聚合物基自润滑材料的研究现状和进展

聚合物基自润滑材料的研究现状和进展

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,其基自润滑复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,正在被广泛的应用到减摩领域。本文综述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亚胺等几种高聚物的摩擦磨损特点及其应用,聚合物基自润滑复合材料发展现状。指出目前聚合物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,有效提高其综合性能。聚合物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。

论文:高聚物,复合材料,自润滑材料,摩擦,磨损

1、聚醚醚酮(PEEK)

1.1 聚醚醚酮(PEEK)的特点

聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能热塑性高聚物,具有良好机

械性能、抗化学腐蚀性和抗辐射性,显着的热稳定性和耐磨性。它可以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等

恶劣环境下使用。因而关于聚醚醚酮及其复合材料的研究越来越受到人们重视。聚醚醚酮是一种半晶态热塑性聚合物,为了改善其机械性能,尤其是摩擦学性能,常在其中添加聚

四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)和碳纤维(FC)等材料,也可

添加颗粒增强型材料或进行特种表面处理等离子体处理等。当聚醚醚酮及其复合材料与金属材料相互对磨时,通常在金属表面形成聚合物转移膜,其结构、成分均与原有的聚合物及复合材料不同,其性能、厚度及连续程度均对摩擦副的摩擦学性能有重大影响[4]。

1.2 对聚醚醚酮(PEEK)摩擦性能的研究

章明秋等人[5,6]对聚醚醚酮(PEEK)在无润滑滑动条件下

磨损产生的磨屑的形态进行研究,结果表明,聚醚醚酮(PEEK)的磨屑具有分形特征,其分形维数与载荷的关系对应于磨损率与载荷的关系,能够反映聚醚醚酮(PEEK)磨损机制的变化。在给定的试验条件下,随着载荷的增大,聚醚醚酮(PEEK)的磨损机制从粘着磨损为主伴随着疲劳-剥层磨损,进而转

变为热塑性流动磨损。

张人佶等[7,8]利用扫描电镜、扫描微分量热仪、红外光谱仪、俄歇电子谱仪等分析手段系统的研究了聚醚醚酮(PEEK)及其复合材料的滑动转移膜,结果表明:纯聚醚醚酮(PEEK)

在滑动摩擦过程中形成不连续的转移膜。聚四氟乙烯(PTFE)的光滑分子结构有助于使转移膜更光滑,固体润滑效果也更好。在PEEK/FC30中,不仅加入PTFE,而且加入具有层状结构的石墨,碳纤维磨损后的石墨也同时进入转移膜,使得转移

膜的强度和韧性更好,寿命提高。

1.3 聚醚醚酮的应用

聚醚醚酮(PEEK)是一类倍受欢迎的耐磨减摩材料,其承载能力和耐磨性比较强,温度对其摩擦磨损性能及机械性能影响也不大。这类自润滑复合材料可用于制作飞机上的耐热、耐有机溶剂的连接件,汽车轴承支架、活塞密封、发动机的传动装置,精密电子设备等零部件。但由于聚醚醚酮(PEEK)本身的价格高且成型加工困难,在普通的工程应用中受到了很大的限制[9]。

2 聚四氟乙烯(PTFE)

2.1聚四氟乙烯(PTFE)低摩擦系数特点

聚四氟乙烯(PTFE)是一种耐热性聚合物,其分子结构规整、静摩擦系数很小。当聚四氟乙烯(PTFE)与其它物体对摩时,由于聚四氟乙烯(PTFE)大分子容易被拉出结晶区,因而在摩擦之初就向对摩面转移,以库伦力和范德华力在对摩面上形成一层20~30nm厚的薄膜,这层薄膜的大分子按滑动方向高度取向,从而摩擦系数很低[10]。另外,在摩擦过程中还会发生摩擦化学反应,能够影响转移膜的生成及其完整性[11]。由于聚四氟乙烯(PTFE)的表面能极低,其转移膜在对摩面上的附着性较差,导致聚四氟乙烯(PTFE)做摩擦材料时具有严重的磨损。同时,由于聚四氟乙烯(PTFE)的弹性模量小而线膨胀系数大,承载能力低,使其作为摩擦件使用受到了限制。为了改善聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性,许多学者进行了卓有成效的研究工作。目前对聚四氟乙烯(PTFE)进行改性的方法

主要有两个方面:一方面通过碱金属溶液、辉光放电以及等离子体对聚四氟乙烯(PTFE)材料表面进行改性处理;另一方面通过向聚四氟乙烯(PTFE)内填充纤维、无机粉末和有机高分子填料完成改性。这些填料的加入,除了提高了聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性以外,还可以提高其硬度和刚度使制品具有良好的抗蠕变性和尺寸稳定性[12]。

2.2 对聚四氟乙烯(PTFE)摩擦性能的研究

张招柱等人[13]采用3种金属氧化物对聚四氟乙烯(PTFE)进行改性,实验发现,添加Pb3O4使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数略有增大,而添加Pb3O4或Cu2O都能使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数有所减小,其中以Pb3O4的减摩效果较好。这3种材料在负荷低于300N时,摩擦系数始终随负荷的增大而减小。3种填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的耐磨性都远比纯PTFE的好,均随负荷的增大而增大,其中以Pb3O4的减磨效果最好。

文献[14]还研究了Cu, Pb及Ni 3种不同金属颗粒对PTFE 进行改性的影响,发现Ni增大了复合材料的摩擦系数,而Cu 及Pb则降低了复合材料的摩擦系数,但摩擦系数减小的幅度不是很大。金属填料大大改善了复合材料的耐磨性,使其磨损量比纯PTFE材料降低了1-2个数量级,其中:Cu的减磨效果最好,Ni的效果次之,Pb的效果最差。

张招柱等人[15,16]用稀土化合物CeO2、CeF2和La2O3填

充PTFE复合材料,发现这些化合物能使PTFE的耐磨性显着提高。

杨文光等人[17]以碳纤维增强 PTFE制成自润滑轴承,这种轴承自润滑性好、耐磨性高而且具有优良的防污染性和防腐蚀性,能把灰尘、金属等微粒包容于PTFE的界面以下,减少了对摩擦副之间的磨损。

文献[18]对碳纤维、玻璃纤维及钛酸钾K2Ti6O13晶须增强PTFE复合材料在干摩擦条件下与GCr15轴承钢对磨时的磨损性能进行了研究,发现玻璃纤维的减磨效果最好,K2 Ti6O13晶须的减磨效果最差。

杨生荣等人[19]用金属纤维FST和FCu对PTFE进行改性,结果如下:2种纤维增强对摩擦系数的影响都不大,往复次数增多,PTFE + 30 %FST复合材料的摩擦系数有所上升,PTFE +30 %FCu复合材料的摩擦系数略有下降。

黄丽等人[20]研究了碳纤维不同混合方式对PTFE复合材料性能可产生重要影响,研究发现,从力学性能上看,气流混合试样的冲击强度比机械混合试样提高了13%,两者硬度差别不大,但气流混合试样的磨耗量也增加了39%。另外,还考察了碳纤维长度的不同对摩擦系数的影响,随着碳纤维长度的增大,PTFE复合材料的摩擦系数增加。这主要是由于随碳纤维长度的增加,在机械混合的过程中,纤维容易形成絮团吸附物,因而在压制的过程中,就会使得制品表面的坑洼程度