碳纳米管增强聚四氟乙烯

力学与材料学院

综合课程设计（论文）

题目：碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究

专业年级材料科学与工程09级

学号0917020218

姓名张继院

指导教师申明霞

二零一二年六月

中国南京

摘要：评价了用不同含量碳纳米管(CNTs)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的力学性能,利用MM-200型摩擦磨损试验机研究了CNTs含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌,并探讨其磨损机理.结果表明:CNTs 能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度,在本文研究范围内,当CNTs的质量分数为7%时,PTFE复合材料的力学性能最佳;CNTs能够增加PTFE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量,当其质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨损性能最佳.纤维状碳纳米管可以阻止PTFE 带状结构的大面积破坏,以及在摩擦过程中于偶件表面能够形成转移膜并隔离复合材料与偶件的直接接触是其减摩耐磨作用的主

要原因.

利用纳米材料(例如蒙脱土、纳米CaCO3、纳米Si3N4、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米金刚石和碳纳米管等)填充改性聚合物的研究已很广泛,并取得了可喜成果[1~5].其中碳纳米管(CNTs)是最富特征的一维

纳米材料,其长度为微米级,直径为纳米级,具有极高的长径比(一般大于1 000)和超强的力学性能,其应用已涉及到纳米电子器件、催化剂载体、电极材料、储氢材料和复合材料等诸多领域[4,5].目前,碳纳米管在聚合物中的应用主要集中在导电聚合物和光电聚合物的改性中[6]. PTFE是1种最常用的自润滑材料,其具有摩擦系数低、耐高低温、有极优异的介电和电绝缘性、化学稳定性好和阻燃等性能,但其硬度低且耐磨性差.通常采用玻璃纤维、石墨、MoS2、炭纤维及青铜粉等填

充PTFE[7~10].随着科学技术发展和PTFE应用日益增加,人们也在探索新的改性填料,如纳米材料[11]和热致液晶高分子材料[12]等.然而,关于碳纳米管对PTFE的改性效果研究较少.本文作者研究碳纳米管填充PTFE复合材料的力学和摩擦磨损性能,探讨碳纳米管的改性机理,为制备新型PTFE复合材料提供理论依据.

1 实验部分

1.1 原材料

PTFE粉为白色粉末,平均粒径25μm,为四川晨光化学工业集团生产.碳纳米管为多壁碳纳米管,呈黑色粉末状,直径10~40 nm,长度150~200μm,纯度>95%,为广州亿安新能源公司生产.

1.2 样品制备

将碳纳米管按质量分数分别为0.1%、0.3%、1%、3%、5%、7%和10%添加到PTFE中.为了保证碳纳米管在PTFE中达到纳米尺度分散,先在无水乙醇和丙酮混合液中用超声波和高速机械搅拌使两者充分混合,然后加热使乙醇和丙酮完全挥发,再将混合后的碳纳米管和PTFE 置于模具中冷压成型,经375℃烧结后得到复合材料试样,每种复合材料各制备3件,单件规格均为6 mm×10 mm×90 mm以供试验使用.同时制备相同规格的纯PTFE试样3件用于性能对比试验.

1.3 实验方法

冲击强度试验按照GB5765-86在XCJ-40型简支梁式摆锤冲击试验机上进行,冲击能量为4 J.

6采用HR150型洛氏硬度计测量其硬度.

采用MM-200型摩擦磨损试验机(按照GB3960-83)

评价其摩擦磨损试验,PTFE复合材料试样和偶件

45#钢环表面均经过1 200#砂纸抛光,表面粗糙度Ra

为0.2μm,所用转速为200 r/min,载荷98 N,摩擦时

间30 min,在干摩擦滑动条件下测定试样的摩擦系数

和磨损量.采用光学显微镜和日立X-650型扫描电子

显微镜(SEM)观察试样和偶件钢环的表面形貌并分

析其磨损机理.

2 结果与讨论

2.1 力学性能

碳纳米管填充PTFE复合材料的硬度测试结果见图1.可见,碳纳米管能够提高PTFE的硬度,当碳纳米管质量分数为7%时,PTFE复合材料

的硬度最大(98.17HRM),比PTFE的硬度(84.83HRM)提高了15.7%. 图2所示为不同含量的碳纳米管填充PTFE复合材料的冲击强度测试结果.可以看出,碳纳米管可以提高PTFE的冲击强度,当碳纳米管质量的分数为7%时,PTFE复合材料的冲击强度达到最大值(41.74 kJ/m2),比PTFE的冲击强度(31.56 kJ/m2)提高了32%.

2.2 摩擦磨损性能

图3所示为碳纳米管填充PTFE复合材料的摩擦系数随碳纳米管含量变化的关系曲线.可以看出,在本文的研究范围内,PTFE复合材料的摩擦系数随着碳纳米管含量的增加而增大,当含量为10%时摩

擦系数达到0.207.

图4所示为碳纳米管填充PTFE复合材料的磨

损量随碳纳米管含量变化的关系曲线.可以看出,碳纳米管能够有效地降低PTFE磨损量.在本文研究的范围以内,PTFE复合材料的磨损量随着碳纳米管含量增加而明显减小,当含量为10%时磨痕宽度仅为5.66 mm.

2.3 磨损机理分析

图5所示为PTFE试样和不同含量碳纳米管填损表面也有条状磨痕[图5(b)],而在含5%和10%的碳纳米管试样的磨损表面上无明显条状磨痕,且随着碳纳米管含量增加磨痕明显减小.同时还发现,摩擦磨损试验中产生的磨屑呈现片状形态,并且随着碳纳米管含量增加,磨屑尺寸越来越小.分析认为,由于PTFE的硬度和剪切强度比金属低,在摩擦过程中磨损主要发生在PTFE本身.PTFE的磨损本质在于外力使大分子链发生滑移或断裂,材料被拉出结晶区并转移到偶件表面从而造成粘着磨损[11].碳纳米管的强度和长径比为炭纤维的10倍以上[5],当碳纳米管填充PTFE后不仅阻止了PTFE带状结构的大面积破坏,改变了磨屑的形成机理,使其由纯PTFE的大块片状磨屑转变为复合材料的小磨屑,而且具有一定的承载作用,从而提高了PTFE的性能.此外,采用