不同纳米材料与石墨混合填充PTFE复合材料摩擦磨

　　不同纳米材料与石墨混合填充PTFE复合材料摩擦磨损性能何春霞（南京农业大学工学院，南京210031）Ti2AI2O3与石墨混合填充PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响，采用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌及磨损机理。结果表明，纳米材料及其与石墨混合都可以不同程度地提高PTFE的耐磨性，而它们对PTFE耐磨性的提高程度各不相同，其中以纳米SiO2石墨填充PTFE复合材料的磨损质量损失最小，纳米AI2O3石墨填充PTFE复合材料的磨损质量损失较大；填充PTFE复合材料同钢对磨时的摩擦系数表现出不同的性能，纳米SiO2石墨填充PTFE的摩擦系数与纯PTFE相差不大收穑日期：2001-10-18；收修改穑日期：2⑴2~07~08聚四氟乙烯（PTFE）有优良的耐热性耐腐蚀性和良好的电绝缘性能，是一种重要的用于滑动摩擦零件的复合材料基体。但由于纯PTFE的硬度低，耐磨性差，近几十年来人们对PTFE的改性进行了很多研究，发现在PTFE中加入石墨MoS2铜粉、玻纤碳纤维等，可以显著提高其强度、硬度及耐磨性等许多研究表明，混合填充材料往往比单一填充材料对PTFE的摩擦磨损性能的提高更好。石墨是良好的固体润滑材料，在PTFE中填充石墨可进一步改善其摩擦学性能，石墨填充的PTFE在工程上应用已较为广泛纳米材料是近年发展起来的具有优异性能的新材料，由于纳米材料具有良好的塑性及韧性，其强度和硬度比普通粗晶材料高4-5倍。目前用纳米材料对聚合物进行改性的研究倍受人们关注，近几年来国内已有单位开展了这方面的工作笔者对saTiO2Al2O3三种不同纳米材料与石墨混合填充PTFE复合材料进行了摩擦磨损性能测试，分析比较了它们的摩擦学性能，并探讨了它们磨损机理。

　　所用的聚四氟乙烯为济南化工厂生产，平均粒度为50/m，石墨为锦州斌宏隆塑料有限公司生产，其粒度为1.5~30/m，三种纳米材料Si2TiChAl23由中国科学院泰兴纳米材料厂生产，其性能见表1试验材料在南京玻璃纤维研究设计院制备，将三种纳米材料分别按10%与5%石墨质量分数加入到PTFE中，按下述工艺制成不同纳米材料填充的PTFE复合材料试样：聚四氟乙烯+纳米材料石墨-机械搅拌混匀+模压成型+毛坯制品+锯f-打磨-试样材料成分粒径/nm比表面积/（m2.g-采用MM-200型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，转速为200r/min，条件为干摩擦滑动，偶件为45f钢环，其表面粗糙度Ra为0. 08~0.12/m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）及摩擦系数用SM6300型扫描电子显微镜（SEM）对纳米与石墨混合填充复合材料磨损表面的形貌进行观察分析，硬度测量用布氏硬度计，载荷62 5N，加载时间60s 2试验结果与讨论2.1磨损性能给出了三种纳米材料及其与石墨混合填充的PTFE和纯PTFE在不同载荷下的磨损质量损失。从可以看出，填充的PTFE复合材料磨损质量损失比纯PTFE要小得多，纳米材料及其与石墨混合填充的PTFE复合材料的耐磨性也比纯石墨混合填充的PTFE复合材料要好得多，说明纳米材料及其与石墨混合填充的PTFE复合材料有较高的耐磨性，它们可有效地提高PTFE的耐磨性能也说明单一石墨填充的PTFE对提高其耐磨性的效果不好，单一的纳米材料对PTFE也不如其与石墨混合填充的PTFE复合材料，可能是石墨不如纳米材料能起到有效支撑载荷的作用，而石墨起到了1994-2（14linacademicournalElectronic较好的润滑剂的作用，在摩擦过程中能形成转移膜从而能减少材料的磨损，使纳米材料及其与石墨混合填充的PTFE复合材料的有较好的耐磨性。从（b）可以看出，三种材料与石墨混合填充对PTFE耐磨性的影响也不相同，其中纳米SO2石墨纳米Ti2石墨两种材料对PTFE的耐磨性能提高较多，特别是纳米Si2石墨材料对提高PTFE的耐磨性非常有效，而纳米Al23石墨材料与纳米Si2石墨Ti2石墨材料相比，其提高PTFE的耐磨性相对较差些，从（a）中也可以看出，单一纳米SO2对提高PTFE的耐磨性非常有效，但试验中发现Si2/PTFE复合材料易发生开裂现象，其中的原因值得今后进一步探索。

