GF 織物增強(qiáng)PTFE 復(fù)合材料全壽命磨損機(jī)理

劉建，彭帥豪，賀甜甜，逄顯娟，上官寶，張永振

（河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471000）

隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的急速提升，相關(guān)裝備零部件的性能需求在不斷地向高速高載、高可靠性、長(zhǎng)壽命等特征發(fā)展。其中，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承以其特有的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，在工程機(jī)械、航空航天和其他軍用裝備中的無(wú)油潤(rùn)滑部件中起到了至關(guān)重要的作用［1-2］。關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)是由帶內(nèi)球面的外圈和帶外球面的內(nèi)圈組成，決定其自潤(rùn)滑效果和使用壽命的則是外圈內(nèi)球面上固化的自潤(rùn)滑復(fù)合材料，以復(fù)合材料表面對(duì)內(nèi)圈外球面的滑動(dòng)摩擦代替內(nèi)外圈軸承鋼的直接干摩擦，具有承載力大、自潤(rùn)滑效果穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐沖擊及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。然而，一旦自潤(rùn)滑復(fù)合材料失效，關(guān)節(jié)軸承在高頻高載的運(yùn)行條件下短時(shí)間即可發(fā)生軸承鋼的膠合，造成整個(gè)部件失效。因此，自潤(rùn)滑復(fù)合材料的性能決定了關(guān)節(jié)軸承的性能［3-4］。以銅及銅合金為代表的金屬基增強(qiáng)自潤(rùn)滑復(fù)合材料滿(mǎn)足了大部分低速關(guān)節(jié)軸承的性能需求，然而在高速使用條件下則表現(xiàn)出了高摩擦因數(shù)、高磨損率等缺點(diǎn)［5］。因此，纖維增強(qiáng)的PTFE 織物復(fù)合材料以其良好的穩(wěn)定性和耐磨損性在關(guān)節(jié)軸承中得到廣泛的研究及應(yīng)用［6］。研究及應(yīng)用比較多的自潤(rùn)滑復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、聚酯纖維等［7-14］，不同纖維類(lèi)型對(duì)自潤(rùn)滑材料摩擦學(xué)性能的改性具有不同特點(diǎn)。Aglan 團(tuán)隊(duì)［15-17］對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)PTFE（GF/PTFE）復(fù)合材料的疲勞斷裂韌性及其機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。蘇峰華等研究了玻璃纖維［18］及碳纖維［19］增強(qiáng)的PTFE 織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了不同制備工藝下GF/PTFE 織物增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦性能，結(jié)果表明GF/PTFE 織物不僅具有玻璃纖維優(yōu)異的抗磨性能，同時(shí)具有PTFE 纖維優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。周先輝等學(xué)者們研究了不同環(huán)境條件下自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能和磨損機(jī)理［20-22］。Zhao 等［23］對(duì)比研究了碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)聚酰亞胺樹(shù)脂在不同條件下的干摩擦磨損性能。結(jié)果表明CF/PI 和GF/PI 復(fù)合材料分別呈現(xiàn)最低和最高的摩擦因數(shù)，但均顯示出相當(dāng)優(yōu)異的耐磨性能。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所張招柱團(tuán)隊(duì)對(duì)不同纖維增強(qiáng)的PTFE 自潤(rùn)滑織物復(fù)合材料的成分配比、制備工藝及其基本性能進(jìn)行了大量的研究［24-27］，發(fā)現(xiàn)芳綸纖維及玻璃纖維增強(qiáng)的PTFE 織物復(fù)合材料具有良好的高速摩擦磨損性能，其中玻璃纖維以良好的結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性在苛刻服役條件下的裝備零部件中得到大量應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)自潤(rùn)滑纖維復(fù)合材料的研究持續(xù)關(guān)注，主要進(jìn)行了不同增強(qiáng)纖維及成分配比及對(duì)應(yīng)的摩擦性能研究。但由于自潤(rùn)滑纖維復(fù)合材料耐磨性能好、磨損壽命周期長(zhǎng)等問(wèn)題，現(xiàn)仍缺少針對(duì)自潤(rùn)滑纖維復(fù)合材料的全壽命實(shí)驗(yàn)研究。為此，利用高頻壓擺摩擦磨損試驗(yàn)研究平臺(tái)，以GF/PTFE 纖維復(fù)合材料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究其壽命周期所表現(xiàn)的自潤(rùn)滑性能和損傷特征，探討影響其性能和壽命的關(guān)鍵因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果，針對(duì)性地改進(jìn)材料的制備工藝，為高性能自潤(rùn)滑復(fù)合材料的壽命及可靠性提升提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為玻璃纖維增強(qiáng)的PTFE 自潤(rùn)滑復(fù)合材料，編織方式為斜紋，面密度為1.45 g/cm2，玻璃纖維由南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供，輻照PTFE 粉（粒度＜20 μm）由蘭州輻照中心提供，粘結(jié)樹(shù)脂為有機(jī)硅改性的酚醛-縮醛樹(shù)脂，由上海新光樹(shù)脂廠提供。

