PTFE基复合材料在不同工况下的摩擦磨损性能研究进展.pdf
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1、Organo-Fluorine Industry532023年第2 期有机氟工业PTFE基复合材料在不同工况下的摩擦磨损性能研究进展付建伟蔡醇洋白鲸罗于强倪涛富喻培浩(中昊晨光化工研究院有限公司,有机氟材料四川省重点实验室,四川省有机氟工程技术研究中心,四川自贡6 432 0 1)摘要:介绍了近年来聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料在不同工况下的摩擦磨损性能研究进展,对不同温度、载荷、滑动速率以及润滑条件等工况下的摩擦学性能研究现状进行了阐述,并指出了未来需要努力的方向。关键词:PTFE;复合材料;不同工况;摩擦磨损0前言众所周知,聚四氟乙烯(PTFE)是一种性能优异的固体自润滑材料,具有极低的
2、摩擦因数、良好的化学稳定性及热稳定性,广泛应用于各行各业。但纯PTFE硬度低、耐磨性差、机械强度低,在外力作用下有较大的粘弹性变形,易变等,这些缺点限制了PTFE的应用。为了弥补PTFE物理性能上的不足,需要使用不同填料与PTFE进行填充复合,改善其硬度、耐磨性、蠕变性及热传导性等,从而获得综合性能良好的复合材料。PTFE的实际使用性能及最终寿命受到很多因素的影响,如产品结构、机加工精度、使用环境(如压力、温度、介质等)等。另外,材料本身性能也影响其最终使用性能。使用PTFE基复合材料时,材料的摩擦性能、耐磨性能和耐压性能是材料设计时要首先考虑的因素。为此,国内针对PTFE基复合材料在不同工况
3、条件下的摩擦学性能进行了研究,并探讨其磨损机制,为在不同工况条件下选用PTFE基复合材料作为减摩、耐磨产品提供基础依据。1不同工况下的摩擦磨损研究现状PTFE的分子结构决定了它的摩擦行为,但它的摩擦行为还受到载荷、速率、温度、润滑条件、对磨材料以及填充物等因素的影响。通常,纯PTFE的摩擦因数随载荷的增大而减小,随滑动速率的增加而增大;油润滑或水润滑能进一步降低摩擦因数;填充物的加人会增大摩擦因数。PTFE的磨损机理主要有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、蠕变磨损和微观破坏磨损等。实际使用中的磨损现象通常不能纳人某一种基本形式,许多现象往往是基本类型的转化或复合。材料的磨损是一个复杂的动态过程,涉
4、及到摩擦磨损系统中的外部因素和材料的内部因素2 。外部因素有载荷、滑动速率和时间、环境温度、润滑介质、表面粗糙度、对磨材质等因素;内部因素主要有材料的成分、组织结构和组分的物理化学性能及力学性能等因素。1.1不同温度下PTFE基复合材料的摩擦学性能齐慧敏等3 对比研究了-10 0 10 0 温度范围内PTFE及三氧化二铝/聚四氟乙烯(Al,O,/PTFE)复合材料的摩擦学性能。研究表明:在宽温域环境中,PTFE分子链特殊的线性结构使其具有较强的蠕变性,因此,摩擦因数随着温度的升高逐渐降低,在100时为最小值0.15;磨损率在10 0 时为最小值1.0 10*mm/(Nm),常温之后磨损率急剧增
5、加,在50 时达到最大值1.0 10-mm/(Nm)。A1,0,无机纳米陶瓷颗粒的加人降低了PTFE的蠕变性,与纯PTFE相比,摩擦因数升高,磨损率大为降低。但在给定的温度范围内差异很大,在-50 时摩擦因数增至最大值0.51,之后随着温度的升高摩擦因数逐步降低,在10 0 时低至最小值0.2 2。作者简介:付建伟(198 6 一),男,本科,工程师,主要从事聚四氟乙烯塑料及其填充改性制品等高分子材料加工成型技术研究。2023年第2 期Organo-Fluorine Industry54有机氟工业磨损率则在-10 0 时最低,在50 时达到最高值5.71 10=4mm/(N m)。邓联勇等4
