高分子基自润滑材料的研究进展

文章编号:100026893(2004)022*******

高分子基自润滑材料的研究进展

浦玉萍1,2,吕广庶1,王　强2

(1.北京理工大学材料科学与工程学院,北京　100081)

(2.钢铁研究总院粉末冶金研究室,北京　100081)

Development of Several Self2Lubricating Materials of Polymer Matrix

PU Yu2ping1,2,L U Guang2shu1,WAN G Qiang2

(1.Institute of Material Science and Engineering,Beijing Institute of Techonology,Beijing　100081,China)

(2.Powder Metallurgy Department,Central Iron&Steel Research Institute,Beijing　100081,China)

摘　要:综述了聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮等几种高聚物的物理机械性能及摩擦磨损特点。详细介绍了高分子基自润滑复合材料发展历史及概况。指出目前高分子基高性能自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度;通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能;并通过电子辐射处理及等离子表面改性和离子注入等手段进行改性处理,有效提高其综合性能。高分子基自润滑材料可取代传统金属材料,成为全新的一类耐摩擦磨损材料。

关键词:高聚物;复合材料;自润滑材料;摩擦;磨损

中图分类号:V255 文献标识码:A

Abstract:Physical and mechanical properties and friction and wear characteristics of several polymers are reviewed in this article.Development history and situation are presented in detail.Preparation methods of polymer matrix lubri2 cating materials have following measures:matrix mechanical properties are improved by blending polymer with poly2 mers,fibres and whiskers;friction performances are improved by adding solid self2lubricating additives;and surface modifications are achieved by electron2radiation,plasma spraying and ion implantation.S o the integrative properties of polymer matrix are improved effectively.Polymer matrix self2lubricating materials can be used instead of many traditional metal materials and become a new kind of friction and wear materials.

K ey w ords:polymer;composite material;self2lubricating material;friction;wear

随着科学技术的不断发展,合成树脂及塑料的性能不断得到改善,聚合物基复合材料的性能不断提高,越来越多传统上应用金属材料的领域正逐步被聚合物基复合材料所取代。由于聚合物本身具有较低的摩擦系数,优良的机械性能及耐腐蚀性等优点,特别是各种填料的加入使其耐磨性显著提高,正在被广泛的应用到减摩领域[1]。目前常见的减摩用聚合物有:聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)及聚对羟基苯甲酸酯(Ekonol)等,本文详细地介绍了这几种聚合物基自润滑材料,并对其进行了相互比较。

1　聚酰亚胺

111　聚酰亚胺(PI)在特殊环境下的性能

聚酰亚胺(PI)由于分子主链中具有十分稳定的酰亚胺的芳杂环结构,使它具有其他高聚物无法比拟的优异性能。如:耐热性和耐辐照性好,在高温、高真空及辐照下稳定,挥发物少。其中热塑性PI的长期使用温度一般在-240～260℃,热固性PI的长期使用温度可达到300℃以上[2]。另外,聚酰亚胺具有良好的机械性能。

112　PI的摩擦学性能

PI的摩擦性能仅次于聚四氟乙烯(PTFE),在干摩擦下与金属对摩时,可以向对摩面发生转移,起到自润滑作用,并且静摩擦系数与动摩擦系数很接近,防止爬行的能力好。根据PI固体润滑摩擦学特性的不同,Fusaro[3]将PI分为两类:第1类PI具有较低的摩擦系数(小于0113),但磨损率较高(大于40×10-14m3・(N・m)-1),在摩擦过程中,粘着磨损占主导地位,表面层脆,断裂后产生较大的磨屑覆盖于膜痕表面;第2类PI具有较高的摩擦系数(大于0123),但磨损率较低(小于12×10-14m3・(N・m)-1),磨损表面较粗糙,磨痕

　第25卷　第2期航　空　学　报Vol125No12　2004年 3月ACTA AERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Mar1　2004

收稿日期:2003201213;修订日期:2003209213

边缘粘附细微磨屑。

PI的磨损有以下两种情况[4]:①PI在摩擦过程中因粘着、犁耕、微切削等作用而逐渐磨损,导致底材暴露而失效;②PI很快磨损至与金属底材相结合的界面层,然后形成一薄层润滑膜,并能维持很长一段时间的低摩擦磨损。由于PI在实际使用过程中均要加入各种润滑填料,因此PI复合材料的磨损过程大部分表现为第②种情况。