1.2 材料制備

制備工藝過(guò)程如下：將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輻照PTFE 粉分散在適量溶劑中，超聲波混合均勻后加入適量酚醛-縮醛樹(shù)脂，再次超聲混合，然后通過(guò)磁力攪拌分散均勻。將織物在含有PTFE 的樹(shù)脂溶液中反復(fù)浸漬、刷涂，獲得厚度（0.38±0.02）mm 的樣品，固化在弧度為60°±0.5°、曲率半徑為（50±0.05）mm 的試樣托上（表面粗糙度Ra＝0.45 μm）。固化過(guò)程選用酚醛-縮醛樹(shù)脂成熟的工藝參數(shù)（固化溫度：180 ℃，固化壓強(qiáng)：0.3 MPa，固化時(shí)間2 h）。試樣制備過(guò)程在蘭州化學(xué)物理研究所完成。所得試樣粘貼剝離強(qiáng)度0.35～0.40 N/mm（剝離的材料與粘貼面成140°±40°），硬度為75HV，織物密合度不大于0.07 mm，抗拉強(qiáng)度2.8 GPa。對(duì)偶材料采用9Cr18Mo，按照GB/T3086高碳鉻不銹軸承鋼技術(shù)條件處理（冷處理溫度－55 ℃以下，保溫時(shí)間不少于1 h），表面粗糙度0.16 μm，直徑100 mm，實(shí)驗(yàn)前用丙酮對(duì)對(duì)偶環(huán)進(jìn)行去油處理。試驗(yàn)室相對(duì)濕度60%～65%，室溫25 ℃。

1.3 測(cè)試方法

根據(jù)該材料應(yīng)用條件，選擇其常規(guī)載荷16 MPa（32 kN）、頻率8 Hz、擺動(dòng)角度±3.2°的條件進(jìn)行全壽命實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。摩擦副的往復(fù)擺動(dòng)由主軸上的液壓擺動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)頻率范圍0～30 Hz；扭矩和扭角分別通過(guò)扭矩傳感器、光電編碼器測(cè)量；加載力則通過(guò)摩擦副下方的液壓加載缸完成，加載范圍為10 kN（5 MPa）至400 kN（200 MPa），其加載方式為閉環(huán)控制，可保證擺動(dòng)摩擦過(guò)程中加載力精度±1%；摩擦溫度通過(guò)距離摩擦表面0.5 mm 處的接觸式熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，磨損厚度及摩擦副變形量通過(guò)位移傳感器測(cè)量。

圖1 測(cè)試平臺(tái)主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Test platform structure

為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)初始階段對(duì)試樣進(jìn)行30 min 預(yù)磨，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程材料表面處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄摩擦因數(shù)、摩擦溫度、變形量隨循環(huán)次數(shù)的變化，間隔50 h 對(duì)磨屑進(jìn)行收集，同時(shí)對(duì)摩擦表面剩余厚度進(jìn)行測(cè)量記錄，為保證測(cè)量精度，剩余厚度測(cè)量按試樣寬度方向b點(diǎn)為6，12，18，24，30，36 mm，長(zhǎng)度方向a點(diǎn)為6，12，18，24，30，36，42，48 mm，共48 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)監(jiān)測(cè)摩擦因數(shù)突變或摩擦溫度突然升高時(shí)，則判定試樣失去自潤(rùn)滑效果即壽命終止，立即停止本次實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

