pfe固體潤滑材料的組織結構及性能研究

材料的摩擦磨損是一個復雜的動態過程，包括摩擦磨損系統的外部因素和材料的內部因素。外部因素是指載荷、滑動速度和時間、環境溫度、介質等;內部因素主要是指材料的成分、組織結構和組分的物理化學性能及力學性能等。研究發現不論是外部條件,還是內部因素均是影響固體潤滑劑摩擦磨損性能的重要因素。各國在發展固體潤滑材料時對固體潤滑劑的純度和粒度都比較重視,以作為固體潤滑劑的石墨粉為例,各國均有明確的純度(石墨碳含量)指標,日本有規格JISM8601、工業分析和試驗方法JISM8511等;美國有聯邦規格FederalSS-G659和軍用規格MIL-G-6711等。而我國對作為固體潤滑劑的石墨粉的規格中尚未見到純度的指標。顏志光等指出:必須對粉末潤滑劑進行純度、水分、揮發分、灰分、水溶物含量、酸堿度、粒度、密度、潤滑性等項目的測試。本文作者采用X-射線衍射儀、掃描電鏡、差熱和失重分析儀等先進的性能測試及表征技術對聚四氟乙烯(PTFE)基固體潤滑劑材料的物相組成、純度、吸水性、顆粒尺寸及形貌、熱穩定性、硬度和抗壓強度等內部因素進行了分析及表征,對指導配方的試驗設計、工藝參數的控制、摩擦磨損試驗條件的確定等具有理論及現實意義。1實驗部分1.1吸水率的測定將PTFE、MoS2、石墨、碳纖維、銅粉、配方6000#及4530#固體潤滑劑等樣品,分別在烘箱中干燥(120℃、48h),放置一定時間后,用分析天平稱取試樣的質量,比較各種材料及配方的吸水率。1.2物相法測定mos2、石墨、碳纖維、銅粉等雜質的含量采用X-射線衍射儀(日本RIGAKU公司生產,型號:D/MAX-111A)分別對MoS2、石墨、碳纖維、銅粉進行物相測定,分析各原材料的主要成分及所含雜質種類、比例等。1.3表面形貌觀察采用掃描電鏡(SX-40日本AKASHISEISAKUSHOLTD.)觀察PTFE、MoS2、石墨、碳纖維、銅粉等原料顆粒表面形貌、粒徑大小、分布等。1.4dsc-tg測試采用差示掃描量熱法與熱重法(NETZSCHSTA449C型差熱和失重分析儀)對純PTFE、固體潤滑劑復合材料進行DSC-TG測定。分析純PTFE的降解和氧化化學反應及添加劑的加入對PTFE降解和氧化性能的影響。1.5材料的硬度測量采用大型偏光顯微鏡(萊茨ORTHOPLAN)觀察顯微組織結構,測定樣品的顯微硬度(HV),比較無機填料的加入對PTFE硬度的影響。1.6材料的抗壓強度采用MTS-810材料試驗機測定樣品的抗壓強度,比較無機填料的加入對PTFE抗壓強度的影響。2試驗結果及分析2.1固體潤滑的吸水率從表1數據可知:石墨的吸水率最大,且隨著時間的延長而逐漸加大,33天后仍有較大的吸水率(8.58%);碳纖維吸水率第二,但吸水率很快達到平衡,然后基本保持不變(4.28%～4.66%);MoS2吸水率第三,4天左右就達到平衡,且變動幅度不大(1.06%～1.40%);PTFE的吸水率較小(0～0.014%);銅粉基本不吸水(0.00095%～0.0077%)。6000#配方中含有60份石墨、20份碳纖維、100份PTFE,吸水率比石墨低,與碳纖維相近,隨著時間的延長,吸水率稍有增大,明顯受石墨吸水率的影響。3045#配方中含有30份石墨、20份碳纖維、100份PTFE、45份銅粉,故壓制燒結后的固體潤滑劑的吸水率較低(0.66%～1.47%);且隨著時間的延長,吸水率稍有增大,受石墨吸水率的影響較6000#的小。2.2銅粉質量指標圖1～4為各種原材料的X射線衍射圖。由圖1可知:碳纖維有兩個碳峰,在26°處有較大、較強的重疊峰,因碳纖維生產時經燒結、結晶、取向等影響峰值,故為參考值;44°處有一個很弱的雜質峰。