聚合物基自潤滑材料的研究現(xiàn)狀和進展

1、.聚合物基自光滑材料的研究現(xiàn)狀和進展由于聚合物本身具有較低的摩擦系數(shù),優(yōu)良的機械性能及耐腐蝕性等優(yōu)點,其基自光滑復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的摩擦磨損性能,正在被廣泛的應(yīng)用到減摩領(lǐng)域。本文綜述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亞胺等幾種高聚物的摩擦磨損特點及其應(yīng)用,聚合物基自光滑復(fù)合材料開展現(xiàn)狀。指出目前聚合物基高性能自光滑材料的制備途徑主要是通過聚合物與聚合物共混及添加纖維、晶須等來進步基體的機械強度,通過添加各類固體自光滑劑來進步摩擦性能,有效進步其綜合性能。聚合物基自光滑材料可取代傳統(tǒng)金屬材料,成為全新的一類耐摩擦磨損材料。論文:高聚物,復(fù)合材料,自光滑材料,摩擦,磨損 1、 聚醚醚酮PEEK 1.1

2、 聚醚醚酮PEEK的特點 聚醚醚酮PEEK是一種高性能熱塑性高聚物,具有良好機械性能、抗化學(xué)腐蝕性和抗輻射性,顯著的熱穩(wěn)定性和耐磨性。它可以在無光滑、低速高載下或在液體、固體粉塵污染等 惡劣環(huán)境下使用。因此關(guān)于聚醚醚酮及其復(fù)合材料的研究越來越受到人們重視。聚醚醚酮是一種半晶態(tài)熱塑性聚合物,為了改善其機械性能,尤其是摩擦學(xué)性能,常在其中添加聚四氟乙烯PTFE、聚丙烯腈PAN和碳纖維FC等材料,也可添加顆粒增強型材料或進展特種外表處理等離子體處理等。當(dāng)聚醚醚酮及其復(fù)合材料與金屬材料互相對磨時,通常在金屬外表形成聚合物轉(zhuǎn)移膜,其構(gòu)造、成分均與原有的聚合物及復(fù)合材料不同,其性能、厚度及連續(xù)程度均對摩擦

3、副的摩擦學(xué)性能有重大影響4。 1.2 對聚醚醚酮PEEK摩擦性能的研究 章明秋等人5,6對聚醚醚酮PEEK在無光滑滑動條件下磨損產(chǎn)生的磨屑的形態(tài)進展研究,結(jié)果說明,聚醚醚酮PEEK的磨屑具有分形特征,其分形維數(shù)與載荷的關(guān)系對應(yīng)于磨損率與載荷的關(guān)系,可以反映聚醚醚酮PEEK磨損機制的變化。在給定的試驗條件下,隨著載荷的增大,聚醚醚酮PEEK的磨損機制從粘著磨損為主伴隨著疲勞-剝層磨損,進而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴苄粤鲃幽p。 張人佶等7,8利用掃描電鏡、掃描微分量熱儀、紅外光譜儀、俄歇電子譜儀等分析手段系統(tǒng)的研究了聚醚醚酮PEEK及其復(fù)合材料的滑動轉(zhuǎn)移膜,結(jié)果說明:純聚醚醚酮PEEK在滑動摩擦過程中形成不連續(xù)

4、的轉(zhuǎn)移膜。聚四氟乙烯PTFE的光滑分子構(gòu)造有助于使轉(zhuǎn)移膜更光滑,固體光滑效果也更好。在PEEK/FC30中,不僅參加PTFE,而且參加具有層狀構(gòu)造的石墨,碳纖維磨損后的石墨也同時進入轉(zhuǎn)移膜,使得轉(zhuǎn)移膜的強度和韌性更好,壽命進步。 1.3 聚醚醚酮的應(yīng)用 聚醚醚酮PEEK是一類倍受歡送的耐磨減摩材料,其承載才能和耐磨性比較強,溫度對其摩擦磨損性能及機械性能影響也不大。這類自光滑復(fù)合材料可用于制作飛機上的耐熱、耐有機溶劑的連接件,汽車軸承支架、活塞密封、發(fā)動機的傳動裝置,精細電子設(shè)備等零部件。但由于聚醚醚酮PEEK本身的價格高且成型加工困難,在普通的工程應(yīng)用中受到了很大的限制9。 2 聚四氟乙烯P