113　分子链形态的影响

丛培红等人[5,6]考察了环境温度对线型聚酰亚胺YS220和交联型聚酰亚胺KH2304摩擦磨损特性的影响。通过进行升温摩擦磨损试验发现:连续升温时,线型聚酰亚胺的摩擦系数随温度升高而增大直至最高值0166,然后降低至0116;定温试验时,其摩擦系数随滑动时间延长很快上升到最高值,然后急速降低趋于稳定,而KH2304的摩擦系数是随着时间的延长先降低,然后趋于稳定。对于摩擦系数的稳定值的出现时间进行考察发现,随温度的升高,稳定值出现的时间降低。两者的磨损均随温度的升高而升高,在同一温度下, KH2304的磨损大于YS220。通过扫描电镜(SEM)和傅立叶红外光谱(F TIR)的观察分析,温度是影响聚酰亚胺摩擦磨损性能的原因,对于YS220主要为摩擦表面层物理状态发生了由玻璃态、高弹态到粘流态的变化,对于KH2304则为摩擦表面层发生的化学变化。

缩合型线性聚酰亚胺(CPI)由于具有优异的热氧化稳定性和良好的韧性,已被广泛研究和使用。然而,CPI加工成型困难;在缩合反应中放出小分子挥发物,导致制品的空隙率较高。目前人们倾向于加成型交联聚酰亚胺(API)的研究[7]。API通过不饱和封端基的交联而得到高度脆性的聚合物。与CPI相比,API具有成型工艺性好、产品孔隙率低、热氧稳定性更优异等优点,但韧性较差。为了解决API韧性较差的缺点,丛培红等人[5]采用缩合型PI(牌号YS220)与加成型PI(牌号KH2304)共混制备高分子合金,试验发现, 20%YS220的加入可在不明显降低交联型PI摩擦耐磨性能的基础上,使交联型PI的弯曲强度和冲击强度分别提高了60%和150%,使KH2304的韧性明显改善。这是由于KH2304、YS220两分子中均含有大量的羰基和酰亚胺基,同种分子及两种分子间均易形成氢键,氢键的存在有利于两相之间的互相贯穿,并通过两种分子的互相渗透而构成稳定的过渡层,即构成所谓的“蛇—笼”结构。另外,结合紧密的过渡层能有效地在两相之间传递和分配负荷,并能终止微裂纹的扩展,吸收冲击能量,因此合金的弯曲和冲击强度较KH2 304高。

114　PI/PTFE复合材料

将PTFE与PI复合加工成减摩材料,可较大幅度的改善复合材料的耐摩性能。黄丽等人[8]考察了共混方式对PTFE/PI复合材料的摩擦性能影响,通过实验发现,采用气流粉碎共混方式所得的试样的冲击强度比简单机械共混试样提高了513%,摩擦系数与磨痕宽度分别降低613%和714%。这是由于在冲击作用下,复合材料中较大的PTFE颗粒周围容易产生应力集中而引发材料的破坏,而经过气流粉碎共混后,PTFE粒径变小,分散更均匀,相对不引起应力集中,因此材料的冲击强度有所提高。同时,采用气流粉碎共混之后,PTFE颗粒粒径减小,数量增多,更有利于向摩擦面转移,缩短材料达到摩擦动态平衡的时间,从而提高了材料的摩擦磨损性能。

黄丽等人[9]还对PTFE的加入量进行了考察,结果表明,PTFE的加入可有效地改善PI的摩擦磨损特性,当PTFE的加入量大于10%时,可以明显降低PI(牌号PMR15)的摩擦系数。当PTFE含量为20%时,复合材料的综合性能最佳。并且由于PTFE的加入,其磨损特性由纯PMR152PI疲劳磨损和磨料磨损形式,变为粘着磨损和磨料磨损形式,避免了疲劳磨损的发生。

115　PI的改性处理

为了得到理想的摩擦磨损性能,人们用石墨、MoS2以及玻璃纤维对PI进行改性。

杨生荣等人[10]通过离子注入的方法对PI进行改性,来提高材料的耐磨性,如分别将N+和Fe+离子注入芳香PI薄膜,结果降低了钢对PI 膜的摩擦系数。这是由于,离子加入可以有效的改善PI膜的自润滑性能,可以提高聚合物的硬度,增大交联度,降低其与钢摩擦时的粘着,从而提高聚合物的耐磨性。此外,离子注入过程中通常会在被注入物质的表面形成一层极薄的无定型碳膜,同时也起到一定的润滑作用。所得复合材料除了具有优异的摩擦磨损性能外,还具有良好的机械性能,常用来制作耐高温和高真空的自润滑轴承、压缩机活塞环、密封圈和齿轮等。

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