填充材料对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学特性的影响

#专题综述!填充材料对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学特性的影响陈　刚,焦明华,解　挺,俞建卫(合肥工业大学　摩擦学研究所,合肥　230009)摘要:聚四氟乙烯基复合材料是重要的自润滑材料,应用广泛。

根据填充材料的类别不同对聚四氟乙烯基复合材料进行了合理地分类,并阐述了不同填料对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学特性的影响,分析和比较了不同填料的减摩抗磨机理,对于聚四氟乙烯基复合材料的科学研究和工程应用具有一定的借鉴和指导意义。

关键词:聚四氟乙烯;复合材料;填充材料;摩擦;磨损中图分类号:T H133.31;T Q325.4;T Q327 文献标志码:B 文章编号:1000-3762(2007)10-0042-04Effects of F illers on the Tr i bolog i ca l Properti es ofPolytetrafluoroethylene Ba sed Co m positesCHEN Gang,J I A O M ing-hua,X I E Ting,Y U J ian-wei(I nstitute of Tribol ogy,Hefei University of Technol ohy,Hefei230009,China)Abstract:The polytetrafluor oethylene(PTFE)based composites,as significant self2lubricating materials,have been widely used,and they are one of the hottest research fields in poly mer composites.I n this paper,the PTFE based com2 posites were classified reas onably int o several types according t o the s orts of fillers.The effects of different fillers on the tribol ogical p r operties of PTFE composites were syste matically p resented,mean while,the anti2fricti on and anti2wear mechanis m s of different fillers were als o analyzed and compared in detail,which are good references and of great guid2 ance significance for the reseach and engineering app licati on of PTFE composites.Key words:Polytetrafluor oethylene;composite;filler;fricti on;wear 聚四氟乙烯(polytetrafluor oethylene,简称PTFE)是一种性能卓越的工程塑料,在摩擦学材料领域是应用最为广泛的高分子材料之一。

PTFE 可在-200～260℃的范围内长期连续使用,并拥有良好的化学稳定性和自润滑性。

然而,PTFE同时也存在着尺寸稳定性差、热导率低、耐磨损性差、硬度低等缺点[1],因此极大限制了纯PTFE的摩擦学适用范围。

为拓展其应用领域,通常需对PTFE进行改性,填充PTFE基复合材料既可大大克服上述缺点,又可降低成本。

PTFE基复合材料中各种填料的作用一直是最为关注的研究内容,尽管已有多篇报道[2-3],但系统阐述摩擦学作用机理的尚不多见,鉴于此,本收稿日期:2007-04-25;修回日期:2007-06-05作者简介:陈　刚(1978-),男,硕士研究生,主要研究方向为自润滑复合材料及摩擦学等。

E2mail:ting_xie@。

文系统归纳了不同填料对PTFE基复合材料摩擦学特性的影响,同时还细致分析和比较了不同填料的减摩抗磨机理。

1　填充材料的分类PTFE基复合材料中用于改性的填充材料十分丰富,按其不同的属性可作如下分类。

(1)按填充材料的属性划分,可分为:金属填料、无机非金属填料以及有机(聚合物)填料等。

(2)按填充材料的形态可分为:颗粒填料和纤维填料。

(3)按填料的填充方式可分为:单一填料、多种填料。

2　填充材料对PTFE基复合材料摩擦学特性的影响2.1　金属填料的影响由于金属具有力学强度高、线胀系数小及导I SS N1000-3762 C N41-1148/T H 轴承　2007年10期Bearing2007,No.10 42-45热性能优异等优点,所以利用金属和PTFE各自的优点,开发了金属填充PTFE复合材料,并在实际中得到广泛应用(如密封圈、轴承套等)。

2.1.1　铅、锡、锌、银软金属是一类很好的固体润滑剂,在PTFE基复合材料中,常用的此类填料有铅、锡、锌等,它们有两种功效:一是起到固体润滑效果,二是提高材料的导热性,从而改善材料的摩擦学特性。

研究表明[4],铅(Pb)可降低PTFE基复合材料的摩擦系数,但减小幅度不大。

Pb可使复合材料的磨损量比纯PTFE降低了大约1个数量级。

磨屑分析可知,Pb在很大程度上抑制了PTFE的带状结构的大面积破坏,增强了转移膜与对偶表面间的黏附力,促进了在对偶面形成连续且均匀的转移膜,从而降低了磨损。

锡(Sn)也能降低复合材料的摩擦系数,填充锡的PTFE晶状结构性得到提高,观察结果表明,填充Sn的PTFE基复合材料的转移膜要比其他复合材料的转移膜厚[5]。

化学分析可知,填充锌(Zn)的PTFE基复合材料,在摩擦过程中Zn和PTFE发生化学反应形成了Zn的氟化物,它提高了转移层之间的结合力,抑制了转移层从对偶面或摩擦区的剥离,从而大大降低了复合材料的磨损[5]。

