碳纖維和氟化鈣協(xié)同提高PTFE摩擦學(xué)性能研究

王 壯, 喻 萍, 劉 根, 車清論, 張 嘎*, 鄭少梅

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 山東 青島 266033;2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

在運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)過程中因摩擦磨損而引起的能量損耗造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，占到世界總能源消耗的23%，因此，當(dāng)前對(duì)高性能潤滑材料的需求比以往任何時(shí)候都更加緊迫[1-2].聚合物復(fù)合材料因其優(yōu)異的自潤滑性能而廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械加工和航空航天工業(yè)(如滑動(dòng)軸承、密封構(gòu)件)等領(lǐng)域.由于在這些工作環(huán)境中，存在溫度較高、需要真空環(huán)境以及設(shè)備難以維護(hù)等苛刻條件，聚合物自潤滑材料比其他工程材料具有更大優(yōu)勢[3-4].

聚四氟乙烯(PTFE)由于其具有低摩擦系數(shù)、低表面能、高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性而受到了廣泛關(guān)注.然而，純PTFE耐磨性極差，其高磨損率[10-4mm3/(N·m)]限制了PTFE應(yīng)用范圍[5-6].Tevrüz等[7-8]通過引入粒徑為10～20 μm的填料(例如氧化鋯、青銅、玻璃纖維和碳纖維等)提高PTFE的承載能力并抑制裂紋的大量產(chǎn)生，從而將PTFE磨損降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí).近年來研究表明向PTFE內(nèi)加入特定的納米級(jí)填料氧化鋁、石墨烯或氧化鈹可實(shí)現(xiàn)PTFE復(fù)合材料的超低磨損，PTFE復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)超低磨損的機(jī)制可歸因于金屬對(duì)偶界面上形成了1層較薄、附著力強(qiáng)且富含全氟羧酸鹽的保護(hù)性轉(zhuǎn)移膜[9-11].

大量研究表明，摩擦界面所形成的保護(hù)性轉(zhuǎn)移膜是提高材料的使用壽命和降低摩擦系數(shù)的關(guān)鍵[12-14]，然而影響轉(zhuǎn)移膜生長的界面摩擦物理化學(xué)作用極其復(fù)雜.在剪切力作用下，聚合物復(fù)合材料摩擦界面釋放的功能納米顆粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的生長，從而保護(hù)基體免受磨損.Lei等[15]從分子動(dòng)力學(xué)方面證實(shí)氮化碳的引入可提高PTFE分子鏈段對(duì)于金屬界面的吸附性.Krick等[9]表明多孔微米氧化鋁在磨擦過程中解離成納米氧化鋁，并參與轉(zhuǎn)移膜的形成，從而實(shí)現(xiàn)PTFE的超低磨損.此外，Sun等[16]在PTFE中加入易剪切的微米級(jí)GaN纖維，其在外力作用下解離為納米GaN顆粒，起到了促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)及支撐負(fù)載的協(xié)同作用.

氟化鈣(CaF2)晶體點(diǎn)陣是面心立方結(jié)構(gòu)，是一種非層狀結(jié)構(gòu)的離子化合物，其(111)晶面的面間距較大，面間結(jié)合力弱，尤其在高溫條件下，原子間結(jié)合會(huì)進(jìn)一步降低，從而使(111)晶面變得更易解離，剪切強(qiáng)度低，從而可達(dá)到降低摩擦系數(shù)的效果[17].此外，CaF2在高溫下會(huì)形成一定的氧化物，促進(jìn)高性能轉(zhuǎn)移膜的生成[18].Liu等[17]研究表明在摩擦過程中，分布于硬質(zhì)合金表面的CaF2顆?？蓪?shí)現(xiàn)持續(xù)供給，從而在摩擦副之間形成固體潤滑膜，起到顯著的潤滑承載特性.Kong等[19]通過在陶瓷材料中加入MoS2和CaF2中證明，CaF2及其摩擦化學(xué)產(chǎn)物在高溫條件下容易轉(zhuǎn)移至摩擦界面，有效改善了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能.然而，目前CaF2改性聚合物及其復(fù)合材料的研究較少，對(duì)其摩擦學(xué)機(jī)制尚未全面了解.本研究中進(jìn)一步對(duì)比考察了添加CaF2顆粒的CF/PTFE自潤滑復(fù)合材料和傳統(tǒng)CF/PTFE自潤滑復(fù)合材料在不同載荷條件下摩擦學(xué)行為，全面分析了轉(zhuǎn)移膜的結(jié)構(gòu)及摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，為制備超低磨損的PTFE新型自潤滑復(fù)合材料奠定了研究基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