5、TFE 2.1聚四氟乙烯PTFE低摩擦系數(shù)特點聚四氟乙烯PTFE是一種耐熱性聚合物,其分子構(gòu)造規(guī)整、靜摩擦系數(shù)很小。當(dāng)聚四氟乙烯PTFE與其它物體對摩時,由于聚四氟乙烯PTFE大分子容易被拉出結(jié)晶區(qū),因此在摩擦之初就向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移,以庫倫力和范德華力在對摩面上形成一層2030nm厚的薄膜,這層薄膜的大分子按滑動方向高度取向,從而摩擦系數(shù)很低10。另外,在摩擦過程中還會發(fā)生摩擦化學(xué)反響,可以影響轉(zhuǎn)移膜的生成及其完好性11。由于聚四氟乙烯PTFE的外表能極低,其轉(zhuǎn)移膜在對摩面上的附著性較差,導(dǎo)致聚四氟乙烯PTFE做摩擦材料時具有嚴(yán)重的磨損。同時,由于聚四氟乙烯PTFE的彈性模量小而線膨脹系數(shù)大,承載

6、才能低,使其作為摩擦件使用受到了限制。為了改善聚四氟乙烯PTFE的耐磨性,許多學(xué)者進展了卓有成效的研究工作。目前對聚四氟乙烯PTFE進展改性的方法主要有兩個方面:一方面通過堿金屬溶液、輝光放電以及等離子體對聚四氟乙烯PTFE材料外表進展改性處理;另一方面通過向聚四氟乙烯PTFE內(nèi)填充纖維、無機粉末和有機高分子填料完成改性。這些填料的參加,除了進步了聚四氟乙烯PTFE的耐磨性以外,還可以進步其硬度和剛度使制品具有良好的抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性12。 2.2 對聚四氟乙烯PTFE摩擦性能的研究 張招柱等人13采用3種金屬氧化物對聚四氟乙烯PTFE進展改性,實驗發(fā)現(xiàn),添加Pb3O4使聚四氟乙烯PTFE的

7、摩擦系數(shù)略有增大,而添加Pb3O4或Cu2O都能使聚四氟乙烯PTFE的摩擦系數(shù)有所減小,其中以Pb3O4的減摩效果較好。這3種材料在負荷低于300N時,摩擦系數(shù)始終隨負荷的增大而減小。3種填充聚四氟乙烯PTFE復(fù)合材料的耐磨性都遠比純PTFE的好,均隨負荷的增大而增大,其中以Pb3O4的減磨效果最好。 文獻14還研究了Cu, Pb及Ni 3種不同金屬顆粒對PTFE進展改性的影響,發(fā)現(xiàn)Ni增大了復(fù)合材料的摩擦系數(shù),而Cu及Pb那么降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù),但摩擦系數(shù)減小的幅度不是很大。金屬填料大大改善了復(fù)合材料的耐磨性,使其磨損量比純PTFE材料降低了1-2個數(shù)量級,其中:Cu的減磨效果最好,N

8、i的效果次之,Pb的效果最差。 張招柱等人15,16用稀土化合物CeO2、CeF2和La2O3填充PTFE復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)這些化合物能使PTFE的耐磨性顯著進步。 楊文光等人17以碳纖維增強 PTFE制成自光滑軸承,這種軸承自光滑性好、耐磨性高而且具有優(yōu)良的防污染性和防腐蝕性,能把灰塵、金屬等微粒包容于PTFE的界面以下,減少了對摩擦副之間的磨損。 文獻18對碳纖維、玻璃纖維及鈦酸鉀K2Ti6O13晶須增強PTFE復(fù)合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對磨時的磨損性能進展了研究,發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的減磨效果最好,K2 Ti6O13晶須的減磨效果最差。 楊生榮等人19用金屬纖維FST和FCu對PTFE

