硕士学位论文-聚四氟乙烯基固体润滑剂的结构、制备及性能研究.pdf

分类号 字校代码 劣膊忙 声夫享 学 目 聚四 位论文 乙烯基固体润滑剂的结构 、 制备及性能研 段几 , 州沙 恤 一 以 文目 人一加 是 火一日一史 月日汇火 研究生姓名胡萍 姓名郑化职称教授 二 指导教师 ” 一 单位名称化学工程系邮编 二 二 申请学位级别 工学硕士学科专业名称 二 车辆工程 二 论文提交日期论文答辩日期 学位授予单位武汉理工大学学位授予日期 答辩委员会主席评阅人 年月 摘要 本研究论文以摩擦学 、 高分子材料基本理论为指导 , 以水轮发电机镶嵌 轴承用固体润滑剂为研究对象 , 进行高分子基复合材料的摩擦学行为的全面 研究 。 经过查阅大量国内外文献资料后确定原料为聚四氟乙烯树脂为基体 , 加入石墨 、 二硫化铝 、 铜粉 、 碳纤维等填料试验方法为根据均匀试验方 法设计配方 , 用样条函数找出配方与摩擦性能的关系 , 然后在拟合曲线上选 取具有代表性的试验点进行验证试验 , 达到优化的目的制备工艺冷压烧 结法制备固体润滑剂 。 用表征原料微观结构 、 摩擦表面及润滑转移膜表面形貌用 进行原料物相分析 , 及比较水冷却 、 空气冷却 、 随炉冷却三种工艺条件下的 纯聚四氟乙烯树脂的结晶度用 一 分析纯聚四氟乙烯树脂及固体润滑 剂的热稳定性用表征碳纤维表面 、 固体润滑剂摩擦前后表面 、 润滑转 移膜表面的元素组成 、 价态变化用销盘式摩擦磨损试验机对固体润滑剂进 行摩擦性能测试采用专用的台架模拟试验机对固体润滑剂镶嵌轴承套与钢 轴摩擦副间的摩擦磨损性能进行测定用莱次偏光显微镜测试固体润滑 剂的硬度用材料试验机测试固体润滑剂的抗压强度等 。 试验结果表明 所选原料的尺寸 、 形状及纯度可满足固体润滑剂的性能要求聚四氟乙 烯树脂热分解温度超过 , 但在中加入无机填料会使复合材料吸水 率提高 , 熔融温度及分解温度降低 , 且伴有氧化分解反应碳纤维表面含有 二 及 一一 等极性基团 , 有利于提高其与其它组分的相容性 , 提高层间 剪切强度均匀设计试验方法能够用较少的试验次数找出配方与摩擦性能间 的关系 , 拟合曲线基本能表示各配方的摩擦系数发展趋势配方中不加铜粉 或不加石墨 , 其摩擦系数均较高 , 说明铜粉和石墨应该配合使用当铜粉巧 份 、 石墨份时 , 铜粉份 、 石墨 一 份时 , 铜粉 、 石墨 一 份时 , 摩擦系数均具有较低值纯聚四氟乙烯树脂在空气冷却时结晶度最大 , 磨损 量也是三者中最大的同时 , 固体润滑剂试样在空气冷却时的磨损量也是三 者中最大的不论是固体润滑剂与钢轴配副或是固体润滑剂镶嵌入铜套 后与钢轴配副 , 在金属表面均可形成润滑转移膜 , 从而减少金属摩擦 甲 副表面间的直接接触 , 大大延长其使用寿命转移膜中主要含有较多的石墨 、 少量聚四氟乙烯 、 。、 、 等物质烧结及摩擦均使固体润滑 剂表面发生化学变化 , 使 、 等元素的价态发生变化纯的显 微硬度最低 , 固体润滑剂的表面硬度基本是随着填料加入量的增加而增加的 纯的抗压强度最低 , 在树脂中加入无机填料均可 明显提高其抗压 强度 , 但并不是加入量越多 , 抗压强度提高越明显 。 填料加入过多 , 不但影 响成型加工性易断裂 , 而且影响抗压强度 。 本研究论文的创新点 、 对聚四氟乙烯树脂为基体的高分子复合材料摩擦学行为进行了较全面的 研究 、 根据均匀试验方法设计配方 , 用样条函数找出配方与摩擦性能的关系 , 然后在拟合曲线上选取具有代表性的试验点进行验证试验 , 达到优化 的目 的 、 通过聚四氟乙烯与无机填料的复合 , 研制出一种专用于水轮发 电机组镶 嵌轴承用的固体润滑剂 。 