聚四氟乙烯(PTFE)懸浮細(xì)粉由山東東岳化工有限公司提供，粒度為300～450 μm.聚丙烯腈基短切碳纖維(CF)由Sigrafil，Germany提供，直徑為7 μm，長度約為80 μm.氟化鈣(CaF2)顆粒購于北京德科島金科技有限公司，利用激光粒度分布儀對(duì)CaF2粒徑進(jìn)行檢測，測定其粉體D50粒徑為7.97 μm，CF和CaF2表面形貌的掃描電子顯微鏡(SEM)照片以及CaF2粒度分布如圖1所示.

Fig.1 SEM micrographs of the surface morphology of (a) CF and (b) CaF2 and (c) particle size distribution picture of CaF2圖1 (a) CF和(b) CaF2表面形貌的SEM照片和(c) CaF2的粒徑分布圖

1.2 PTFE復(fù)合材料的制備

將PTFE粉末、CF和CaF2顆粒放置于80 ℃烘箱內(nèi)干燥5 h，以去除表面吸附的水分.將原料按表1中所列比例進(jìn)行配置后，使用高速粉碎機(jī)進(jìn)行充分混合后轉(zhuǎn)移到金屬模具中并在45 MPa的壓力下保壓1 h.然后以60 ℃/h的加熱速率加熱至370 ℃后，在燒結(jié)爐中保溫2 h，隨后使其自然冷卻，并切割成尺寸為25 mm×10 mm×5 mm樣品備用.

表1 PTFE復(fù)合材料的成分組成Table 1 Composition of PTFE composites

1.3 摩擦學(xué)性能測試

使用MRH-1A環(huán)塊式(Plate-On-Ring, POR，濟(jì)南益華科技有限公司)摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)PTFE復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試，摩擦副結(jié)構(gòu)如圖2所示.試樣尺寸為25 mm×10 mm×5 mm，軸承鋼(GCr15)作為對(duì)偶件，圓環(huán)直徑為50 mm，試驗(yàn)前用W28金相砂紙對(duì)對(duì)偶件進(jìn)行打磨，控制其表面粗糙度約為0.2 μm.最后用乙醇對(duì)所用試樣和對(duì)偶件進(jìn)行超聲清洗以去除樣品表面的油漬和磨屑.摩擦試驗(yàn)載荷的變化范圍為30～100 N，速度為0.2～1.0 m/s，每次測試時(shí)間為2 h，每個(gè)樣本重復(fù)3次，試驗(yàn)所得摩擦系數(shù)由設(shè)備自動(dòng)記錄，取試驗(yàn)結(jié)束前1 h的平均值作為測試結(jié)果.在稱量前使用乙醇對(duì)樣品進(jìn)行清潔，使用電子天平(精度為0.1 mg)記錄樣品磨損前后的質(zhì)量變化后，由公式(1)獲得PTFE復(fù)合材料的磨損率Ws[mm3/(N·m)].

Fig.2 Contact schematic of plate-on-ring test圖2 滑塊式的摩擦接觸方式

其中：m1和m2分別為PTFE試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量(mg)，ρ為PTFE復(fù)合材料的密度(mg/mm3)，N為施加PTFE試樣的力(N)，L為總滑動(dòng)距離(m).

1.4 微觀形貌表征及化學(xué)成分分析

利用激光粒度分布儀(Bettersize2600, 丹東百特)對(duì)CaF2粒徑進(jìn)行檢測，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM, Carl Zeiss)對(duì)PTFE復(fù)合材料和相應(yīng)的GCr15對(duì)偶表面進(jìn)行形貌表征，并通過附帶的能量色散射線光譜儀(EDS)觀察GCr15對(duì)偶表面的元素成分，利用傅立葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR, Bruker)和X射線光電子能譜儀(XPS, Perkin-Elemer)對(duì)PTFE復(fù)合材料和GCr15對(duì)偶金屬表面的化學(xué)元素狀態(tài)變化進(jìn)行表征.此外，采用拉曼光譜儀(Raman spectra, thermo fisher scientific)分析GCr15表面的碳元素狀態(tài).

