下，所有PTFE填充復(fù)合材料磨損率均較大。由于此工況下試驗轉(zhuǎn)速較低，在相對較短的行程內(nèi)對樹脂層的快速磨損造成其磨損率較高。由于低PTFE含量填充復(fù)合材料未發(fā)生團聚，故樹脂層在試驗過程中主要經(jīng)歷正常磨損消耗，PT-3由于PTFE含量較高而潤滑性能更好，磨損率更低，而高PTFE含量填充復(fù)合材料經(jīng)歷了團聚帶來的樹脂剝落，磨損率較高并隨PTFE含量的增大而增大。200 r/min工況下，所有復(fù)合材料的磨損率均發(fā)生不同程度的下降，其中PT-3磨損率最低。而高PTFE含量填充復(fù)合材料由于團聚導(dǎo)致樹脂剝落，隨著填料含量及轉(zhuǎn)速的增大樹脂層破碎更為徹底，使得磨損率不斷增大。350 r/min工況下，復(fù)合材料所經(jīng)歷的行程較長，其中低PTFE含量填充復(fù)合材料磨損率未出現(xiàn)較大變化，而高PTFE含量填充復(fù)合材料的磨損率出現(xiàn)一定下降，表明此工況下，高PTFE含量填充復(fù)合材料樹脂破碎更為徹底，產(chǎn)生了較多充當(dāng)磨粒的樹脂顆粒，對織物層結(jié)構(gòu)造成損傷，導(dǎo)致UHMWPE纖維的磨損與扯出，并進一步充當(dāng)磨粒而惡化摩擦環(huán)境，故磨損率較大。

圖5 不同試樣在不同轉(zhuǎn)速下的體積磨損率

綜合分析，低PTFE含量填充復(fù)合材料在整個試驗過程中磨損率較低，其中PT-3表現(xiàn)出更好的抗磨特性，高PTFE含量填充復(fù)合材料更適合高轉(zhuǎn)速場合的應(yīng)用。

利用表面輪廓儀對45鋼盤的磨損表面進行分析，得到在試驗工況下的Sq值(圖6)，對45鋼盤在350 r/min工況下的表面輪廓進行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖6 45鋼盤在試驗工況下的磨損面Sq值

(a)PT-0 (b)PT-1

45鋼盤磨損面的Sq值表示被測摩擦表面粗糙度的大小，Sq值越大，表明45鋼表面在試驗過程中產(chǎn)生了更多的劃痕或樹脂黏著帶來的材料轉(zhuǎn)移，一定程度上表明了復(fù)合材料摩擦性能的惡化，從而導(dǎo)致對磨副的磨損加劇。在所有工況下PT-0由于不存在填料，故與其配副的45鋼表面Sq值總是最大的，并隨著摩擦工況的惡化增大。

結(jié)合圖6與圖7分析，PT-0的Sq值增大主要由鋼盤表面的溝槽及樹脂在高轉(zhuǎn)速下黏著轉(zhuǎn)移造成。其余復(fù)合材料的Sq值也存在隨轉(zhuǎn)速增大而增大的現(xiàn)象，但原因不盡相同。低PTFE含量填充復(fù)合材料由于表面硬度較低，塑性較強,故摩擦界面更易于形成致密、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜[27]。對PT-1而言，由于PTFE含量較低，且樹脂在磨損期間較少剝落，故對磨副主要與樹脂層接觸摩擦，隨著轉(zhuǎn)速的增大，其表面產(chǎn)生的磨粒磨損逐漸加劇，犁溝增多，使其Sq值增大。對PT-3而言，其Sq值在所有工況下均較低，由于其PTFE含量較PT-1的PTFE含量高，在對磨副表面充分生成了轉(zhuǎn)移膜，犁溝較少，故Sq值較小。對高PTFE含量填充復(fù)合材料而言，隨著PTFE含量的增加，團聚作用導(dǎo)致的樹脂剝落加劇，從而使得樹脂顆粒及斷裂纖維等磨粒參與摩擦，犁溝增多，同時剝落樹脂在高溫高轉(zhuǎn)速下較易黏附在45鋼盤表面，使其產(chǎn)生紅色凸峰，進而增大其粗糙度，這一現(xiàn)象為圖6中鋼盤Sq值增大的主要原因。

圖8所示為PT-15對磨副在350 r/min工況下磨損面EDS分析，結(jié)果表明鋼盤右側(cè)覆蓋層主要含C，是環(huán)氧樹脂主要富含元素之一，可見鋼盤表面存在樹脂黏附，而其左側(cè)大量富含F(xiàn)e與F元素，表明高轉(zhuǎn)速下PTFE填充復(fù)合材料表層或剝落樹脂在與45鋼配副過程中產(chǎn)生了熱量積聚與應(yīng)力所致的轉(zhuǎn)移黏附，這一點與圖6、圖7的結(jié)果較為吻合。此外，由于鋼件左側(cè)存在較多F，也證明了在摩擦過程中PTFE的轉(zhuǎn)移與潤滑膜的形成有助于改善材料的減摩性能。

