Al_2O_3纤维填充PTFE复合材料摩擦磨损性能分析

　　聚四氟乙烯（PTFE）具有优良的减摩性及自润滑性，但其耐磨性较差，近年来人们对PTFE的改性进行了很多研究1―'发现在PTFE中加入石墨、玻璃纤维、青铜粉及碳纤维等，可以显著提高其强度、硬度及耐磨性。已有研究表明，硬质Al23粒子可以较好地改善PTFE的耐磨性及耐高温性对Al23纤维改性金属材料的耐磨性已进行过研究。Al23纤维与Al23粒子相比性能更佳，预计教授，博士生。

　　导师：王耀华教授其改性PTFE将有更好的效果，目前Al23纤维改性PTFE以及其复合材料的摩擦学性能研究未见报导。本工作研究了粉状Al23纤维填充PTFE复合材料的摩擦磨损特性，考察了含量和载荷对Al23纤维填充PTFE复合材料性能的影响，利用扫描电子显微镜探讨了复合材料的磨损机理。

　　2试验材料及方法2.1试验材料所用PTFE为济南化工厂生产，平均粒度50Mm，粉状Ah3纤维平均直径为15~201，长度<100m.试验材料的制备是将Al23按质量分数（下同）5%、10%、15%、20%、30%加入到，丁卩瓦中，按下述工艺制成不同Al23纤维含量的PTFE复合材料试样：PTFE+Al23纤维粉※机械搅拌混匀―冷压成型―烧结成型―毛坯制品―锯割―打磨―试样。

　　2.2摩擦磨损性能评价摩擦磨损试验采用M-2000型摩擦磨损试验机，在转速为200r/min的干摩擦条件下，测定试样在不同载荷作用下的磨损质量损失（用万分之一的光电分析天平称出）及摩擦系数。摩擦偶件为45号钢环，其表面粗糙度0.08~0.12Pm.硬度测量用布氏硬度计，载荷62.5N，加载时间60s. 3试验结果与讨论3.1AI2O3纤维含量及载荷对PTFE复合材料磨损性能的影响为Al23纤维填充PTFE和纯PTFE在不同载荷下的磨损质量损失。可见，两种材料的磨损质量损失均随载荷的增加而加大，PTFE的磨损质量损失增加较快，而填充PTFE复合材料的磨损质量损失增加较为平缓，且远比纯PTFE小。表明AI2O3纤维可提高PTFE的耐磨性。PTFE磨损的本质是其在外力的作用下，大分子链发生滑移或断裂，从而使材料被拉出结晶区并形成片状转移到对偶件表面，造成粘着磨损，不象在纯PTFE中那样容易解脱，因而耐磨性明显提高。

　　合材料的磨损量最小，在5%时复合材料的磨损量较大，也就是说，合适含量的Al23纤维有利于提高PTFE复合材料的耐磨性，并不是Al23纤维填料的含量越高，耐磨性就越好。在本试验条件下，Al23纤维含量为20%时，材料的耐磨性最好。且随着载荷的增大，其磨损质量损失增加很小。其原因可能是Al23纤维含量较少时，它不能有效地提高基体的硬度和剪切强度，起不到支承载荷的作用。

　　表1可见，Al23纤维的加入，可提高PTFE复合材料的硬度，当Al23纤维含量为20%，其硬度提高较多，所以这时材料的耐磨性也较好。但如果含量太高，虽然也能提高复合材料的硬度和强度，使材料的承载能力加强，但会导致磨粒磨损，因而使材料的磨损量又增大。由于Al23纤维填充PTFE在磨损过程中不可避免地发生Al23纤维脱落，形成磨粒磨损，而且Al23纤维含量越高，微粒脱落越多，磨粒磨损就越大，且载荷增加，磨粒磨损加大。在试验中可以清楚地观察到，Al23纤维含量较低试样的对磨偶件表面有一层转移膜，而含量较高没有转移膜，这可能是磨粒磨损是否作用的缘故。

　　表1不同含量Al23纤维填充PTFE复合材料的硬度Table质量分数，布氏硬度/N°mm2在试验中可见，纯PTFE的磨屑呈碎片状，而填充Al23纤维后PTFE的磨屑呈细粒状，这可能是磨损方式发生变化所致。由于Al23纤维的加入导致PTFE复合材料产生较为严重的塑性变形，从而使其磨损及磨屑特征明显不同于纯PTFE.这同Tanaka等的研究结果相似，他们认为填料可破坏PTFE的带状结构而生成细小粒状磨屑，同时填料的加入降低了磨损。

　　是不同含量的纤维填充PTFE后试样磨不同AhOs含量的PTFE磨损表面的SEM形貌600X损表面形貌的SEM形貌。可见含5%Al23试样的磨损表面磨痕较为光滑，其磨损机理主要为粘着磨损，随载荷增大，试样表面出现裂纹和脱落，即Al23纤维含量较小的PTFE试样在载荷加大时会出现疲劳磨损，而含量为20%和30%的试样在载荷较大时都有不同程度的犁沟，AI2O3含量在20%时犁沟较轻微，含量在30%时犁沟最严重。说明AI2O3纤维含量增大时会导致磨粒磨损，且Al23纤维含量越大，磨粒磨损就越严重，载荷加大时这种现象更为突出。因此，只有在基体中加入适量的Al23纤维，才能使PTFE的硬度和强度有所增加，又不会导致严重的磨粒磨损，从而提高PTFE的耐磨性。在本试验条件下，Al23纤维的最佳含量为3.2Al23纤维含量及载荷对PTFE复合材料摩擦性能的影响为不同载荷下AI2O3含量对PTFE复合材料摩擦系数的影响。可见，在Al23纤维含量较低时，摩擦系数随着载荷的增加有所减小，而在AI2O3纤维含量较高时，PTFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增加有所增加。总之，AI2O3填充PTFE复合材料的摩擦系数比不填充PTFE的略高，且填充PTFE复合材料的摩擦系数随填料含量的增加而有所增大。

　　不同载荷下Al2O3含量对填充PTFE的摩擦系数的影响PTFE复合材料是粘弹性聚合物，在外力作用下发生粘弹性变形，其摩擦系数的变化服从关系式Kpf1（K为常数，P为载荷，n为系数，取值2/3~1）。从公式可见，PTFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增大而减小；当载荷增大到一定值时，由于摩擦表面温度升高，材料的强度降低，承载能力下降，摩擦系数又会有所增大。而Al2O3含量较高的PTFE复合材料在较高载荷下，填料Al2O3纤维可被拉拔脱离PTFE基体f表明磨损表面有纤维拔出现象Al2O3短纤维拔出后会形成磨粒，AI2O3纤维含量越高，磨损时在表面上形成的磨粒越多，从而会加剧磨粒磨损，导致摩擦系数增大。

　　4结论Al23纤维填料可提高PTFE的耐磨性，但当复合材料中Al23含量较高时会导致磨粒磨损，且含量越高磨粒磨损越严重。在本试验条件下，当AI2O3的质量分数为20%左右时，PTFE复合材料的耐磨性最佳。

　　Al23纤维填充PTFE复合材料的摩擦系数较纯PTFE的摩擦系数大，且随填料含量的增加，PTFE复合材料的摩擦系数有所增大。