碳纖維及石墨填充聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能研究

1、第22卷第5期Vol 122No 15材料科學與工程學報Journal of Materials Science &Engineering總第91期Oct .2004文章編號:10042793X (20040520705204收稿日期:2004201205;修訂日期:2004203201作者簡介:楊麗君(1980-,女,研實員,從事自潤滑復合材料研究。碳纖維及石墨填充聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能研究楊麗君,王齊華,寧麗萍,楊景鋒,趙普(中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室,甘肅蘭州730000【摘要】利用M 2200型環(huán)2塊摩擦磨損試驗機對石墨(G r.及碳纖維(CF

2、填充聚四氟乙烯(PTFE 復合材料的摩擦磨損性能進行了研究,探討了石墨及碳纖維的協(xié)同潤滑效應。認為碳纖維的加入大大提高了復合材料的承載能力,石墨的加入減小了碳纖維表面與對偶的摩擦系數(shù),從而降低了碳纖維的脫落趨勢,提高了復合材料的耐磨性。利用掃描電子顯微鏡(SE M 對PTFE 復合材料的摩擦面及對偶轉(zhuǎn)移膜進行了觀察。結(jié)果表明,本實驗中20%的石墨和10%碳纖維填充PTFE 復合材料的摩擦磨損性能最好,且在高載荷下的摩擦磨損性能尤為突出,具有一定的應用價值。【關鍵詞】石墨;碳纖維;高載;協(xié)同潤滑效應中圖分類號:T B332文獻標識碼:AStudy on the T ribological Pro

3、perties of C f 2G r.2PTFE CompositesYANG Li 2jun ,WANG Q i 2hua ,NING Li 2ping ,YANG Jing 2feng ,ZHAO Pu(State K ey Laboratory of Solid Lubrication ,Lanzhou I nstitute of Chemical Physics ,Chinese Academy of Science ,Lanzhou 730000,China【Abstract 】These composites were consisting of carbon fiber and

4、 graphite as the filling and PTFE as the matrix.The tribological pro 2perties of these composites under dry sliding were investigated on an M 2200friction and wear test rig.W orn surfaces and trans fer films of composites were observed with SE M.The effect of cooperative lubrication of graphite and

5、carbon fiber was discussed.The results show that hybrid fillers of carbon fiber and graphite considerably improve the wear resistance of the PTFE composites.Their carrying capacity and tribo 2logical capacity were excellent at high load.PTFE composite with 10%carbon fiber and 20%graphite content has

6、 best tribological capacity.【K ey w ords 】graphite ;carbon fiber ;high load ;effect of cooperative lubrication1引言聚四氟乙烯具有優(yōu)異的自潤滑性能及化學穩(wěn)定性,在聚四氟乙烯基體中添加填料以改善聚四氟乙烯的摩擦磨損性能是聚四氟乙烯復合材料研究的重點問題之一。以往的研究中所用的填料有金屬顆粒、金屬氧化物、金屬硫化物、陶瓷顆粒、石墨、纖維以及晶須等123,這些填料不同程度地改善了PTFE 復合材料的摩擦磨損性能。碳纖維具有高的比強度、比模量,且具有較好承載能力及耐磨性;石墨作為優(yōu)良的固體潤滑

7、劑,可大大降低材料的摩擦系數(shù)。由于碳纖維和PTFE 的相容性不好,常采用偶聯(lián)劑提高二者的結(jié)合力4,但偶聯(lián)劑的加入勢必增大復合材料的摩擦系數(shù),對復合材料的摩擦磨損性能帶來不利影響。本實驗中,石墨作為潤滑劑,不僅可以降低復合材料和對偶之間的摩擦系數(shù),還可減小碳纖維所受的摩擦力,降低碳纖維的脫落趨勢,取代了偶聯(lián)劑的作用。本文旨在研究石墨和碳纖維共同填充PTFE 復合材料的摩擦磨損機理,對石墨及碳纖維的協(xié)同潤滑效應進行探討,并研究了較高載荷下石墨和碳纖維填充PTFE 復合材料的摩擦磨損性能,為PTFE 復合材料的實際應用打下基礎。2實驗2.1原料及樣品制備所用原料有:PTFE (-200目,石墨(-2

