玻纖復(fù)合材料在油潤滑下的摩擦學(xué)性能

1955年，英國格氏金屬公司研究了“du”材料，該材料由三層組成，用改性的青銅-石墨烯-鋼后裝飾成自潤滑動材料。近年來，中國科學(xué)家通過改變ptf材料的組件，開發(fā)出了性能較好的du類材料，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、化工、食品等行業(yè)的設(shè)備中。然而，由于低摩擦磨損性能，改性的ptf表面影響零件的尺寸穩(wěn)定性，整體零件的損壞。用ptf建筑材料填充纖維可以提高機(jī)械工程、耐候性和尺寸穩(wěn)定性。通常，硅烷偶聯(lián)劑可用于表面處理纖維，提高和聚合物體的結(jié)合強(qiáng)度，提高建筑材料的機(jī)械工程。然而，用這種傳統(tǒng)方法處理的纖維并不夠，使纖維和ptf體之間的結(jié)合力得到良好的達(dá)到，這使得建筑材料的摩擦磨損性能受到影響。因此，我們使用稀土對纖維進(jìn)行表面處理，提高纖維與ptf體的結(jié)合力，提高建筑材料的抗磨性。1實(shí)驗(yàn)部分1.1微粉、立吸劑和稀土表面處理劑試驗(yàn)所用原料包括上海氯堿化工總廠生產(chǎn)的SM021-F型PTFE微粉、南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的直徑小于10μm的玻璃纖維(GF)及南京曙光化工總廠生產(chǎn)的SG-Si900型偶聯(lián)劑.稀土表面處理劑由實(shí)驗(yàn)室自制.1.2纖維原料的填充選用代號分別為A——未經(jīng)處理、B——經(jīng)偶聯(lián)劑處理、C——經(jīng)偶聯(lián)劑與稀土復(fù)合處理和D——經(jīng)稀土處理的4種玻璃纖維.在材料SF-1配方的基礎(chǔ)上按一定比例分別填充A、B、C和D等4種玻璃纖維,按照PTFE-多孔青銅-鋼背三層復(fù)合材料的制備工藝制作4種軸承,其編號分別為:B1、B2、B3和B4.所制備的4種軸承樣品尺寸為長20.00mm,內(nèi)徑35.05mm,外徑39.00mm.1.3摩擦學(xué)性能測試在MPV-20型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上,采用一定速度下逐級加載的方法(第一次加載1700N,以后每隔10min加一級載荷,每級1300N)考察了4種PTFE復(fù)合材料軸承在30#機(jī)械油滴油潤滑條件下的摩擦學(xué)性能,并參照國標(biāo)GB7984-87評價(jià)了其極限pv值.當(dāng)采用熱電偶測得的摩擦表面溫度高于130℃時(shí)終止試驗(yàn),用最終一級載荷計(jì)算極限pv值,并記錄試驗(yàn)時(shí)間.通過測量摩擦力矩確定摩擦系數(shù),并由MPV-20型試驗(yàn)機(jī)自動記錄.采用千分尺(精度為0.001mm)測出軸承磨痕深度,用磨痕深度除以試驗(yàn)時(shí)間得到磨損率.選用45#鋼和35#鋼電鍍鉻兩種對摩偶件:前者表面硬度為48～53HRC,表面粗糙度Ra=0.8μm;后者表面顯微硬度為750～800HV,表面粗糙度Ra=0.8μm.2復(fù)合膠凝劑對ptfe復(fù)合材料具有耐磨性圖1示出了4種PTFE復(fù)合材料軸承在滴油潤滑條件下分別與45#鋼和鍍鉻鋼對摩時(shí)的摩擦系數(shù)隨載荷變化的情況.可以看出:在30#機(jī)械油潤滑條件下,4種PTFE復(fù)合材料軸承的摩擦系數(shù)都隨著徑向載荷的增大而減小,最小摩擦系數(shù)低于0.002,這與張招柱等的研究結(jié)果基本一致.對摩件材質(zhì)和滑動速度對摩擦系數(shù)隨載荷變化的趨勢無影響.由圖1還可以看出,在相同試驗(yàn)條件下,經(jīng)稀土處理玻璃纖維填充的軸承(B4)在初始加載時(shí)的摩擦系數(shù)較大,隨后摩擦系數(shù)變化平穩(wěn)并達(dá)到最小值;而未經(jīng)處理玻璃纖維填充的軸承(B1)摩擦系數(shù)隨負(fù)荷變化的波動最大,摩擦性能最差.表1列出了4種PTFE復(fù)合材料軸承與45#鋼和鍍鉻鋼對摩時(shí)的磨損率.可以看出:在給定的試驗(yàn)條件下,稀土處理玻璃纖維填充軸承(B4)的磨損率比其它3種軸承的小,耐磨性比B1軸承提高了1～3倍,比B2軸承提高了60%;在30#機(jī)械油潤滑條件下,4種PTFE復(fù)合材料軸承耐磨性的優(yōu)劣順序?yàn)?B4>B3>B2>B1.