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦學(xué)性能分析

PTFE復(fù)合材料在100 N, 0.5 m/s條件下的摩擦系數(shù)與平均摩擦系數(shù)和磨損率(Ws)如圖3所示.由圖3(a)可知，相對(duì)于純PTFE材料，由CF或CaF2分別添加的PTFE復(fù)合材料摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，而15CF/8CaF2/PTFE具有最低且最穩(wěn)定的摩擦系數(shù).由圖3(b)可知，在PTFE基體中加入體積分?jǐn)?shù)為8%的CaF2后，其平均摩擦系數(shù)沒有明顯變化，但磨損率出現(xiàn)了降低，從5.19×10-4降低至9.9×10-6mm3/(N·m).而需要指出的是，與8CaF2/PTFE相比，PTFE基體中加入體積分?jǐn)?shù)為15%的CF后，起到的抗磨效果更加顯著，磨損率降低至2.22×10-6mm3/(N·m).有趣的是，在CF增強(qiáng)的PTFE中加入體積分?jǐn)?shù)為4%的CaF2進(jìn)一步降低了其磨損率.與15CF/PTFE相比，15CF/4CaF2/PTFE磨損率降低了45%.此外，隨著CaF2含量的逐漸升高，PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率呈逐漸降低的趨勢，15CF/8CaF2/PTFE磨損率為8.9×10-7mm3/(N·m)，與15CF/PTFE相比,其磨損率降低了60%.進(jìn)一步增加CaF2的體積分?jǐn)?shù)到10%，PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率幾乎保持不變.因此，在CF增強(qiáng)的PTFE體系中，加入體積分?jǐn)?shù)為8%的CaF2陶瓷顆粒，PTFE復(fù)合材料具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.

Fig.3 Characterization of friction properties of PTFE composites: (a) friction coefficient; (b) average friction coefficient and wear rate圖3 不同PTFE復(fù)合材料的摩擦性能表征：(a)摩擦系數(shù)；(b)平均摩擦系數(shù)和磨損率

圖4所示為不同速度和外加載荷對(duì)15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響.15CF/PTFE復(fù)合材料隨著速度從0.2 m/s增加至1 m/s，其摩擦學(xué)性能出現(xiàn)了下降，平均摩擦系數(shù)和磨損量大幅增加[圖4(a)和(b)]，而CaF2顆粒的加入顯著降低了PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率，尤其是在載荷為100 N，速度為0.5 m/s條件下磨損率降低至8.9×10-7mm3/(N·m)[圖4(a)和(b)].此外，還研究了載荷對(duì)于PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響.如圖4(c)所示，與15CF/PTFE相比，速度為0.5 m/s，載荷為30、50和100 N條件下，進(jìn)一步添加體積分?jǐn)?shù)為8%的CaF2陶瓷顆粒均能降低PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù).然而，隨著載荷升高，15CF/PTFE復(fù)合材料摩擦系數(shù)在100 N條件下增加到0.23，與30 N條件下摩擦系數(shù)相比，增加了15%.15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料摩擦系數(shù)變化不大.15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料隨著載荷變化的磨損率如圖4(d)所示，兩種復(fù)合材料的磨損率都隨著載荷的增加而降低.15CF/PTFE在30、50和100 N條件下的磨損率分別為3.5×10-6、3.25×10-6和2.22×10-6mm3/(N·m).15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料的磨損率隨著載荷的升高顯著降低，尤其是在100 N時(shí)，15CF/8CaF2/PTFE表現(xiàn)極低磨損，其磨損率降至8.9×10-7mm3/(N·m).

Fig.4 (a, c) Average friction coefficient and Ws (b, d) of 15CF/PTFE and 15CF/8CaF2/PTFE composites under different velocity and load conditions圖4 不同速度和負(fù)載條件下15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE的(a，c)平均摩擦系數(shù)和(b，d)磨損率

圖5(a)和(b)所示為100 N，0.5 m/s條件下15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE聚合物磨損表面的SEM照片.如圖5(a)黃色圓圈部位所示，聚合物磨損表面出現(xiàn)平行于摩擦方向的顯著犁溝，并且出現(xiàn)了部分CF的脫落現(xiàn)象，使PTFE表面發(fā)生了破損.而15CF/8CaF2/PTFE的磨損表面形貌更為光滑，表面無磨屑堆積，沒有明顯的裂紋存在，聚合物表面也沒有明顯的破損，表明脆性的CaF2陶瓷顆粒參與了轉(zhuǎn)移膜的形成，減小了CF和金屬對(duì)偶的接觸面積，從而降低了摩擦系數(shù)和磨損率.