　　从还可知，PTFE及三种纳米及其与石墨混合填充PTFE的磨损质量损失均随载荷的增加sh而力sePTAFE的磨损质量损失增加较快i而填充性变形程度与填充才料和载荷大小有关载蕴较小材料的性能要差ghtsreserved. PTFE复合材料的磨损质量损失增加较为平缓，且三种纳米材料石墨填充的复合材料远比纯PTFE小，表明纳米石墨填充材料可提高PTFE的耐磨性。PTFE磨损的本质在于其在外力的作用下，大分子链发生滑移或断裂，从而使材料被拉出结晶区并成片状地转移到偶件表面，造成粘着磨损由于PTFE的硬度和剪切强度比金属低，在与钢对磨时，磨损主要发生在PTFE本身。在PTFE中填充纳米石墨混合材料后，其硬度、抗压强度、弹性模量及抗蠕变性能都得到了提高，当其与金属表面接触时，填料起支承载荷作用，同时PTFE大分子受到填充物的牵连，不象在非填充PTFE中那样容易解脱，因而耐磨性明显提高是PTFE及其纳米石墨填充复合材料的硬度，从中可以看出，纳米材料及纳米石墨的填充能提高PTFE材料的硬度，PTFE复合材料的硬度的提高会使其耐磨性也相应提高纳米材料填充与其相应的纳米石墨混合填充PTFE复合材料的硬度相差不大，三种纳米石墨的填充材料中，纳米SO2-石墨材料对提高PTFE的硬度较多，所以其相应的耐磨性也就较好，而纳米A123石墨-PTFE复合材料较小，故其PTFE复合材料的硬度也较小，耐磨性也就较差，这也进一步说明纳米石墨混合填充材料是起了支承载荷的作甩PTFE及纳米材料及其与石墨填充PTFE复合材料的硬度是三种不同纳米材料与石墨填充PTFE试样在两种载荷下磨损表面形貌的SEM照片。可以看出，不同纳米石墨填充PTFE的试样的磨损表面几乎都有不同程度的犁沟和塑性变形，而犁沟和塑时（100N），犁沟和塑性变形较为轻微，且可看出磨痕与滑动方向一致，它们的磨伤划痕较为清晰；载荷增大，犁沟和塑性变形加重，特别是纳米Al23石墨材料填充PTFE，在载荷增大时，其试样表面的SEM照片中可见较大的犁沟，并出现表层剥落现象，表现出疲劳磨损的特征而纳米Si2石墨混合填充复合材料，在载荷增大时（250N），表面依然可见与低载相似的磨痕，说明这种材料在所加载荷范围内对载荷作用不很敏感，从前面中也可知，载荷加大时该种复合材料磨损量增加值很小，表现出较好的耐磨性从图中还可以看出，在三组填充材料中，纳米Si2石墨混合填充材料在磨损载荷的作用下，受犁切作用的塑性变形较小，于是纳米S2石墨混合填充PTFE复合材料表现出较好的耐磨性，说明纳米Si2石墨混合填充材料是提高PTFE耐磨性的有效材料之一。

　　2.2摩擦性能示出了PTFE及不同纳米材料石墨填充的PTFE复合材料摩擦系数随载荷的变化关系可以看出，不同的纳米石墨材料对PTFE复合材料的摩擦系数有不同的影响，不同纳米石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增加各有不同纳米SO2石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数与PTFE基本相同，且载荷增加摩擦系数略微减少，而纳米Ti2石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数比纯PTFE稍大，且随载荷的增大略微加大，纳米Al23石墨填充PTFE复合材料比纯PTFE小，其随着载荷关系较为复杂。总之，三种纳米材料石墨混合填充PTFE复合材料中纳米Al23石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数较小，纳米Ti2石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数较大，与前面磨损性能的对应关系可知，纳米Si2石墨填充PTFE复合材料的耐磨性能比纳米Afc3石墨填充PTFE复合材料要好得多，这说明SO2石墨填充混合填充材料对PTFE来说是一种较好的填充材料，其对PTFE的耐磨性能大幅度提高，且摩擦系数与纯PTFE基本相同。而纳米Al23石墨混合填充材料虽然能降低PTFE的摩擦系数，但对提高PTFE的耐磨性比Si2石墨及Ti2石墨填充PTFE复合不同纳米材料与石墨填充PTFE后磨损表面的SEM照片不同纳米材料填充PTFE的载荷与摩擦系数的关系3结论纳米石墨混合填料可提高PTFE的硬度及耐磨性，它们提高耐磨性的原因是由于填充材料起了支承载荷作用和石墨起了润滑剂的作用，在三种纳米石墨混合填充的PTFE复合材料中，以SiO2石墨填充的效果最佳，其对PTFE的耐磨性提高较多。

　　不同纳米石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数有所差别，纳米Si2石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数与PTFE基材目同，纳米Ti2石墨填充PTFE的摩擦系数比纯PTFE略徽曾大，而纳米Ali3石墨填充PTFE复合材料比纯PTFE小