通過(guò)對(duì)GF/PTFE 纖維復(fù)合材料的摩擦磨損性能試驗(yàn)，能夠直接獲取反映其自潤(rùn)滑性能的摩擦因數(shù)和摩擦溫度監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)。如圖2 為不同壽命階段摩擦因數(shù)（μ）和摩擦溫度（θ）的變化特征。由圖可以看出壽命初期（0～21 h）摩擦因數(shù)明顯偏高（均值-μ=0.097），且波動(dòng)較大，期間出現(xiàn)明顯的跳躍式波動(dòng)現(xiàn)象，表明此時(shí)材料自潤(rùn)滑性能極不穩(wěn)定，其原因?yàn)閷?duì)偶環(huán)接觸面的轉(zhuǎn)移膜在磨損初期尚未完全形成，附著部分移動(dòng)性較大，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果較差。同時(shí)，溫度在磨損初期整體呈上升階段，當(dāng)摩擦因數(shù)波動(dòng)明顯的時(shí)候溫度隨之響應(yīng)，表明摩擦溫度的監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)也能同步反映摩擦面的自潤(rùn)滑性能。壽命中期（100～119 h）的摩擦因數(shù)均值由初期的0.097 下降到0.089，且波動(dòng)性明顯降低，表明此時(shí)材料自潤(rùn)滑性能明顯提高，該階段的摩擦溫度維持在127 ℃。而磨損時(shí)間達(dá)到210 h 的摩擦因數(shù)開(kāi)始增大，此時(shí)摩擦溫度已達(dá)138 ℃，表明材料的自潤(rùn)滑效果下降，磨損加劇。在壽命后期312～317 h，摩擦因數(shù)波動(dòng)劇烈，均值高達(dá)0.171，摩擦溫度則達(dá)到149 ℃，且呈上升趨勢(shì)，表明此時(shí)材料已經(jīng)入失效階段，停止試驗(yàn)觀察試樣表面發(fā)現(xiàn)已發(fā)生局部磨穿現(xiàn)象。雖然該材料磨損時(shí)間達(dá)317 h，但壽命后期材料的自潤(rùn)滑效果及可靠性已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此實(shí)際壽命的標(biāo)定必然小于317 h。

圖2 不同壽命階段摩擦因數(shù)與摩擦溫度變化曲線(xiàn)（a）0～21 h；（b）100～119 h；（c）210～239 h；（d）312～317 hFig.2 Variation curves of friction coefficient and friction temperature at different life stages（a）0-21 h；（b）100-119 h；（c）210-239 h；（d）312-317 h

壽命前期摩擦因數(shù)和摩擦溫度的波動(dòng)曲線(xiàn)可以看出，二者隨時(shí)間的變化具有相似性（0～20 h、100～120 h），都隨循環(huán)次數(shù)的增加而升高，摩擦因數(shù)偏高的階段，摩擦溫度也較高，具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外，由圖2 可以看出，每個(gè)階段的試驗(yàn)中摩擦因數(shù)進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段的時(shí)間要快于摩擦溫，這是由于摩擦因數(shù)進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段的時(shí)間主要取決于形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜的時(shí)間，而摩擦溫度進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段的時(shí)間主要取決于接觸面摩擦熱的產(chǎn)生、積累與耗散達(dá)到平衡的時(shí)間。當(dāng)磨損到一定程度，摩擦熱趨于平穩(wěn)階段，此時(shí)與摩擦因數(shù)波動(dòng)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系減弱（210～239 h）。而最后階段（312～317 h）摩擦因數(shù)值及波動(dòng)性明顯增大，停止實(shí)驗(yàn)觀察試樣表面發(fā)現(xiàn)已發(fā)生局部磨穿現(xiàn)象。

為分析整個(gè)壽命周期內(nèi)摩擦因數(shù)與摩擦溫度的變化特征，每隔50 h 取均值作為該階段的參考值，并顯示相應(yīng)的波動(dòng)性，如圖3 所示。可以看出初期摩擦因數(shù)值較高，且波動(dòng)性較大，此階段為磨合階段，而摩擦溫度初期與中期相比并沒(méi)有明顯偏高。中期穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)較低且波動(dòng)性小，摩擦溫度則在中期開(kāi)始增高。后期的失效階段摩擦因數(shù)和摩擦溫度同步增高，且波動(dòng)性較大。因此，根據(jù)摩擦因數(shù)可將材料自潤(rùn)滑性能分為三階段：磨合階段、穩(wěn)定階段、失效階段。而根據(jù)摩擦溫度則可分為兩個(gè)階段：穩(wěn)定階段、失效階段。根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，當(dāng)監(jiān)測(cè)摩擦因數(shù)超過(guò)0.12 時(shí)，材料進(jìn)入壽命后期的失效階段，當(dāng)摩擦因數(shù)達(dá)到0.16 時(shí)，表明材料損傷嚴(yán)重，自潤(rùn)滑性能失效，此時(shí)判定為材料壽命終止。另外，監(jiān)測(cè)摩擦溫度超過(guò)145 ℃時(shí)，同樣判定材料壽命終止。