8、00目和碳纖維×6mm ,表面用800#金相砂紙打磨。對偶環(huán)選用G Cr15鋼(淬火,對偶環(huán)尺寸為40mm ×16mm ×10mm ,表面用800#表1PTFE 復合材料的組成T able 1The composition of V arious PTFE compositesM aterial PTFE wt.%G r.wt.%CF wt.%A 70300B 70255C 702010D 701515E 701020F7030金相砂紙打磨。實驗前,將樣品及對偶環(huán)表面用丙酮棉球擦洗干凈,并置于空氣中晾干。在干摩擦的條件下,對不同組分的PTFE 復合材料在不同載荷下

9、的摩擦磨損性能進行了比較,實驗時間為120min 。摩擦系數(shù)為實驗過程中的平均摩擦系數(shù),磨損率按下式計算:h =R -(R 2-b 240.5V 2×7×bh 3W S =v p L 式中:R 為對偶環(huán)半徑mm ;b 為磨痕寬度mm ;v 為磨損體積mm 33結(jié)果及討論3.1摩擦磨損性能圖1給出了300N 下PTFE 復合材料摩擦磨損性能隨碳纖維和石墨含量的變化(G r.%=30%2CF %,以下相同。隨著碳纖維含量的升高及石墨含量的降低,磨損率先是出現(xiàn)大幅降低,而后又緩慢升高,在碳纖維含量為10%而石墨含量為20%時降到最低點。摩擦系數(shù)則隨著石墨含量的降低一直呈上升趨勢,

10、綜合摩擦系數(shù)和磨損率,可以得出300N 下復合材料C 的摩擦磨損性能最好 。圖1300N 下PTFE 復合材料摩擦磨損性能的隨CF 和G r.含量的變化Fig.1Friction coefficients and wear rates with CF %and G r.%in300N for PTFE com posites圖2,圖3給出了PTFE 復合材料的磨損率及摩擦系數(shù)隨負荷的變化曲線,可以看到,單純填充石墨的PTFE 復合材料磨損率較高,而碳纖維和石墨共同填充的PTFE 復合材料磨損率較小。說明碳纖維和石墨共同填充的PTFE 復合材料具有較好的承載能力。復合材料A 雖然摩擦系數(shù)較低但呈

11、上升趨勢,磨損率也很高。復合材料E 、F 雖然也有較低的磨損率,但摩擦系數(shù)太高,在摩擦過程中放出高摩擦熱,對材料的摩擦磨損過程帶來不利影響。復合材料C 磨損率低、摩擦系數(shù)低,且在較高載荷下具有較好的耐磨性,可以作為承受高載荷的耐磨零部件使用 。圖2碳纖維及石墨填充PTFE 復合材料的摩擦系數(shù)隨負荷的變化曲線Fig.2Variations of friction coefficients with load for carbon fibersand graphite filled PTFE com posites圖3碳纖維及石墨填充PTFE 復合材料的磨損率隨負荷的變化曲線Fig.3Variat

12、ions of wear rates with load for carbon fibers andgraphite filled PTFE com posites3.2磨損表面的SEM 分析圖4是不同組分的PTFE 復合材料的磨損表面照片。隨著石墨含量的降低,碳纖維含量的升高,PTFE 復合材料的摩擦磨損形貌出現(xiàn)了很大的變化。復合材料A 呈現(xiàn)了典型的片狀粘著磨損痕跡圖4(a 。碳纖維的加入改變了復合材料的磨損方式圖4(b ,復合材料B 的摩擦面上散布著大量磨屑,同時基體依然呈片狀磨損痕跡,說明復合材料B 是粘著磨損與磨粒磨損兩種磨損方式共同作用下的磨損。607材料科學與工程學報2004年10

13、月由于碳纖維含量較少,起到的減摩作用要遠大于承載作用,使得復合材料B 的磨損量較大。復合材料C 中,隨著纖維含量的提高,無序分布在基體中的碳纖維形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu),互相支撐,承載能力提高,復合材料磨損量明顯下降,碳纖維與基體結(jié)合良好,只有極少量碳纖維在摩擦力的作用下脫落圖4(c 。碳纖維含量繼續(xù)提高時,纖維與基體的結(jié)合狀況變差,在受到摩擦力時,碳纖維產(chǎn)生很大的抗犁削阻力,當這種阻力和碳纖維與基體的結(jié)合強度相當時,碳纖維就容易從基體中脫落成為磨粒5,加劇基體的磨損圖4(e 、(f 。圖4PTFE 復合材料磨擦面的SE M 照片(速度0.496m s ,負荷200N Fig.4SE M m orphol