Fig.5 SEM micrographs of the composite worn surfaces and the formed transfer film after rubbing with (a, c) GCr15 of 15CF/PTFE and (b, d) 15CF/8CaF2/PTFE; (e～f) EDS maps of the formed transfer film on GCr15 after rubbing with 15CF/8CaF2/PTFE圖5 (a, c) 15CF/PTFE和(b, d) 15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料磨損表面和與GCr15相對(duì)摩擦后形成轉(zhuǎn)移膜的SEM照片；(e～h) 15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料與GCr15相對(duì)摩擦后形成轉(zhuǎn)移膜的EDS圖

100 N，0.5 m/s條件下，GCr15與PTFE復(fù)合材料相對(duì)摩擦后，金屬配副表面所形成轉(zhuǎn)移膜的SEM照片如圖5(c)和(d)所示.從圖5(c)中可看出，與15CF/PTFE相對(duì)摩擦后，金屬表面所形成的轉(zhuǎn)移膜呈“補(bǔ)丁”狀，表明在外界壓力和速度作用下PTFE聚合物分子鏈段轉(zhuǎn)移至金屬配偶表面.然而，在摩擦過程中，由于暴露的CF不斷刮擦金屬表面[圖5(a)]，引起金屬表面發(fā)生氧化，阻礙了PTFE羧化反應(yīng)的發(fā)生，所形成的轉(zhuǎn)移膜強(qiáng)度不高且易被破壞，從而導(dǎo)致較高的磨損率(圖3)[10,11,20].如圖5(d)所示，與15CF/8CaF2/PTFE相對(duì)摩擦后，金屬對(duì)偶表面所形成轉(zhuǎn)移膜連續(xù)且致密，幾乎覆蓋了整個(gè)表面，這可能歸因于CaF2在高閃溫條件下發(fā)生從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了對(duì)偶金屬表面轉(zhuǎn)移膜的形成[17].如圖5(e～h)所示，EDS元素面掃描分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)移膜中除了含有來自于PTFE基體和CF中的C、F元素外，還含有大量的O和Ca元素.此外，從圖5(h)中Ca元素的EDS面分布圖發(fā)現(xiàn)對(duì)偶金屬表面的CaF2和其摩擦產(chǎn)物粒徑在亞微米甚至納米尺度.分析認(rèn)為摩擦過程中的高壓力和高閃溫不但促進(jìn)PTFE的羧化和降解，而且可促使微米尺度CaF2顆粒向納米級(jí)的轉(zhuǎn)變，從而更容易使摩擦產(chǎn)物在界面發(fā)生摩擦燒結(jié)，形成高質(zhì)量雜化轉(zhuǎn)移膜[16,21].

2.2 轉(zhuǎn)移膜摩擦化學(xué)成分分析

15CF/8CaF2/PTFE 復(fù)合材料未磨損表面及磨損表面紅外譜圖如圖6(a)所示，由圖6(a)可知，復(fù)合材料未磨損表面以及磨損表面存在1 201和1 145 cm-1處的特征峰，對(duì)應(yīng)于PTFE骨架中CF2單元的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng).此外，復(fù)合材料磨損表面紅外譜圖中出現(xiàn)了1 653和1 430 cm-1兩個(gè)特征峰，表明在摩擦過程中聚合物表面生成了全氟羧酸(CF3COOH).與圖6(a)相比，圖6(b)中15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE與GCr15相對(duì)摩擦后所形成轉(zhuǎn)移膜同樣在1 653和1 430 cm-1處的存在紅外峰，表明摩擦過程中PTFE發(fā)生脫氟反應(yīng)[22]，進(jìn)一步與環(huán)境中水和氧氣反應(yīng)，形成了大量的全氟羧酸并轉(zhuǎn)移到金屬界面，進(jìn)一步參與轉(zhuǎn)移膜的形成.與15CF/PTFE所形成轉(zhuǎn)移膜相比，15CF/8CaF2/PTFE 所形成的轉(zhuǎn)移膜在1 201和1 145 cm-1處的紅外峰強(qiáng)顯著增加，且羧酸峰強(qiáng)也有所加強(qiáng)[圖6(b)]，表明加入的CaF2顆粒促進(jìn)了金屬摩擦界面PTFE分子鏈段的轉(zhuǎn)移和摩擦化學(xué)產(chǎn)物-全氟羧酸的生成和積累[16,23]，形成了羧酸鹽，從而提高了轉(zhuǎn)移膜的黏附能力.

