石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能

石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能

李文忠，王黎钦，古乐，郑德志

哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150001

E-mail: wenzhonglee@

摘要：为了研制PTFE基粘弹-摩擦型阻尼材料，采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨/聚苯硫醚/聚醚醚酮混合填充PTFE基复合材料，利用环-块式磨损试验机，在干摩擦条件下考察了复合材料的摩擦学性能；并用扫描电镜观察了磨损表面形貌，研究了复合材料的磨损机理。结果表明：PTFE含量不同的复合材料，随石墨填充量的增大，摩擦系数和磨损率的变化趋势不同，磨损主要由犁削、粘着和疲劳剥落中的一种或几种引起；适当配比的PTFE基复合材料具有较好的摩擦阻尼性能，能够满足粘弹-摩擦阻尼材料的要求。

关键词：聚四氟乙烯石墨复合材料摩擦学性能

1. 引言

聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的物理化学性能，耐腐蚀性极强，耐高低温，是一种广泛应用的高性能工程塑料。利用PTFE的粘弹阻尼和摩擦阻尼耗能，可以在苛刻环境下的机械装置中作为减振部件应用。为了提高这种减振部件的阻尼性能，需要从提高减振材料的粘弹阻尼和摩擦阻尼两个方面研究。为此，需要提高材料的摩擦系数，同时也要提高材料的耐磨性，以延长材料的使用寿命。

PTFE自身的摩擦系数很小，且耐磨性很差，限制了在减振工程中的应用。而当其中添加某些无机颗粒或高分子聚合物后，材料的摩擦系数会提高，同时耐磨性可得到很大的提高，人们已经对填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了很多的研究[1~5]。用于填充PTFE 的材料很多。聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）都具有机械强度高、耐热、耐腐蚀、耐磨、抗蠕变等性能，在PTFE中填充可大大改善耐蠕变性和耐磨性；在PTFE中填充石墨可明显提高耐磨性，及压缩蠕变性和导热性。国内外有关石墨/PPS/PEEK混合填充PTFE基复合材料摩擦学性能的研究还未见报道，本文采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨、PPS、PEEK混合填充PTFE复合材料，考察了干摩擦条件下石墨的含量对复合材料摩擦学性能的影响，并研究了材料的磨损机理，期望为PTFE基复合材料在减振中的应用提供依据。

2. 试验部分

2.1 原材料

PTFE，化工部四川晨光研究院，20～40µm；石墨，青岛莱西光大石墨有限公司，平均粒径2µm； PPS，自贡鸿鹤特种工程塑料有限公司，平均粒径50µm；PEEK，长春吉大高新材料有限责任公司，平均粒径10µm。

2.2 复合材料的制备

试验分为两组。

第一组试验中固定PTFE：PPS：PEEK三者的比例为7：1.5：1.5，然后分别添加含本课题得到哈尔滨市科技攻关计划项目基金资助（2004AA2CG126）

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量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的石墨。

第二组实验中材料配比为固定PTFE ：PPS ：PEEK 三者为3：1：1，然后添加石墨含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%。

将不同配比的粉料在高速搅拌机中混合均匀，填入模具内压制成毛坯，然后在烧结炉内以一定的加热程序烧结成型。

2.3 摩擦学性能测试

利用环-块式磨损试验机考察材料的摩擦学性能。复合材料试样为块状，尺寸为6×10×20mm ；对摩环的材料为9Cr18不锈钢，淬火，硬度为HRC61~63，尺寸为内径Φ16mm ，外径Φ40mm ，厚度10mm 。复合材料试样固定，钢环旋转，转速400r/min ，固定载荷98N ，室温下干摩擦30min 。试验前，将试样和钢环对摩面用2000#砂纸打磨，然后用丙酮清洗表面，晾干后使用。试验后，测量试样的磨痕宽度，以此衡量材料的耐磨性。

用S570型扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌。

3. 试验结果与分析

3.1 材料配比对复合材料摩擦学性能的影响

图1a)示出了两组试验的材料摩擦系数随石墨含量变化的曲线。可以看出，在第一组试验中，当石墨含量低于20%时，随着石墨含量的增大，材料的摩擦系数稍稍降低，而当含量超过这个值后，摩擦系数升高；对于第二组试验，材料的摩擦系数与第一组较为接近，随石墨含量的增加摩擦系数先是降低，超过5%后缓慢升高，然后趋于平稳。

