Si3N4/PTFE復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜形貌與磨損率定量分析

李文博, 解 挺, 張龍肖, 孟 響, 徐 建, 張 地

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,如自潤滑性、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及寬闊的高低溫度適用范圍[1],因此在眾多工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[2-4]。但純PTFE耐磨性較差(～10-3mm3/(N·m)),因此通過添加各種陶瓷顆粒、纖維、金屬及其氧化物等合適的填料填充改性以提高PTFE基復(fù)合材料的耐磨性[5-7],這些填料除起到支撐載荷防止PTFE基體表面發(fā)生大面積剝落外,還能促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成,使得原聚合物-金屬接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔?聚合物接觸[8],可有效降低PTFE基復(fù)合材料的磨損率。從定性角度出發(fā),高質(zhì)量的轉(zhuǎn)移膜需具備“薄”“均勻”“連續(xù)”3個(gè)特征[9],而這樣的定性描述不足以建立起PTFE基復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜形貌與磨損率之間的關(guān)系。

近年來,不同學(xué)者采用不同方法直接或間接地對轉(zhuǎn)移膜覆蓋率及厚度進(jìn)行定量分析[10-14],并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜最大厚度和覆蓋率與復(fù)合材料磨損率之間有良好的關(guān)聯(lián)性,但并未深入探究轉(zhuǎn)移膜厚度與覆蓋率是否對PTFE基復(fù)合材料磨損率的改變起主導(dǎo)作用。

因此,本文以Si3N4/PTFE復(fù)合材料為研究對象,研究轉(zhuǎn)移膜平均厚度、最大厚度、覆蓋率與Si3N4/PTFE復(fù)合材料磨損率之間的關(guān)聯(lián)性,并通過分析已建立的轉(zhuǎn)移膜厚度-磨損率與轉(zhuǎn)移膜覆蓋率-磨損率之間的擬合函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步驗(yàn)證了轉(zhuǎn)移膜厚度與覆蓋率在不同形貌下對復(fù)合材料磨損率的影響。

1 試驗(yàn)與量化評價(jià)方法

1.1 樣品制備與摩擦磨損試驗(yàn)

PTFE(美國杜邦公司)粒徑34 μm;Si3N4(濟(jì)南至鼎焊材有限公司)粒徑5 μm。為探究Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Si3N4/PTFE復(fù)合材料磨損率及轉(zhuǎn)移膜形貌的影響,分別按Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、15%、20%、25%制備樣品。高速攪拌均勻后模壓成型,成型壓力35 MPa,保壓時(shí)間10 min,樣品尺寸為φ10 mm×30 mm。由于模壓成型的Si3N4/PTFE復(fù)合材料機(jī)械性能較低,還需進(jìn)一步燒結(jié)成型(JHN-1管式爐),升溫速度以1 ℃/min至365 ℃,保溫240 min后隨爐緩冷至室溫。

試驗(yàn)采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。對偶件為304不銹鋼,尺寸φ50 mm×5 mm,表面粗糙度Ra0.02 μm,試驗(yàn)速度0.5 m/s,載荷2 MPa,環(huán)境溫度21 ℃,環(huán)境濕度58%～61%。試驗(yàn)前樣品摩擦端面用1 200目砂紙打磨以保證與對偶件接觸良好,再用無水乙醇將樣品表面清理干凈。

1.2 轉(zhuǎn)移膜膜厚與覆蓋率量化方法

采用基恩士3D激光掃描顯微鏡觀察對偶件摩擦區(qū)域的轉(zhuǎn)移膜形貌,利用其分析軟件導(dǎo)出高度數(shù)據(jù)并繪制高度分布直方圖,如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)移膜高度分布示意圖

從圖1可以看出,高度分布直方圖呈現(xiàn)明顯的雙峰形式,左峰代表對偶件表面區(qū)域,右峰代表轉(zhuǎn)移膜覆蓋區(qū)域,借助文獻(xiàn)[15-17]提供的研究方法,使用高斯混合函數(shù)對雙峰進(jìn)行擬合,根據(jù)其雙峰分布計(jì)算其轉(zhuǎn)移膜平均厚度Tave和轉(zhuǎn)移膜最大厚度Tmax,計(jì)算公式如下:

Tave=b2-b1

(1)

Tmax=b2-b1+3σ2

(2)