14、ogy of the w orn surface of carbon fibers and graphite filled PTFE com posites (sliding speed 0.496m s ,load of 200N 在摩擦磨損過程中,石墨和碳纖維產(chǎn)生了協(xié)同潤滑效應。首先,石墨的添加促進了轉(zhuǎn)移膜的形成,石墨與PTFE 混合轉(zhuǎn)移到對偶環(huán)表面,形成混合轉(zhuǎn)移膜,使得試樣與對偶的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴祭w維和轉(zhuǎn)移膜的摩擦為主,即以碳纖維的磨損為主。其次,碳纖維與聚合物的浸潤性差,PTFE 又有很好的化學穩(wěn)定性,二者的結(jié)合是以PTFE 冷卻收縮時產(chǎn)生的對碳纖維的包覆力為主要結(jié)合力的機械鉸合。這樣的

15、結(jié)合方式使得碳纖維在受到剪切力作用時,容易從基體中脫出。碳纖維的皮層為粗大的石墨微晶結(jié)構(gòu)6,雖然石墨微晶有一定的減摩作用,但同時它還會產(chǎn)生很強的抗摩阻力,增大碳纖維所受剪切力,使得碳纖維的脫落趨勢升高。層片狀石墨的加入,在碳纖維和對偶之間起到潤滑劑的作用,減小了摩擦系數(shù),緩和了石墨微晶與對偶的摩擦,從而降低了碳纖維脫落的趨勢。復合材料C 的磨損是碳纖維與基體一同磨損,而在復合材料F 中碳纖維脫落嚴重圖4(f ,形成大量磨粒散布在摩擦面與對偶轉(zhuǎn)移膜上,對復合材料造成嚴重的磨粒磨損。說明當合理的碳纖維加入量使基體對碳纖維產(chǎn)生相當?shù)陌擦r,石墨的加入可以減小碳纖維所受的摩擦力,降低碳纖維的脫落趨勢

16、,起到了偶聯(lián)劑的作用。碳纖維由于具有高的比強度和比模量而在摩擦磨損過程中主要起到承載作用,使得基體在載荷的作用下不致被擠壓、刮削。同時,在摩擦力不足以使碳纖維脫落的條件下,碳纖維有很好的耐磨性,在復合材料中起到了骨架的作用。3.3轉(zhuǎn)移膜的SEM 分析圖5中,石墨添加量為30%時圖5(a ,對偶形成了很厚的石墨和PTFE 的混合轉(zhuǎn)移膜,使得摩擦系數(shù)大幅度降低。隨著碳纖維含量的提高,碳纖維的脫落趨勢增強,脫落的碳纖維的磨粒作用越來越明顯,圖5(e 、(f 中可見梨溝及斷裂、磨碎的纖維,對應于摩擦磨損性能就是隨著碳纖維含量的提高,摩擦系數(shù)越來越高。復合材料C 的轉(zhuǎn)移膜光滑平整,對偶沒有明顯的磨粒磨損

17、痕跡圖5(c 、(d ,是比較理想的摩擦狀態(tài)。4結(jié)論1.石墨的添加大大降低了PTFE 復合材料的摩擦系數(shù),碳纖維的添加可降低PTFE 復合材料的磨損率。2.石墨的加入,可減小碳纖維所受的切向力,降低碳纖維的脫落趨勢,從而使碳纖維更有效地起到承載作用。3.在石墨20%、碳纖維10%(重量百分比填充PTFE 時,得到有著較好摩擦磨損性能的復合材料,在高載荷下有較好的應用前景。707第22卷第5期楊麗君,等.碳纖維及石墨填充聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能研究 圖5PTFE 復合材料對偶轉(zhuǎn)移膜的SE M 照片F(xiàn)ig.5SE M m orphology of the trans fer film of carbon fibers and graphite filled PTFE com posites (sliding speed 0.496m s ,load of 200N 參考文獻1Zhao 2zhu Zhang ,Qun 2ji Xue.Friction and wear properties of metalpowder filled PTFE com posites under oil lubricated conditions J .wear ,1997,210:151156.2何春霞,史麗萍,沈惠平.納米Al 2O 3填充聚四氟乙烯摩擦磨損性能的研