磨痕宽度/m m

摩擦系数

石墨含量 %石墨含量 %

a) 摩擦系数 b)磨痕宽度

图1 两组材料的摩擦学性能

图1b)为两组试验材料的磨痕宽度与石墨含量的关系曲线，磨痕宽度衡量磨损率的大小。可以看出，第一组材料的磨损率首先随着石墨的加入而升高，而当石墨含量超过5%后，磨损率降低，最后趋于平稳；第二组材料的磨损率随着石墨含量的增大而稍有升高，但耐磨性比第一组试验材料的稍好。

对于PTFE 含量为70%的第一组复合材料，由于PTFE 含量较高，在材料中添加石墨时，能够与PTFE 共同作用，在对摩面上形成较好的转移膜，从而降低摩擦系数；当石墨达到一定含量时，转移膜中的石墨增多，会导致摩擦系数有所升高。当添加少量石墨时，石墨颗粒分散在聚合物基体中，因为与聚合物的界面结合强度较差，从而降低了复合材料的抗拉强度，材料容易被粘着和犁削而脱落，使得磨损量增大；而随着石墨含量的提高，较多的石墨颗粒可以承受载荷，参与摩擦，阻止了PTFE 基体大片剥落，向对偶面转移，因此提高了材料的耐磨性。

对于PTFE 含量为60%的第二组复合材料，由于PTFE 含量较低，摩擦过程中在对摩面上不能很好地形成转移膜，而且转移膜的附着性较差，容易从钢环表面脱落，而添加少

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量石墨即可改善转移膜的形成，从而降低摩擦系数；继续增大石墨的含量，则会使转移膜中的石墨增加，使得摩擦系数稍微提高。而由于无机颗粒石墨的加入，使得材料的强度有所下降，容易受摩擦载荷作用而剥落，导致材料的磨损率增大。

总体来说，经过混合添充改性的PTFE 基复合材料的摩擦系数要比纯PTFE 要大，且耐磨性比纯PTFE 有很大的改善。

3.2 复合材料磨损表面形貌SEM 及磨损机理分析

图2示出了几种复合材料的磨损表面形貌SEM 照片。

图2a)为第一组试验中石墨含量为5%的材料的照片，材料磨损表面有明显的塑性变形和犁削痕迹，以及粘着剥落。这是由于复合材料中PTFE 的含量较高，宏观硬度较低，抗犁削和粘着的能力较差，钢环表面的微凸峰对材料具有很强的犁削作用，由于微切削和粘着作用导致复合材料表层磨损；且在与钢对摩的过程中，由于摩擦温升，材料表面局部发生熔融而造成塑性变形。

图2b)为第一组试验中石墨含量为30%的材料的照片，可以看到，磨损表面有疲劳剥落和粘着的痕迹，而没有明显的犁沟。这是由于PTFE 在材料中含量降低，而其它硬质相相应的增加，使得材料的宏观硬度有所提高，抗犁削能力得到提高。当石墨含量较高时，它们分散在聚合物中，摩擦过程中磨损表面的石墨颗粒成为应力集中源，当对偶面上的硬凸峰在复合材料表面滑动时，这些硬质点就受到循环载荷的作用，导致石墨颗粒与基体交界处出现疲劳裂纹，在周期性载荷的作用下裂纹不断扩展，最终导致颗粒脱落，在磨损表面留下剥落坑，出现疲劳磨损。

图2c) 为第二组试验中石墨含量5%的材料的照片，与图2b)类似，磨损表面没有明显的犁沟，只有很浅的疲劳剥落痕迹，说明PTFE 在材料中含量较低时，由于填充硬质相的作用，材料的宏观硬度提高，抗犁削能力得到提高，而分散的石墨颗粒容易引起应力集中，导致疲劳剥落。

图2d) 为第二组试验中石墨含量30%的材料的照片，可见，磨损表面有较大的犁沟和塑性变形以及明显的粘着痕迹。因为这个试样的石墨含量较高，PTFE 所占比例进一步降低，大量石墨的加入降低了材料的强度，容易发生塑性变形，抗犁削能力变差，同时硬质点破坏了对偶面上的转移膜的连续性，使得钢对复合材料的犁削作用很明显，而且粘着磨损也加重。

c) d) a) b) 图2 复合材料磨损表面形貌

4. 结论

适当选择PTFE 基复合材料的配比，可以获得具有较高摩擦系数和较好耐磨性的材料；不同配比的复合材料的磨损形式不同，主要由犁削、疲劳剥落和粘着磨损中的一种或几种因素引起。结合复合材料的粘弹阻尼考虑，适当配比的PTFE 基复合材料具有较好的粘弹阻尼和摩擦阻尼性能，能够在苛刻工况下作为有限寿命的减振结构材料。

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