关键词聚四氟乙烯固体润滑剂水轮发电机组镶嵌轴承摩擦磨损 勺 、, 一 , , , , 一 一, ,一 一 , , , , , ,一一 兔 二沙 、 月、 , 一 , , , , , , , , ,一 一 , , 一 , , , , 以 乍 、 一 目录 中文摘要 第一章 绪论 引言 固体润滑剂及 固体润滑轴承的现状 固体润滑剂的历史及现状 滑动轴承的现状 “ ” ” ” ” 本论文的研究内容 ” ” “ ”“ ” “ 第二章固体润滑剂原料结构 、 配方设计及优化 固体润滑剂的原料选择 配方设计 , 实验部分 固体润滑剂原料物相表征方法 固体润滑剂摩擦性能试验 结果与讨论 固体润滑剂原料物相分析 固体润滑剂摩擦性能试验结果及分析 配方优化 , , 优化结果验证 , “ “ ” 结论 第三章 固体润滑剂及镶嵌轴承套的制备 固体润滑剂的制备 , 镶嵌轴承套的制备 固体润滑剂的表征方法及性能测试 摩擦磨损试验 二 “ 结果与讨论 了了丈 图谱分析 分析 摩擦磨损试验结果及分析 结论 , 第 四章固体润滑剂性能 一 固体润滑剂的表征方法及性能测试 固体润滑剂吸水性试验 固体润滑剂收缩率 、 膨胀率计算 固体润滑剂显微硬度测试方法 , 固体润滑剂抗压强度测试方法 一光光 电子 能谱 热分析表征 一 结果与讨论 固体润滑剂吸水性试验结果及分析 固体润滑剂收缩率 、 膨胀率计算结果及分析 固体润滑剂硬度试验结果及分析 固体润滑剂抗压强度试验结果及分析 一光光 电子 能谱试验结果及分析 热分析 一 测试结果及分析 结论 参考文献 附录攻读硕士期间发表的论文 致谢 , , 武汉理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论 引言 水轮发电机是在低速 、 重载 、 往覆运动 、 泥水等特殊工况条件下工作的 专用设备 , 其主叶片轮轴承适宜用镶嵌型固体润滑轴承 。 即将高分子树脂基 复合材料制成固体润滑剂 , 镶嵌入铜合金基材 , 与钢组成摩擦副 , 服役于水 轮发电机组 。 固体润滑剂是典型的复合材料 , 指利用软金属 、 金属化合物 、 无机物和 有机物等固体粉末 、 薄膜或某些整体材料来减少两相对运动的承载表面之间 的摩擦磨损作用 。 能够适应高温 、 高压 、 低速 、 高真空 、 强辐射等特殊使用 工况 , 特别适合于给油不方便 、 装卸困难的场合 。 这门新兴的科学技术虽然 历史不长 , 但经济效果好 , 适应范围广 , 发展速度快 一 。 材料的复合化是材料发展的必然趋势之一 。 目前 , 人们己经充分认识到 当单一物质材料的摩擦学性能己经不能满足生产 、 生活的要求时 , 自然会想 到组合两种或更多种的物质 , 来提高材料的摩擦性能 , 满足现实社会的各种 需要 。 复合材料的发展受到人们的普遍关注 , 复合材料可经设计 , 即通过对 原材料的选择 、 各组分分布设计和工艺条件的保证等 , 使原组分材料优点互 补 , 因而呈现出色的综合性能 。 因此 , 对摩擦学复合材料的研究是解决材 料减摩及耐磨问题的重要途径之一 , 使聚合物基复合材料的开发和利用更为 普遍 。 为了改善聚合物材料的耐磨性能 , 人们采用的方法之一是向聚合物基 体中加入纤维 、 无机粉末 、 多种有机物以及合金粉末等作为第二相填料 , 对 其进行复合化 。 在加入各种填料后 , 复合材料耐磨性能得到较大幅度的提高 , 在一定程度上可用来替代铸铁 、 铜等金属部件 。 而且处理方法简单 , 易于实 现 , 并且成本也大为降低 , 适宜推广应用降 。 固体润滑剂及固体润滑轴承的现状 固体润滑剂的历史及现状 固体润滑的历史可 以追溯到较远的年代 , 很早以前 , 石墨和滑石等就被 用来作为润滑剂了 。 