Fig.6 IR spectra: (a) unworn and worn surfaces of 15CF/8CaF2/PTFE composite; (b) transfer film formed on the GCr15 counter face after rubbing PTFE composites圖6 紅外光譜圖：(a) 15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料的未磨損表面和磨損表面；(b) PTFE復(fù)合材料同GCr15相對(duì)摩擦后所形成轉(zhuǎn)移膜

為進(jìn)一步闡明金屬對(duì)偶表面形成轉(zhuǎn)移膜的元素化學(xué)狀態(tài)，15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料與GCr15相對(duì)摩擦后所形成轉(zhuǎn)移膜的XPS譜圖如圖7所示.C 1s譜圖中曲線i和曲線ii中284.8和291.7 eV分別對(duì)應(yīng)于C-C和C-F，表明CF和PTFE基體發(fā)生了轉(zhuǎn)移.與15CF/PTFE所形成的轉(zhuǎn)移膜[圖7(a)中的曲線i]相比，15CF/8CaF2/PTFE所形成的轉(zhuǎn)移膜[圖7(a)中的曲線ii]中C-C鍵的峰值強(qiáng)度略有降低，而C-F鍵的強(qiáng)度則存在明顯的增加，表明CaF2促進(jìn)了轉(zhuǎn)移膜的形成，抑制了CF對(duì)于PTFE聚合物轉(zhuǎn)移膜的破壞.此外，曲線i和曲線ii中位于288.9和286.3 eV處的特征峰表明了摩擦過程中生成了C=O和C-O基團(tuán)，進(jìn)一步證明了羧酸根基團(tuán)存在，與紅外結(jié)果相符[22].F 1s的譜圖如圖7(b)所示，684.5和688.8 eV處的峰分別對(duì)應(yīng)于和F-Fe鍵和C-F鍵，其中C-F鍵的形成歸因于PTFE斷裂所形成的有機(jī)氟CF2.此外，PTFE和CaF2可以在滑動(dòng)過程中釋放F離子，與金屬反應(yīng)后進(jìn)一步生成FeF2或FeF3，金屬氟化物的形成在促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶金屬的黏附方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[24-25]

Fig.7 The XPS spectra of 15CF (i) and 15CF/8CaF2 (ii) composites for forming transfer films after rubbing with GCr15 at 100 N and 0.5 m/s: (a) C 1s; (b) F 1s; (c) O 1s; (d) Ca 2p圖7 在100 N，0.5 m/s條件下15CF (i)和15CF/8CaF2 (ii)復(fù)合材料與GCr15相對(duì)摩擦后表面形成轉(zhuǎn)移膜的XPS譜圖：(a) C 1s；(b) F 1s；(c) O 1s；(d) Ca 2p

O 1s圖譜如圖7(c)所示，與曲線i相比，曲線ii在529.0 eV (Fe-O鍵)峰處的強(qiáng)度顯著降低，進(jìn)一步表明CaF2的加入抑制了金屬對(duì)偶表面氧化鐵的形成[26].在Ca 2p圖譜中[圖7(d)]，347.9、347.2和346.4 eV的峰對(duì)應(yīng)于CaF22p3/2、CaCO32p3/2和CaO 2p3/2，表明部分CaF2被氧化并發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)[19,27].其中Ca離子在摩擦過程中生成CaO，部分產(chǎn)物在閃溫驅(qū)動(dòng)下反應(yīng)形成CaCO3與羧酸鹽共同摩擦燒結(jié)至金屬界面，形成具有高承載力的轉(zhuǎn)移膜，提高了PTFE基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能.