圖3 摩擦溫度與摩擦因數(shù)階段性均值變化特征Fig.3 Periodic mean variation characteristics of friction temperature and friction coefficient

為研究試樣在整個(gè)壽命周期中的磨損特征，每磨損50 h 對(duì)試樣表面48 個(gè)位置取點(diǎn)測(cè)量剩余厚度d，將寬度方向上的6 個(gè)點(diǎn)取平均值，得到長(zhǎng)度方向上8 個(gè)不同位置的磨損剩余厚度隨時(shí)間的變化，如圖4 所示。圖中可以看出，試樣初始表面不同位置的厚度在375～392 μm 之間，由于圖中每一點(diǎn)為多點(diǎn)測(cè)量的均值，此處尚無(wú)法判斷厚度離散性。而當(dāng)磨合階段結(jié)束后，不同位置厚度差開(kāi)始明顯變大，表明試樣表面磨損的不均勻性急劇增大。另外，試樣在磨合階段和失效階段的磨損量明顯偏大，而穩(wěn)定階段的剩余厚度下降較為緩和。根據(jù)磨損厚度的變化特征，可將試樣的壽命周期分為三個(gè)階段：磨合階段、磨損穩(wěn)定階段、磨損失效階段。該特征與圖3 中摩擦因數(shù)的規(guī)律具有一致性。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)試樣剩余厚度也能夠準(zhǔn)確反映其磨損程度及壽命階段。

圖4 試樣全壽命階段磨損特征Fig.4 Wear characteristics of the sample at the whole life stage

實(shí)際應(yīng)用中，該材料的有效可靠使用壽命應(yīng)控制在穩(wěn)定階段之內(nèi)。當(dāng)材料磨損進(jìn)入失效階段，由于自潤(rùn)滑性能的波動(dòng)及失效的突發(fā)性，隨時(shí)可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承失效，影響整機(jī)安全。

2.2 磨損不均勻性分析

由圖4 可以判斷，不僅平均磨損量具有時(shí)間上的非線(xiàn)性特征，試樣摩擦接觸面不同區(qū)域的磨損程度同樣隨著時(shí)間變化具有位置上的不確定性，即發(fā)生磨損嚴(yán)重或輕微的區(qū)域隨著時(shí)間的變化而變化。為分析試樣表面各部分在不同壽命階段的磨損程度，根據(jù)每隔50 h 的磨損表面剩余厚度d測(cè)量數(shù)據(jù)獲得了試樣表面不同區(qū)域的剩余厚度分布情況，如圖5 所示，圖中初始狀態(tài)的厚度分布不均勻表明試樣粘貼固化過(guò)程中存在工藝上的誤差，導(dǎo)致固化后試樣厚度不均勻。可以很明顯看出，這種不均勻性在一定程度上加劇了試樣的磨損，降低了材料耐磨性能和自潤(rùn)滑效果。尤其是壽命中后期（圖4），這種影響更為顯著。120 h 和230 h 后試樣的剩余厚度分布可以判斷出磨損嚴(yán)重區(qū)域不斷變化，且不同區(qū)域磨損量的離散性不斷增大。圖5 所列4 個(gè)壽命階段的剩余厚度離散性大?。ㄓ忙谋硎荆總€(gè)磨損試樣表面24 個(gè)不同區(qū)域剩余厚度數(shù)據(jù)的方差值）為δ317h（35.30）＞δ230h（33.03）＞δ120h（25.05）＞δ初始（22.13），可以看出試樣磨損前的不均勻性隨著摩擦磨損過(guò)程不斷放大，由此得出初始狀態(tài)的不均勻性直接影響材料壽命周期內(nèi)不同區(qū)域磨損程度的不均勻性。而試樣失效后的剩余厚度分布圖可以看出不同區(qū)域的磨損程度相差顯著，嚴(yán)重區(qū)域出現(xiàn)增強(qiáng)纖維基體磨穿現(xiàn)象。如圖6 所示，磨損后的試樣及對(duì)偶材料表面，可以看出試樣磨穿失效區(qū)域和剝落失效區(qū)域非常明顯，且未磨穿剝落的區(qū)域表面碳化現(xiàn)象明顯。同時(shí)，磨損區(qū)域不均均分布現(xiàn)象明顯，說(shuō)明局部區(qū)域的嚴(yán)重磨損是導(dǎo)致材料最終失效的磨損形式，而非材料整體的均勻磨損失效。