但是 , 这门学科直到第二次世界大战之后才获得发展 , 例如在第二次世界大战期间 , 美国空军在其航空发动机润滑油中 , 加入 了 固体润滑剂年鲍登和泰博 发表了有关干摩擦的 武汉理工大学硕士学位论文 专著年美国编制了关于二硫化铝的第一个军用规格 , 将 其作为军事机密年 , 前苏联把固体润滑材料应用于人造卫星东方 号年全世界生产的添加二硫化铝的润滑油和润滑脂的产量达到万 吨 。 年代 , 陶瓷粘结二硫化铝膜和金属 自润滑复合材料的开发 , 使得超音 速飞机 一 问世 , 其上个部位实现了固体润滑随后 , 二硫化铝溅 射膜和离子镀膜相继出现 , 氟化石墨研制成功 。 在以后发射的气象卫星 、 国 际通讯卫星 、 宇宙卫星 、 宇宙飞船等航天航空工程中 , 大量使用各种各样的 固体润滑材料年在美国召开了第一次国际固体润滑学术交流会 。 从此 以后 , 固体润滑被公认为一个独立的学科 。 在年以后世界各工业国 , 如美国 、 苏联 、 英国 、 西德 、 日本 、 法国等都先后投入了大量的人力 、 物力 开展对固体润滑的理论与技术研究 。 近四十年来 , 固体润滑材料及应用研究得到了迅速的发展 。 就材料的种 类来说 , 己从单一的粉末 、 粘结膜或整体材料如石墨 、 二硫化铝 、 聚 四氟乙 烯等进而发展成为多种组分 、 组成的各类复合材料 , 并且吸取了现代科学技 术的某些最新工艺技术 , 如静电喷涂 、 射频溅射 、 离子镀 、 离子注入 、 高频 烧结等都已广泛应用于固体润滑的研究及其材料的制备 。 在材料方面除了开 发出二硫化钨 、 二硒化妮 、 氟化石墨 、 氮化硼等新型固体润滑剂外 , 还研制 出各种超薄润滑膜 、 整体金属基或非金属基复合材料和多层复合 自润滑材 料 。 为了探索润滑机理 , 电镜 、 能谱 、 探针都己得到应用 。 近十年来 , 通过 把磨损试验与扫描电镜 、 电子能谱分析等现代测试手段相结合 , 高聚物磨损 的量度与表征技术取得了很大进展 , 从宏观测定摩擦系数 、 磨损速率 、 摩擦 温度 、 极限值 , 发展到微观考察摩擦表面的状况从磨损表面的形貌研 究 , 发展到摩擦表面化学的研究从静态间歇测定几个点的参数 , 发展到动 态连续考察磨损 的全过程 。 这些进展为人们深刻认识高聚物摩擦磨损的本 质 , 从而控制高聚物的磨损提供了有启示的信息 。 我国固体润滑的研究始于二十世纪五十年代末期 , 六十年代初期 , 固体 润滑材料在一些国防 、 军工单位得到了较为满意的应用效果 。 年在兰州 召开 了 “ 全国第一次摩擦磨损与润滑研究工作报告会议 ” 后 , 固体润滑的研 究得到了较快的发展 。 从六十年代初期开始 , 上海塑料研究所 、 四川晨光化 工研究院 、 北京化学所 、 兰州化学物理所 、 成都工学院等单位在塑料基 自润 滑复合材料的研究方面 , 进行了大量的工作 。 我国己经研制了以酚醛 、 尼龙 、 武汉理工大学硕士学位论文 聚四氟乙烯 、 聚甲醛 、 聚乙烯 、 聚矾 、 聚苯硫醚 、 聚酞亚胺 、 聚全氟乙丙烯 、 聚双马来酞亚胺等为基体的自润滑复合材料 。 七十年代初 , 在滚动轴承中 , 用含有固体润滑剂填料的塑料保持架得到了很大的发展在七十年代中还发 展了用玻璃纤维 、 石墨纤维 、 碳纤维以及金属纤维 、 聚四氟乙烯纤维增强 、 改性的各种塑料基复合材料的衬套 、 轴承 、 密封垫片 、 活塞环等具有 自润滑 性能的零部件 。 我国在固体润滑材料方面 , 近四十年来有了较大的发展 。 有关的研究工作十分活跃 , 并且己经解决了一些国防尖端和国民经济建设中 的课题 。 先后发展了百余种固体润滑材料 、 创建各种类型的评价方法 、 实验 设备 。 但是过去的成果 , 多偏重于经验 、 模仿和应用 , 基础研究以及新型固 体润滑材料结构和试验设计方法的探索工作不多 己有的固体润滑材料 , 质 量还不够稳定 , 品种远没有标准化 、 系列化 、 与 国际先进水平相比 , 还存在 着差距 。 