表2列出了4種PTFE復(fù)合材料軸承分別與45#鋼和鍍鉻鋼對摩時(shí)的極限pv值.可以看出:在2種配副條件下,B4軸承的極限pv值最高,分別比B1軸承的提高了126%和149%,比B2軸承的提高了61%和92%,比B3軸承的也略有提高.綜合圖1與表(2和3)可知,在油潤滑條件下,表面處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比未處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的低,耐磨性較優(yōu);其中稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料具有最低的摩擦系數(shù)及最高的耐磨性和極限pv值.圖(2和3)所示分別為4種PTFE復(fù)合材料軸承與45#鋼和鍍鉻鋼對摩的磨損表面形貌SEM照片.可見:在油潤滑條件下,與鍍鉻鋼對摩的4種PTFE復(fù)合材料軸承的磨損較為嚴(yán)重,這是由于與鍍鉻鋼對摩時(shí)的極限負(fù)荷較高且偶件材質(zhì)的影響使得PTFE復(fù)合材料耐磨性變差,這與文獻(xiàn)報(bào)道相一致.另外,從圖(2和3)還可看出:未經(jīng)處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料軸承(B1)磨損表面有大量片狀PTFE,呈現(xiàn)粘著和塑性變形特征[圖2(a)和圖3(a)],這是由于玻璃纖維與PTFE的界面結(jié)合力較弱,玻璃纖維難以起到增強(qiáng)作用,PTFE極易因偶件表面硬質(zhì)微突體的刮削作用而發(fā)生粘著轉(zhuǎn)移;偶聯(lián)劑處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料軸承(B2)磨損表面較粗糙,出現(xiàn)了PTFE拉絲現(xiàn)象,并可見從PTFE基體裸露和脫落出來的玻璃纖維[圖2(b)和圖3(b)],呈現(xiàn)出磨粒磨損特征,這是由于經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維與PTFE的界面結(jié)合未得到明顯改善,玻璃纖維在摩擦過程中可導(dǎo)致復(fù)合材料表面擦傷;偶聯(lián)劑與稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料軸承(B3)的磨損表面存在明顯的犁溝和粘附的玻璃纖維顆粒[圖2(c)和圖3(c)],可以看出其磨損機(jī)理主要是磨粒磨損;稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料軸承的(B4)磨損表面較光滑,有少量小薄片狀PTFE且磨痕極淺[圖2(d)和圖3(d)],主要表現(xiàn)為粘著磨損和輕微磨粒磨損特征,這是因?yàn)榇藭r(shí)玻璃纖維與聚合物基體的結(jié)合較好,不易被拉拔和脫離聚合物基體.上述結(jié)果表明,玻璃纖維經(jīng)稀土表面處理后,其與PTFE基體之間的界面結(jié)合力增強(qiáng),玻璃纖維不易從基體中脫落,且分布在摩擦表面的玻璃纖維可阻止PTFE形成片狀磨屑,從而抑制PTFE的過量轉(zhuǎn)移和磨失,提高復(fù)合材料承受載荷及抗塑性變形能力以及摩擦磨損性能.從以上分析可知,在油潤滑條件下,未經(jīng)處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的磨損形式主要為粘著轉(zhuǎn)移,偶聯(lián)劑處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料和偶聯(lián)劑與稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的磨損機(jī)制相同,均以磨粒磨損為主,而稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的磨損機(jī)理主要為粘著磨損和輕微磨粒磨損.3該處理的磨損機(jī)理a.在油潤滑條件下,表面處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比未處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料的低,耐磨性亦較優(yōu);而稀土處理玻璃纖維填充PTFE復(fù)合材料具有最低的摩擦系數(shù)及最高的耐磨性和極限p