圖5 不同磨損時(shí)間磨損表面剩余厚度分布（a）0 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 hFig.5 Residual thickness distribution of worn surface at different wear time（a）0 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 h

圖6 磨損后試樣及對(duì)偶材料表面（a）試樣；（b）對(duì)偶環(huán)Fig.6 Surface of specimen and dual material after wear（a）sample；（b）counterpart ring

為進(jìn)一步分析試樣在不同壽命階段磨損的差異程度，通過(guò)微觀檢測(cè)對(duì)磨損產(chǎn)物進(jìn)行了微觀分析，如圖7為選取的不同階段磨屑的SEM 照片，圖8為局部磨穿后材料表面照片，其中圖8（a），（b）為磨損前試樣表面。圖7可以看出試驗(yàn)初期，磨屑為分布不均的孤立片狀，產(chǎn)生原因?yàn)槟ズ想A段對(duì)偶面尚未形成均勻、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，在對(duì)偶環(huán)機(jī)械刮擦作用下產(chǎn)生了部分較大的片狀磨屑，這也是圖4 中初期磨損嚴(yán)重且離散性大的原因。當(dāng)對(duì)偶環(huán)表面形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜后，試樣基體表面與對(duì)偶環(huán)的直接接觸則被轉(zhuǎn)移膜阻隔，從而降低了摩擦因數(shù)和磨損量，如圖7 中120，230 h 磨屑尺寸差異化明顯減小，磨屑幾何形狀細(xì)密，以細(xì)小磨屑為主，且收集量比較大，尤其是230 h 產(chǎn)生的磨屑，幾乎沒(méi)有塊狀，表明此時(shí)摩擦面自潤(rùn)滑狀態(tài)及磨損量處于穩(wěn)定階段。

圖7 不同磨損時(shí)間磨屑特征（a）20 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 hFig.7 Wear debris characteristics at different wear time（a）20 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 h

圖8 局部磨穿試樣表面特征（a）初始背面；（b）初始表面；（c）未磨穿區(qū)；（d）剝落區(qū)；（e）纖維節(jié)點(diǎn)剝落區(qū)；（f）膠合區(qū)Fig.8 Surface characteristics of local worn out specimen（a）initial back face；（b）initial surface；（c）non worn out area；（d）spalling area；（e）fiber node peeling area；（f）gluing area

而試樣失效后的磨屑（317 h）則以大片剝落產(chǎn)物為主，其剝落形狀與圖6 中的剝落區(qū)及圖8（c）相對(duì)應(yīng)。盡管這種大片剝落產(chǎn)生于試樣局部區(qū)域，由于該區(qū)域試樣托和對(duì)偶環(huán)之間失去自潤(rùn)滑材料隔離（圖8（d），（e）剝落區(qū)）導(dǎo)致金屬直接對(duì)磨，所以短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生軸承鋼膠合（圖8（f）），導(dǎo)致整個(gè)摩擦副短時(shí)間內(nèi)報(bào)廢。因此，自潤(rùn)滑材料的實(shí)際使用壽命應(yīng)限制在性能穩(wěn)定期，一旦進(jìn)入性能波動(dòng)較大的失效階段（圖4），即使表面完整，也隨時(shí)可能發(fā)生局部磨穿失效導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械故障。

2.3 厚度均勻性對(duì)磨損壽命的影響

由前述分析可以判斷，試樣磨損厚度的均勻一致性對(duì)材料的使用壽命具有決定性影響，主要原因?yàn)樵嚇庸袒辰拥牟痪鶆蛐詫?dǎo)致的摩擦接觸應(yīng)力集中進(jìn)而造成機(jī)械損傷程度不一致以及不同區(qū)域形成的轉(zhuǎn)移膜狀態(tài)不同所導(dǎo)致。據(jù)此，第二批試樣制備過(guò)程中重新設(shè)計(jì)改進(jìn)固化模具，將所制備的試樣整體不同區(qū)域厚度方差由原來(lái)的22.13 降低到16.85。如圖9（a）所示，試樣粘貼固化后表面均勻性明顯提高，僅邊緣部分厚度誤差依然較大。圖9（b）為經(jīng)過(guò)375 h 磨損失效后剩余厚度表面，可以看出磨損后表面離散性比初始狀態(tài)增大，由于自潤(rùn)滑纖維編織材料磨損過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜的動(dòng)態(tài)特性，導(dǎo)致摩擦接觸面不同區(qū)域的自潤(rùn)滑效果不盡相同，因此不可避免的造成不同區(qū)域磨損不一致，然而失效后其整體均勻性仍有所提高，剩余厚度方差由原來(lái)圖5（d）的35.30 下降為27.34，且失效后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的剝落痕跡，如圖10 所示。圖11 和表1 為試樣磨損后對(duì)偶環(huán)表面的SEM 照片和EDS 分析，可以看出未磨穿區(qū)轉(zhuǎn)移膜覆蓋程度依然較為均勻，磨穿區(qū)則出現(xiàn)了明顯的剝落坑，轉(zhuǎn)移膜附著面積降低。同時(shí)在對(duì)偶環(huán)表面發(fā)現(xiàn)了大量的金屬顆粒，表明自潤(rùn)滑材料壽命后期存在金屬磨粒磨損，且磨損嚴(yán)重。