9、進展改性,結(jié)果如下:2種纖維增強對摩擦系數(shù)的影響都不大,往復(fù)次數(shù)增多,PTFE + 30 %FST復(fù)合材料的摩擦系數(shù)有所上升,PTFE +30 %FCu復(fù)合材料的摩擦系數(shù)略有下降。 黃麗等人20研究了碳纖維不同混合方式對PTFE復(fù)合材料性能可產(chǎn)生重要影響,研究發(fā)現(xiàn),從力學(xué)性能上看,氣流混合試樣的沖擊強度比機械混合試樣進步了13%,兩者硬度差異不大,但氣流混合試樣的磨耗量也增加了39%。另外,還考察了碳纖維長度的不同對摩擦系數(shù)的影響,隨著碳纖維長度的增大,PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增加。這主要是由于隨碳纖維長度的增加,在機械混合的過程中,纖維容易形成絮團吸附物,因此在壓制的過程中,就會使得制品外

10、表的坑洼程度大,使制品的粗糙度增加,在與金屬件對磨時,機械嚙合和切削碰撞就比較顯著,導(dǎo)致滑動困難,使摩擦系數(shù)增大,同時磨耗量相應(yīng)增大。 2.3聚四氟乙烯PTFE的應(yīng)用 聚四氟乙烯PTFE自光滑復(fù)合材料在常規(guī)環(huán)境下具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能,因此它的應(yīng)用范圍比較廣泛,可以作為軸承、導(dǎo)軌、滾動軸承保持架、活塞環(huán)和葉片等。需要指出的是,通常所說的PTFE的摩擦系數(shù)為0.104,是指PTFE自摩擦?xí)r,而且是在新打磨的外表上以低于0.1011m/s的速度進展滑移時才能獲得的。在0.154m/ s 的速度范圍內(nèi),PTFE的摩擦系數(shù)為0.12左右。另外,PTFE基自光滑復(fù)合材料與金屬相比,存在線膨脹系數(shù)較大、

11、導(dǎo)熱性較差的缺陷。 3 聚酰亞胺PI 3.1聚酰亞胺PI的摩擦學(xué)性能 聚酰亞胺PI的摩擦性能僅次于聚四氟乙烯PTFE,在干摩擦下與金屬對摩時,可以向?qū)δγ姘l(fā)生轉(zhuǎn)移,起到自光滑作用,并且靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)很接近,防止爬行的才能好。根據(jù)聚酰亞胺PI固體光滑摩擦學(xué)特性的不同,Fusaro21將聚酰亞胺PI分為兩類:第1類 PI具有較低的摩擦系數(shù),但磨損率較高,在摩擦過程中,粘著磨損占主導(dǎo)地位,外表層脆,斷裂后產(chǎn)生較大的磨屑覆蓋于膜痕外表;第2類PI具有較高的摩擦系數(shù),但磨損率較低,磨損外表較粗糙,磨痕邊緣粘附細微磨屑。PI的磨損有以下兩種情況22:PI在摩擦過程中因粘著、犁耕、微切削等作用而逐漸

12、磨損,導(dǎo)致底材暴露而失效;PI很快磨損至與金屬底材相結(jié)合的界面層,然后形成一薄層光滑膜,并能維持很長一段時間的低摩擦磨損。由于PI在實際使用過程中均要參加各種光滑填料,因此PI復(fù)合材料的磨損過程大部分表現(xiàn)為第種情況。 3.2聚酰亞胺PI的改性處理 為了得到理想的摩擦磨損性能,人們用石墨、MoS2以及玻璃纖維對PI進展改性。楊生榮等人23通過離子注入的方法對PI進展改性來進步材料的耐磨性,如分別將 N+和Fe+離子注入芳香PI薄膜,結(jié)果降低了鋼對PI膜的摩擦系數(shù)。這是由于離子參加可以有效的改善 PI膜的自光滑性能,可以進步聚合物的硬度,增大交聯(lián)度,降低其與鋼摩擦?xí)r的粘著,從而進步聚合物的耐磨性。此