其中:b1、b2分別為對偶件表面轉(zhuǎn)移膜未覆蓋區(qū)高度分布、轉(zhuǎn)移膜覆蓋區(qū)高度分布的平均值;σ2為圖1右峰分布的方差。

將2個(gè)正態(tài)分布交點(diǎn)設(shè)定為分割閾值,閾值以上為轉(zhuǎn)移膜,以下為對偶件未覆蓋轉(zhuǎn)移膜表面,統(tǒng)計(jì)閾值以上高度點(diǎn)數(shù)量Na,總統(tǒng)計(jì)高度點(diǎn)數(shù)N,轉(zhuǎn)移膜覆蓋率Cr的計(jì)算公式為:

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨損率的影響

與純PTFE相比較,Si3N4填充改性PTFE復(fù)合材料在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下磨損率均降低了2～3個(gè)數(shù)量級,如圖2所示。

圖2 Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試樣磨損率的影響

除Si3N4具有支撐載荷防止PTFE基體表面發(fā)生大面積剝落和阻止表面裂紋的形成外[18-20],促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成則是最為重要的因素,轉(zhuǎn)移膜可使得原聚合物-金屬接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔?聚合物之間的接觸,可有效降低復(fù)合材料的磨損率。從圖2可以看出,隨Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料磨損率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,在Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),復(fù)合材料的磨損率最低,為1.09×10-6mm3/(N·m)。

對偶件表面轉(zhuǎn)移膜的高度圖像如圖3所示。從圖3可以看出:純PTFE樣品對偶件表面無轉(zhuǎn)移膜分布,且高度范圍相比較其他5組最小;Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%的復(fù)合材料均可在對偶面形成轉(zhuǎn)移膜,但高度形貌各不相同;Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),形成島狀轉(zhuǎn)移膜,覆蓋面積較小。隨著Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,轉(zhuǎn)移膜逐漸呈現(xiàn)出平行于運(yùn)動(dòng)方向的分布形式,Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料磨損率的影響與其影響轉(zhuǎn)移膜的形貌有密切關(guān)系。

圖3 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的對偶面轉(zhuǎn)移膜高度

2.2 轉(zhuǎn)移膜形貌與磨損率的定量關(guān)系

2.2.1 轉(zhuǎn)移膜厚度與磨損率的關(guān)系

轉(zhuǎn)移膜平均厚度和最大厚度與復(fù)合材料的磨損率變化規(guī)律如圖4所示。由圖4a可知,僅在Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%時(shí),轉(zhuǎn)移膜平均厚度與磨損率呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,隨平均厚度的減小復(fù)合材料的磨損率也隨之減小;由圖4b可知,復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜最大厚度與磨損率之間存在明顯的規(guī)律性,最大厚度的變化趨勢與磨損率的變化趨勢一致。

圖4 轉(zhuǎn)移膜膜厚與磨損率的關(guān)系

為了對2種轉(zhuǎn)移膜厚度與磨損率之間的關(guān)系進(jìn)行定量表征,對兩者進(jìn)行擬合,擬合函數(shù)關(guān)系式為:

Wr∝A+Bt+Ct2

(4)

其中:Wr為磨損率;t為轉(zhuǎn)移膜厚度。

擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)移膜厚度與磨損率擬合關(guān)系

由圖5可知,采用最大厚度與磨損率進(jìn)行擬合的擬合度(R2=0.94)遠(yuǎn)大于采用平均厚度進(jìn)行擬合的擬合度(R2=0.24),這說明在Si3N4/PTFE復(fù)合材料中轉(zhuǎn)移膜的最大厚度與復(fù)合材料的磨損之間具有更好的相關(guān)性,這與之前的研究相符合[21]。原因在于對偶件表面的轉(zhuǎn)移膜在高度上的分布并非均勻, Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)的轉(zhuǎn)移膜圖像如圖6所示,圖6a光學(xué)圖并不能觀測到轉(zhuǎn)移膜高度上的差異,而通過圖6b則可以更好地觀測到這種不均勻性。當(dāng)形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜后,試樣與對偶面接觸并相對運(yùn)動(dòng)時(shí)最大厚度越大的轉(zhuǎn)移膜最先受到剪切力的作用,脫落和形成的速度高于最大厚度較低的轉(zhuǎn)移膜,因此轉(zhuǎn)移膜最大厚度與復(fù)合材料磨損率之間有較好的相關(guān)性。

圖6 轉(zhuǎn)移膜形貌

2.2.2 轉(zhuǎn)移膜覆蓋率與磨損率的關(guān)系

覆蓋率作為轉(zhuǎn)移膜形貌的另一個(gè)量化指標(biāo),覆蓋率隨Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)移膜覆蓋率與磨損率隨Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