表1 圖11 中對(duì)應(yīng)位置的EDS 分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 EDS analysis result corresponding to the positions in fig.11（mass fraction/%）

圖9 磨損前后試樣表面剩余厚度（a）0 h；（b）375 hFig.9 Residual thickness of sample surface before and after wear（a）0 h；（b）375 h

圖10 磨損失效后的試樣與對(duì)偶材料表面（a）試樣；（b）對(duì)偶環(huán)Fig.10 Surfaces of sample and counterpart ring after wear failure（a）sample；（b）counterpart ring

圖11 對(duì)偶環(huán)表面轉(zhuǎn)移膜SEM 照片（a）未磨穿區(qū)；（b）剝落區(qū)Fig.11 SEM morphologies of transfer film of counterpart ring（a）non worn out area；（b）spalling area

可見(jiàn)，提高材料初始狀態(tài)的均勻一致性能夠有效提高自潤(rùn)滑效果和磨損性能。如圖12 所示，為重新固化后試樣全壽命磨損中剩余厚度變化曲線(xiàn)，可以看出初始階段和失效階段的磨損依然較為嚴(yán)重，然而50～200 h 的壽命區(qū)間內(nèi)，不同區(qū)域的磨損量離散性較圖4相比明顯改善。推其原因?yàn)樵嚇映跗诤穸鹊木鶆蛞恢滦蕴岣撸苊饬四Σ吝^(guò)程接觸面較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了機(jī)械作用力對(duì)試樣表面的磨損，同時(shí)避免了局部摩擦面溫度過(guò)高問(wèn)題，使整體摩擦面磨損趨于均勻。因此可將穩(wěn)定階段分為兩部分：輕微的非均勻磨損和非均勻磨損加劇階段，前一階段中材料的自潤(rùn)滑性能最穩(wěn)定，各部分接觸區(qū)磨損基本保持一致。后一階段則隨著磨損程度的增加，編織結(jié)構(gòu)的各向異性開(kāi)始體現(xiàn)，導(dǎo)致非均勻性特征顯現(xiàn)。200 h 以后，不同區(qū)域磨損程度的離散性逐漸增大。此時(shí)，自潤(rùn)滑過(guò)程中的摩擦面的動(dòng)態(tài)變化特性起到主要作用，造成不同區(qū)域磨損程度的差異化增大。從整體壽命來(lái)看，重新固化后的試樣穩(wěn)定階段由原來(lái)的230 h 增加到280 h，整體壽命則增加了57 h。因此，提高試樣的均勻一致性可降低磨損過(guò)程中摩擦面不同位置磨損的差異程度，并延長(zhǎng)壽命周期中的穩(wěn)定階段，對(duì)提高材料的性能及壽命具有顯著作用。

圖12 全壽命磨損厚度變化Fig.12 Changes of wear thickness of whole life cycle

3 結(jié)論

（1）通過(guò)全壽命試驗(yàn)及分析得到自潤(rùn)滑性能和磨損性能具有明顯的階段特征：磨合階段、穩(wěn)定階段、失效階段，根據(jù)摩擦熱和摩擦因數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠判斷材料在不同階段的性能和壽命特征。

（2）GF/PTFE 自潤(rùn)滑纖維復(fù)合材料的損傷具有顯著的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特征：隨時(shí)間變化磨損程度的不均勻以及局部嚴(yán)重磨損位置的動(dòng)態(tài)特征，前者導(dǎo)致摩擦副自潤(rùn)滑性能波動(dòng)，后者則易造成材料局部磨穿失效引起突發(fā)性事故。

（3）GF/PTFE 自潤(rùn)滑纖維復(fù)合材料表面厚度的不一致極大的弱化了其磨損壽命，提高表面厚度均勻一致性可顯著提高材料自潤(rùn)滑性能和磨損壽命。