6、用不同填料对PTFE进行改性,并模拟无油往复式压缩机工作环境,研究了各种复合材料在18 0 高温下的摩擦磨损性能,并与常温下的摩擦磨损性能进行了比较。发现青铜粉、纤维填充的复合材料在高温下表现出与常温相反的摩擦磨损规律;碳类填充复合材料在不同温度下则表现出较为稳定的规律;特种塑料(聚酰亚胺、聚苯酯)改性的PTFE复合材料具有极好的综合性能。商全5 以PTFE基复合材料为研究对象,通过改变PTFE基复合材料组分配比考察了石墨、MoS2、SiC、Cu 和稀土Nd,O,作为添加剂对复合材料在真空和低温条件下摩擦学性能的影响,并对材料的摩擦磨损机理进行了分析。结果表明:在真空和低温条件下,三元PTFE
7、基复合材料和四元PTFE基复合材料的摩擦因数随温度的降低而增大;PTFE基复合材料的摩擦因数随真空度的增加而增大,但SiC填充改性的PTFE基复合材料例外;PTFE基复合材料的摩擦因数随转速的增大而减小,随着载荷的增大而减小;真空和低温条件下,导致PTFE基复合材料磨损的主要原因是粘着磨损;PTFE基复合材料转移膜的形成有效隔离复合材料与对偶件的直接接触;石墨、MoS2、Si C和Cu的加人增强了复合材料的尺寸稳定性、硬度和转移膜的形成等,减少机械变形,促进转移膜的形成,降低了PTFE基复合材料的磨损。1.2不同滑动速率、载荷下PTFE基复合材料的摩擦学性能潘登 参考真空条件下PTFE的摩擦试
8、验工况设置模拟参数,如环境温度、外载荷及速率等,采用粗粒化分子动力学方法构建了PTFE-PTFE摩擦模型,通过分析摩擦过程中接触区内下层PTFE分子的键长分布、键角分布、分子形状变化及接触过程中摩擦力和正压力的变化,从微观角度探究了速率对PTFE摩擦因数的影响规律。图1为外载荷为31MPa时摩擦因数随速率的变化。当外载荷保持31MPa不变时,随着速率的增加,摩擦因数先升高后降低。随着速率的增加,接触区内下层PTFE分子的键长及键角变小,分子链弯曲量增大导致回弹力增大,从而增加摩擦力。当速率大于临界速率1.2 m/s时,接触区内下层PTFE分子链键长和键角多位于平衡值处,分子链弯曲程度变小,这很
9、可能是由于分子链发生倾斜,使上、下层PTFE分子链的滑动趋于平行滑动,从而降低了摩擦力。0.20F-1MD-Experiment0.150.100.0500.51.01.52.02.5速率/(ms-l)图1外载荷为31MPa时摩擦因数随速率的变化胡汉军等7 选择了一种PTFE基复合材料(PTFE、MoS2、玻璃纤维质量分数分别为8 0%、15%、5%)为试验对象,根据ASTMG176-03规定在大气与室温环境下开展试验,研究了不同载荷(15N、30 N、45N、6 0 N)及不同滑动速率(0.915m/s、1.8 30 m/s、2.745m/s)下的磨损率,结果如图2 所示。结果表明,在同样的
10、载荷下,磨损率随着滑动速率的增加而明显增加,尤其是在高载荷6 0 N的条件下,转速由1.830m/s提高至2.7 45m/s时,其磨损率增加了近3倍以上,材料在该工况下表现出严重的磨损。说明无论材料在高应力还是低应力工况下,增加滑动速率均可加速聚合物材料的磨损。207500 r/min18+1000 r/min(u.N)/,-01l/率16150 0 r/m in141210864215304560载荷/N图2不同载荷、不同滑动速率条件下的磨损率孙盛华等8)对碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)和超细纤维(SF)3种无机填料以不同组合制备的PTFE基复合材料在不同压力(2 0 0 N、40 0 N
11、、6 0 0 N)下的摩擦磨损行为进行了研究。结果表明,PTFE基复合材料的摩擦因数随着压力的增大而降低,且依然保付建伟等PTFE基复合材料在不同工况下的摩擦磨损性能研究进展2023年第2 期55持在很低的水平(0.0 4 0.14);在压力相对较低的范围内,材料能够保持在磨损率非常低的单纯磨损阶段,但当压力升高到一定限度后,由于重载和摩擦热的共同作用,PTFE复合材料容易发生比单纯的磨损更为严重的蠕变破坏,严重的蠕变会加剧材料的磨损甚至直接导致材料失效。1.3不同润滑条件下PTFE基复合材料的摩擦学性能颜录科等 9 分别采用热空气氧化后经钛酸酯偶联剂处理碳纤维(CF)和氩等离子体处理PTFE
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