银(Ag)对复合材料的摩擦系数几乎没有什么影响,但能大幅度降低复合材料的磨损率[5]。

由于成本等因素,银主要用于航空航天领域。

2.1.2　铜及合金、铁及钢、镍、铝铜及合金、铁、钢的抗磨能力比某些软金属填料(如铅、锡、银等)的要好,铜和铁填料可大幅度降低PTFE的磨损率。

铜(Cu)的加入有效地提高了PTFE基复合材料基体强度,大大增加了其承载能力,促进了在对偶表面形成转移膜,降低了摩擦系数,提高了复合材料的耐磨性。

对Cu纤维增强PTFE复合材料的磨损观察表明[6],摩擦后纤维突出于摩擦表面,由于铜纤维良好的导热性,没发现PTFE受摩擦热引起的“熔融”现象,说明纤维支承载荷是其降低磨损的主要机理。

填充铁(Fe)会增大复合材料的摩擦系数,但可阻止PTFE的带状结构的大面积破坏,减小磨损[5]。

相同条件下,钢纤维的增强效果比铜纤维的好,增强纤维支承载荷、抑制磨损表面龟裂是其改善抗磨性的主要机理,但摩擦系数略有上升[7]。

填充镍(N i)的PTFE磨损量大约是Fe填充情况的1/3,两者的摩擦系数相当且略低;与纯PTFE 相比,磨损量大约降低3个数量级,但摩擦系数只略微增加[5]。

铝(A l)的添加可提高PTFE的结晶度。

与纯PTFE相比,可降低磨损约1个数量级,但摩擦系数大幅度提高。

在所有金属填料中,A l使摩擦系数提高得最多[5]。

2.1.3　钼、钨钼(Mo)能够使PTFE的磨损率降低约3个数量级,而摩擦系数与纯PTFE相差无几,保持了很好的减摩特性。

其基本原理仍是大大增强了基体的剪切强度,提高了承载能力;此外,有效阻止了复合材料的带状结构的大面积破坏,从而减小磨损[5]。

钨(W)的添加可降低复合材料的摩擦系数,同时可降低复合材料的磨损约2个数量级[5]。

机理与Mo类似。

2.2　无机非金属填料的影响无机非金属材料可增加复合材料的强度,提高其承载能力,同时可适当改善其导热性能,从而提高复合材料的耐蠕变性,阻止摩擦过程中大面积的带状磨屑产生,减少磨损。

2.2.1　石墨(碳)及硫化物石墨和硫化物都具有层片状结构,在外加剪切应力的作用下,容易沿层间滑移而产生润滑作用,这是该类材料的最大特点。

石墨(Gr)填充PTFE改进了其尺寸稳定性和导热性,Gr的填充量在一定的范围内,材料的磨损量随填充量的增加而减少。

添加Gr降低了PTFE 的摩擦系数。

碳(C)填充PTFE在一定条件下能降低摩擦系数,并大幅度减小磨损量,但发现形成的转移膜不太连续[8]。

而碳纤维(CF)填充大大提高了PTFE复合材料的承载能力和耐磨性,但增大了摩擦系数[9-10]。

若用偶联剂对CF进行表面改性,再复合到PTFE中可明显改善复合材料的耐磨性[11]。

碳纳米管(CNT)填充PTFE极大提高了复合材料的耐磨性,同时降低了摩擦系数[12]。

分析认为,主要原因是由于CNT具有超强的力学性能和很大的长径比。

关于二硫化钼(MoS2)填充PTFE的研究较多[13-14]。

结果表明,MoS2的加入可提高PTFE的刚性、硬度、耐蠕变性。

当MoS2的填充量在一定范围内时,材料的磨损量随填充量的增加而减少,但是・34・陈　刚等:填充材料对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学特性的影响未能改变大片状的磨屑形成和有效降低摩擦系数。

而添加其他硫化物如CuS、PbS都增大了PTFE的摩擦系数,但仍可使PTFE磨损量降低约2个数量级[14]。

2.2.2　氧化物一般氧化物填充PTFE不仅能起到承载、减小变形的作用,而且还可以改善转移膜的附着强度,从而减小摩擦并能大幅度地降低磨损。

氧化铅(Pb3O4、PbO)填充PTFE的结果表明[15],Pb3O4、Pb O填充到PTFE中既增强承载能力,又促进了转移膜的形成,还阻止了PTFE带状结构的大面积破坏,改变了磨屑的形成机理,从而可大幅度降低复合材料的磨损。

氧化亚铜(Cu2O)填充PTFE可以略降低其摩擦系数,抗磨机理与氧化铅相似。

但在载荷大于300N时由于摩擦表面产生裂纹导致摩擦系数急剧增大[15]。

氧化硅(Si O2)的加入能提高PTFE的硬度和耐磨性能,而摩擦系数则有所增大,磨损降低约3个数量级,是最好的填充材料[5]。

玻璃纤维(GF)填充PTFE可改善其力学性能,但增大了材料的摩擦系数,这是由于复合材料在正压力的作用下,部分磨损脱落而富集在磨损表面的GF不能重新嵌入基体中,又不具备自润滑作用的缘故[4]。

抗磨机理与氧化铅相似,可降低2个数量级[16]。

氧化铝(A l2O3)纤维填充PTFE可以提高其硬度,降低复合材料的磨损,但会增大摩擦系数[17]。

纳米A l2O3填料可提高PTFE复合材料的耐磨性,但随着含量的增大,会使复合材料从韧性材料向脆性材料转化。