圖8 PT-15對磨副在350 r/min工況下磨損面的EDS分析

3 摩擦磨損機理分析

為分析PTFE改性鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損機理，對350 r/min工況下摩擦磨損后的試樣表面進行了SEM掃描分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9a中PT-0表面存在大量破碎樹脂與摩擦過程中被扯出的纖維絲束，同時也存在因黏著磨損所造成的樹脂缺失與裂紋，這一現(xiàn)象在圖9b中更為明顯，表明該試樣經(jīng)歷了較為嚴重的磨粒磨損與黏著磨損，從而導(dǎo)致其較大的摩擦因數(shù)與磨損率。

圖9a中PT-1與PT-3磨損表面較為完整，PT-1表面存在部分破碎樹脂，但其表層纖維并未因樹脂磨粒的存在而被扯出，僅顯露出來并參與摩擦過程，其表面存在的溝壑同時也具備收納磨粒的作用，故摩擦因數(shù)與磨損率較小。PT-3表面僅存在部分磨痕，且纖維表面樹脂磨損較為均勻，具備更好的抗磨特性。結(jié)合圖9b分析觀察，低PTFE含量填充復(fù)合材料主要經(jīng)歷磨粒磨損。

圖9a中PT-5表面出現(xiàn)因團聚導(dǎo)致的表層樹脂破碎，其中包含大小不一的樹脂塊及被扯出的纖維絲束，表明此時樹脂層已經(jīng)歷較為嚴重的損耗，圖9b中PT-5表面存在的大塊缺失斷層樹脂與部分磨粒表明它主要經(jīng)歷黏著磨損與微量磨粒磨損。圖9a中PT-10與PT-15表層樹脂則破碎得更為徹底，PT-15表層樹脂出現(xiàn)了斷層并以塊狀分布，部分纖維也從基體中拔出并以絲狀分布于摩擦表面。對于高PTFE含量填充復(fù)合材料而言，由于團聚使樹脂層較易松動破碎，隨著摩擦的進行大塊樹脂將被進一步擠碎并分解為樹脂碎屑充當(dāng)磨粒，而已成形的樹脂磨粒又將在摩擦界面中進一步破壞較為完整的樹脂塊，使其表層樹脂破碎更為徹底并產(chǎn)生堆積，同時將進一步損傷織物層，使UHMWPE纖維扯出斷裂，隨樹脂顆粒充當(dāng)磨粒，造成不斷循環(huán)的疲勞磨損，如圖9b所示，由于溫度積聚，已破碎的樹脂也將黏附于對磨副表面形成硬質(zhì)點，惡化復(fù)合材料摩擦工況。

(a)復(fù)合材料磨損面SEM形貌 (b)復(fù)合材料磨損面SEM形貌放大圖

為進一步分析復(fù)合材料摩擦磨損機理，使用超景深顯微鏡對PT-0、PT-1、PT-3與其他高PTFE填充復(fù)合材料對磨副45鋼磨損表面形貌進行了分析，結(jié)果如圖10所示。與PT-0配副的鋼盤表面出現(xiàn)了多道明顯且較深的犁溝，說明它經(jīng)歷了較為嚴重的磨粒磨損，在兩道較深的犁溝間存在部分淺色黏附層，表明它存在部分黏著磨損；與PT-1配副的鋼盤表面僅存在部分較淺的犁溝，其磨損表面未見較為明顯的黏附層，證明它主要經(jīng)歷磨粒磨損；對PT-3而言，其表面未見明顯犁溝，但存在不連續(xù)的黏附層，為PTFE在對磨過程中向45鋼盤表面轉(zhuǎn)移所致，表明它的摩擦學(xué)性能較好；當(dāng)PTFE填充含量較高時，45鋼表面存在較為明顯且更厚的黏附層，其表面同時也存在由磨粒所致的犁溝，這是由于樹脂在疲勞破碎后被擠壓磨平并使摩擦熱積聚導(dǎo)致溫升黏附所致。45鋼表面所觀察到的現(xiàn)象與前文所得出的結(jié)論較為一致。

(a)PT-0 (b)PT-1

4 結(jié)論

(1)試驗工況下PTFE改性鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料的減摩抗磨性能均優(yōu)于純鋼背UHMWPE纖維織物復(fù)合材料。

(2)隨著轉(zhuǎn)速上升，含1%質(zhì)量分數(shù)PTFE填充的復(fù)合材料試樣PT-1達到穩(wěn)定狀態(tài)時的摩擦因數(shù)最小且僅為0.06，其余PTFE填充含量的復(fù)合材料的穩(wěn)定摩擦因數(shù)存在不同程度的增大。所有PTFE填充復(fù)合材料在350 r/min工況下摩擦學(xué)性能更穩(wěn)定。

(3)PTFE填充復(fù)合材料摩擦惡化主要由樹脂層破碎產(chǎn)生的碎屑磨粒與摩擦熱量積聚所致， 且隨填充含量升高而加劇。質(zhì)量分數(shù)為1%與3% PTFE填充的復(fù)合材料主要經(jīng)歷磨粒磨損，而高PTFE含量填充復(fù)合材料主要經(jīng)歷疲勞磨損與黏著磨損。綜合比較，所有試樣中PT-1在三種工況下摩擦磨損性能表現(xiàn)最優(yōu)。