復(fù)合材料磨損率與轉(zhuǎn)移膜覆蓋率之間成反比關(guān)系,同樣對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合函數(shù)關(guān)系式如下:

Wr∝A+BCr

(5)

其中:Wr為磨損率;Cr為轉(zhuǎn)移膜覆蓋率。

擬合結(jié)果如圖8所示,由圖8可知,覆蓋率與磨損率之間同樣具有良好的關(guān)聯(lián)性,其擬合度R2=0.84,隨轉(zhuǎn)移膜覆蓋率的增加,復(fù)合材料的磨損率減小。

圖8 轉(zhuǎn)移膜覆蓋率與磨損率擬合關(guān)系

通過上述分析可知,轉(zhuǎn)移膜最大厚度與覆蓋率均對Si3N4/PTFE復(fù)合材料磨損率有良好的擬合效果,為探究最大厚度和覆蓋率兩者在影響復(fù)合材料磨損率方面是否起主導(dǎo)作用,對前文所述擬合函數(shù)進(jìn)行微分,分析復(fù)合材料磨損率隨轉(zhuǎn)移膜最大厚度及覆蓋率的變化趨勢,通過對式(4)微分可知隨轉(zhuǎn)移膜最大厚度的增加,磨損變化率也增加,轉(zhuǎn)移膜最大厚度的改變對Si3N4復(fù)合材料磨損率的影響越來越大,由于式(5)為線性函數(shù),微分結(jié)果為恒定值,可知隨轉(zhuǎn)移膜覆蓋率的改變對Si3N4/PTFE復(fù)合材料磨損變化率的影響保持同一水平。當(dāng)轉(zhuǎn)移膜最大厚度為0.319 μm時(shí),單位厚度改變對復(fù)合材料磨損率的改變量絕對值為2.09×10-5,與轉(zhuǎn)移膜覆蓋率對復(fù)合材料磨損率的改變量絕對值相同;轉(zhuǎn)移膜厚度小于0.319 μm時(shí),覆蓋率的增加對降低復(fù)合材料的磨損起主導(dǎo)作用;轉(zhuǎn)移膜最大厚度大于0.319 μm時(shí),其最大厚度的增加對提高復(fù)合材料磨損起主導(dǎo)作用。磨損率與轉(zhuǎn)移膜最大厚度之間呈規(guī)律性的原因在于以下2個(gè)方面:① 最大厚度越大的轉(zhuǎn)移膜在復(fù)合材料與對偶件相對運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)承受相對較大的剪切力,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)移膜形成-脫落周期縮短,磨損率也隨之增加;② 厚度越大的轉(zhuǎn)移膜意味著由基體轉(zhuǎn)移到對偶件的復(fù)合材料體積越多,磨損也就越大。磨損率轉(zhuǎn)移膜覆蓋率之間呈現(xiàn)規(guī)律性的原因在于覆蓋面積大的轉(zhuǎn)移膜會(huì)更有效地隔絕金屬對偶件與復(fù)合材料的直接接觸從而降低磨損。

3 結(jié) 論

Si3N4/PTFE復(fù)合材料在Si3N4填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%范圍內(nèi)均能在對偶面形成轉(zhuǎn)移膜。在Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),復(fù)合材料磨損率降至最低,為1.09×10-6mm3/(N·m)。

對轉(zhuǎn)移膜最大厚度、平均厚度與磨損率的定量表征結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)移膜最大厚度與復(fù)合材料磨損率具有強(qiáng)相關(guān)性:隨轉(zhuǎn)移膜最大厚度的增加,復(fù)合材料的磨損率也隨之增加;轉(zhuǎn)移膜覆蓋率同樣與磨損率之間有較好的相關(guān)性,隨轉(zhuǎn)移膜覆蓋率的增大,復(fù)合材料的磨損率隨之減小。

轉(zhuǎn)移膜最大厚度和覆蓋率在不同階段對復(fù)合材料磨損率的影響效果不同。當(dāng)轉(zhuǎn)移膜最大厚度小于0.319 μm時(shí),覆蓋率的增加對降低復(fù)合材料的磨損起主導(dǎo)作用;當(dāng)轉(zhuǎn)移膜最大厚度大于0.319 μm時(shí),其最大厚度的增加對提高復(fù)合材料磨損起主導(dǎo)作用。