碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的

第25卷　第4期摩擦学学报V o l25,　N o4 2005年7月TR I BOLO GY July,2005碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的

摩擦磨损性能研究

曲建俊,李显凌,宋宝玉

(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨　150001)

摘要:评价了用不同含量碳纳米管(CN T s)改性聚四氟乙烯(PT FE)复合材料的力学性能,利用MM2200型摩擦磨损试验机研究了CN T s含量对PT FE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:CN T s能够提高PT FE复合材料的硬度和冲击强度,在本文研究范围内,当CN T s7%时,PT FE复合材料的力学性能最佳;CN T s能够增加PT FE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量,当其质量分数为10%时,PT FE复合材料的耐磨损性能最佳.纤维状碳纳米管可以阻止PT FE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.

关键词:碳纳米管(CN T s);聚四氟乙烯(PT FE)复合材料;摩擦磨损性能

中图分类号:O632.12;TH117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2005)0420333205

利用纳米材料(例如蒙脱土、纳米CaCO3、纳米Si3N4、纳米Si O2、纳米T i O2、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(CN T s)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1000)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].

PT FE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、M oS2、炭纤维及青铜粉等填充PT FE[7～10].随着科学技术发展和PT FE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PT FE的改性效果研究较少.本文作者研究碳纳米管填充PT FE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PT FE复合材料提供理论依据.1　实验部分

1.1　原材料

PT FE粉为白色粉末,平均粒径25Λm,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10～40nm,长度150～200Λm,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PT FE中.为了保证碳纳米管在PT FE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PT FE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6mm×10mm×90mm以供试验使用.同时制备相同规格的纯PT FE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GB5765286在XCJ240型简支梁式摆锤冲击试验机上进行,冲击能量为4J.按照

基金项目:哈尔滨工业大学跨学科交叉性研究基金资助项目(H IT.M D2002.08);哈尔滨市学科后备带头人基金资助项目(2002A FXXJ047).收稿日期:2004209229;修回日期:2005202210 联系人曲建俊,e2m ail:qujianjun@h .

作者简介:曲建俊,男,1962年生,博士,教授,博士生导师,目前主要从事超声马达摩擦学及其摩擦材料等研究.

GB5766286采用HR150型洛氏硬度计测量其硬度.采用MM2200型摩擦磨损试验机(按照GB3960283)评价其摩擦磨损试验,PT FE复合材料试样和偶件45#钢环表面均经过1200#砂纸抛光,表面粗糙度R a 为0.2Λm,所用转速为200r m in,载荷98N,摩擦时间30m in,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X2650型扫描电子显微镜(SE M)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PT FE复合材料的硬度测试结果见图1.可见,碳纳米管能够提高PT FE的硬度,当碳纳米管质量分数为7%时,PT FE复合材料的硬度最大(98.17H RM),比PT FE的硬度(84.83H RM)提高了15.7%.

图2所示为不同含量的碳纳米管填充PT FE

复

F ig1　V ariati ons of hardness of PT FE

compo site w ith CN T s content

图1　PT FE复合材料的硬度随碳纳米管含量

变化的关系曲线

F ig2　V ariati ons of i m pact intensity of PT FE

compo site w ith CN T s content

图2　PT FE复合材料的冲击强度随碳纳米管含量

变化的关系曲线

合材料的冲击强度测试结果.可以看出,碳纳米管可

以提高PT FE的冲击强度,当碳纳米管质量的分数

为7%时,PT FE复合材料的冲击强度达到最大值

(41.74kJ m2),比PT FE的冲击强度(31.56kJ m2)

提高了32%.

2.2　摩擦磨损性能

图3所示为碳纳米管填充PT FE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,PT FE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PT FE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PT FE磨损量.

在本文研究

F ig3　V ariati ons of fricti on coefficient of

PT FE compo site w ith CN T s content

图3　PT FE复合材料的摩擦系数随碳纳米管

含量变化的关系曲线

F ig4　V ariati ons of w ear w idth of PT FE compo site

w ith CN T s content

图4　PT FE复合材料的磨痕宽度随碳纳米管

含量变化的关系曲线

的范围以内,PT FE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433摩　擦　学　学　报第25卷