15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE同GCr15相對(duì)摩擦后形成轉(zhuǎn)移膜的拉曼譜圖如圖8所示.其中，ID/IG(D峰與G峰的強(qiáng)度比)反映了轉(zhuǎn)移膜中碳的缺陷程度[28].從Raman譜圖中可看到，相對(duì)15CF/PTFE，15CF/8CaF2/PTFE所形成的轉(zhuǎn)移膜中D峰和G峰含量更高，表明此時(shí)金屬對(duì)偶表面存在大量的C元素，主要來自于CF和PTFE的轉(zhuǎn)移.此外，15CF/PTFE和15CF/8CaF2/PTFE復(fù)合材料形成轉(zhuǎn)移膜的ID/IG分別為1.13和1.01，表明在與金屬相對(duì)摩擦后，15CF/8CaF2/PTFE所形成的轉(zhuǎn)移膜中含有更多的石墨碳.這是因?yàn)樵诓糠痔祭w維轉(zhuǎn)移至摩擦界面并形成了石墨納米晶的過程中，CaF2的加入抑制了CF對(duì)于所形成轉(zhuǎn)移膜的刮擦及破壞作用，進(jìn)一步促進(jìn)具有有序碳結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移膜生成，賦予轉(zhuǎn)移膜易剪切特性，降低了PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù).

Fig.8 Raman spectra of transfer films formed on the GCr15 after sliding against 15CF/PTFE and 15CF/8CaF2/PTFE圖8 15CF/PTFE與15CF/8CaF2/PTFE同GCr15相對(duì)摩擦后形成轉(zhuǎn)移膜的拉曼譜圖

綜上所述，在摩擦過程中，復(fù)合材料中的纖維填料有效地抑制了基體表面的破損，起到了承載作用.同時(shí)PTFE在閃溫及剪切力作用下發(fā)生脫氟和斷鏈，與周圍的氧和水反應(yīng)產(chǎn)生了全氟羧酸，所得的全氟羧酸進(jìn)一步與對(duì)偶金屬相互作用形成羧酸鹽.隨后，在外界機(jī)械力和閃溫作用下，釋放至界面的CaF2發(fā)生了摩擦物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了由脆性至塑性的轉(zhuǎn)變，生成了CaCO3和CaO，促進(jìn)了FeF2的生成，與羧酸鹽和石墨碳共同形成了具有高魯棒性和結(jié)合強(qiáng)度的雜化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移膜.

3 結(jié)論

a.在PTFE基體中添加CaF2微米顆粒明顯提高了PTFE的耐磨性能.尤其，在常規(guī)CF增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料中進(jìn)一步添加CaF2微米顆?？纱蠓岣叱Ｒ?guī)復(fù)合材料的耐磨性能.同時(shí)填充CF與CaF2的多元復(fù)合材料表現(xiàn)出極低的特征磨損率[8.9×10-7mm3/(N·m)].與分別填充CaF2或CF的PTFE相比，該P(yáng)TFE多元復(fù)合材料的耐磨性能分別提高了11.1和2.47倍，CF和CaF2在提高PTFE的耐磨性能方面具有顯著的協(xié)同作用.

b.對(duì)摩擦物理與化學(xué)作用的深入研究發(fā)現(xiàn)，PTFE多元復(fù)合材料與軸承鋼對(duì)偶摩擦?xí)r，PTFE分子斷裂并發(fā)生羧化反應(yīng)，促使全氟羧酸在摩擦界面的積累，同時(shí)CaF2在摩擦過程中釋放了F離子，促進(jìn)了金屬氟化物的生成，并在剪切力和閃溫作用下發(fā)生了由脆性至塑性的轉(zhuǎn)變，反應(yīng)生成了CaO和CaCO3.多元復(fù)合材料中CF端部與金屬對(duì)偶摩擦界面產(chǎn)生高的閃溫和摩擦應(yīng)力，CF磨粒、CaF2顆粒以及PTFE和CaF2的摩擦化學(xué)產(chǎn)物混合并摩擦燒結(jié)成易剪切特性與高承載能力的轉(zhuǎn)移膜，對(duì)于降低材料的摩擦與磨損起到重要的作用.

c.本文中設(shè)計(jì)的PTFE基多元復(fù)合材料具有重要的應(yīng)用前景，本研究為發(fā)展極耐磨聚合物自潤滑復(fù)合材料提供了新思路與新途徑.