由圖2可知:銅粉在43°及50°處有兩個強度很大的金屬銅峰;在38.5°處還有一個較小的CuO峰;在31.5°及37.5°處有兩個鉛峰;52.5°處有一個很小的雜質峰。說明原料銅粉是銅-鉛合金,銅和鉛的比例約為3.4∶1;CuO峰的出現是由于原材料須在350℃下燒結處理,表面生成少量氧化銅所致。由圖3可知:石墨在27°處有一個較強的石墨峰,另在32°處有一個方解石峰;在45.5°處有一個較弱的雜質峰。由圖4可知:二硫化鉬(MoS2)有7個MoS2峰,分別在14.5°、33°、40°、44°、50°、56°、68.5°處;另在27°、21°和54.5°處有3個碳峰;36°處有一個輝鉬礦峰;在29°和33.5°處還有2個雜質峰。說明二硫化鉬物相中雜質品種及含量較多,純度較低。2.3顆粒形狀及尺寸從圖5可知,石墨顆粒大小不是很均勻,尺寸一般在1～30μm范圍內,但也有個別超過50μm,顆粒橫截面呈明顯的磷片狀結構。從圖6可知,銅粉顆粒尺寸一般在5～30μm范圍內,大部分小于20μm,少數在20～50μm范圍內。一般呈圓形或橢圓形結構,且大部分顆粒表面有疏松粗糙的外層。從圖7可知,碳纖維直徑較均勻,為7～9μm;而長度尺寸不均勻,在20～50μm之間,也有少數超過100μm,表面較為光滑。由圖8可知,PTFE呈棉絮狀或團狀結構,尺寸為5～20μm。由圖9可知二硫化鉬尺寸在20μm內,但也有極少數在20～40μm范圍內的,總體顆粒尺寸較均勻;橫截面層片狀結構沒有石墨的明顯。2.4反應物表面活性劑的穩定性純PTFE及PTFE基復合材料的DSC-TG-DTG曲線如圖10、11所示。由圖10可知:343.8℃出現熔融峰(吸熱);437.6℃出現一小放熱峰,有失重(0.31%);475℃左右出現一小放熱峰,開始失重,到約499℃失重1.56%。由圖11可知:約150℃時失重3.19%,說明水份比較多;400℃左右又失重0.99%;490～500℃又失重24.3%,說明分解較厲害,比純PTFE失重多(24.3%-1.56%=22.74%),說明混合物中其它組份也有水份及分解反應。433.4℃出現放熱峰,伴隨著失重,說明有氧化分解。比較圖10和圖11試驗結果可知:在PTFE中加入無機填料會影響其熱性能,使復合材料吸水率提高,熔融溫度及分解溫度均降低,且伴有氧化分解,說明混合物中其它組份也有分解。2.5填料硬度檢測由表2可知:純PTFE的顯微硬度最低,6060#加入填料共140份,其硬度最高;PTFE基復合材料的表面硬度基本是隨著填料加入量的增加而增加的。2.6填料的抗壓強度由表3數據可知:純PTFE的抗壓強度最低,4530#、3030#、6015#、3060#所加入的填料量相近,即分別加入填料75、60、75、90份,其抗壓強度也相近,比純PTFE的提高近1倍;6060#中加入填料120份,其抗壓強度比純PTFE的高,但低于4530#、3030#、6015#、3060#的抗壓強度。說明在PTFE樹脂中加入無機填料均可明顯提高其抗壓強度,但并不是加入量越多,抗壓強度提高越明顯。3復合基復合材料(1)原料石墨中含有少量方解石,二硫化鉬中含有較多量的碳及少量輝鉬礦等雜質,銅粉主要成分是Cu-Pb合金,另含有少量的CuO及少量其它雜質,碳纖維中含有少量方解石。通過嚴格控制原材料的純度,可改善固體潤滑劑的摩擦磨損性能。(2)聚四氟乙烯呈團絮狀,石墨及二硫化鉬呈磷片狀,銅粉基本呈球狀,表面有一層疏松層,四者的顆粒尺寸基本保持在30μm內;碳纖維呈棒狀結構,直徑較均勻,基本保持在8～10μm,但長度不均勻,短的約20μm,長的超過100μm。(3)石墨的吸水率最大,且隨著時間的延長而不斷增加;碳纖維的吸水率第二,但基本保持定值;二硫化鉬吸水率第三,也基