滑动轴承的现状 滑动轴承是工业上用得很普遍 、 研究最多 、 最早的一类轴承 。 当时由于 工业技术发展的需要 , 特别是随着航天工业 、 原子能的利用等尖端技术的发 展 , 在一些特殊工况条件下如高温 、 超低温 、 高负荷 、 强辐射等 , 用油 脂润滑 的滑动轴承己经不能满足使用条件的要求 , 或者在某些工况条件下不 便用油脂作润滑剂 , 或者根本不允许用油脂润滑 。 在固体润滑剂得到迅速发 展的同时 , 固体润滑轴承也应运而生 。 固体润滑剂在轴承上的应用实际经历 了以下个阶段 纯锡青铜制轴套与钢组成摩擦副摩擦系数大 、 易磨损 、 消耗铜材 工程塑料聚甲醛或尼龙制备的轴套耐热性差 、 热膨胀系数大 、 热 导率低 、 机械强度比金属材料差 在钢背上烧结一层铜粉 , 再在铜层上贴附一层聚四氟乙烯片材即 类材料或聚甲醛一钢背材料即材料制备的轴套 。 尽管聚四氟乙烯 及聚甲醛摩擦系数很小 , 但易蠕变 、 强度很低 、 耐磨性差 、 工艺复杂 锡青铜轴套上镶嵌固体润滑剂这类轴套有易于启动 、 摩擦力小 、 维修 方便 、 使用温度范围宽 、 耐腐蚀性好 、 承载能力高 、 能耗低 、 环境清洁 , 以 及因不用油脂而省掉润滑系统等优点见图 。 武汉理工大学硕士学位论文 目前国内外大容量水轮发 电机上 , 大量使用镶嵌固体润滑轴承 。 金属基 镶嵌型固体润滑剂作为产品是在年代由美国公司首先出售的 。 年代初 , 英国的公司首先研制成功多层复合自润滑 材料英国称之为材料 。 年代中期 , 美国 、 日本 、 英国进行了大量的 研究工作 , 发表了许多研究论文 , 同时 , 系列产 品也相继 问世 。 例如 , 日本 的自润滑材料公司有个系列 , 上千个品种的 自润 滑轴承部件产品 , 其中 一 专用于水轮发电机组 。 在 年第二次国际固体润滑会议上 , 美国兰赛拉理工学院 的教授在论文 “ 复合自润滑材料应用述评 ” 中 , 介绍了 把聚四氟乙烯嵌入增 强酚醛材料中来减少摩擦所取得的效果 。 日本学者 在这次会议上介绍 了 “ 吊桥塔吊连杆栓用嵌入固体润滑剂轴承的磨 损试验 ” , 。 我国对各类固体润滑轴承的研究起步并不晚 , 早在六十年代初期兰州化 学物理研究所曾以 “ 塑料轴承 ” 立题进行了研究 , 尔后又对各类干膜型固体 润滑轴承 、 粉末冶金轴承 、 轴承 、 镶嵌型轴承都作了大量的研究工作 , 并获得多项成果 。 七十年代 , 镶嵌式轴承随引进的冶金设备进入我国市场 。 八十年代 , 武汉粉末冶金研究所 、 中国科学院兰州化学物理研究所 、 成都科 技大学 、 上海材料所等单位对镶嵌型固体润滑轴承 , 从轴承的机械结构 、 材 质的选择 、 嵌入的润滑材料以及镶嵌方式等都进行了有益的探索 , 研制出部 分产品 , 在冶金 、 矿山和工程机械等方面进行了推广应用 , 并取得了一些成 效 一 。 武汉理工大学硕士学位论文 镶嵌型低速重载滑动轴承的研究分为两大部分内容 。 一是有关轴承材质 与结构形式设计的研究另一部分内容是轴承的润滑 问题 。 仔细研究国外的 技术资料后 , 即可发现已公布的结构并不是最佳的结构嵌入的润滑材料在 稍高的温度下使用也不理想 。 在我国这种轴承还未进行深入的研究和广泛的 应用 , 目前 , 水轮发电机镶嵌固体润滑轴承国外同类产品的售价在万元 以上 , 需定期更换 。 因此 , 对固体润滑剂及镶嵌轴承的制备 、 结构及性能的 全面 、 深入研究 , 实现产品国产化 , 具有理论和现实意义 一。 , 论文的研究内容 本论文以水轮发 电机组轴承为特例 , 开展水轮发电机组镶嵌轴承用固体 润滑剂的结构 、 制备及各种性能研究 。 本论文各章的主要内容如下 第一章绪论 。 本章详细综述了论文研究的目的及意义 , 国内外发展情 况综述 , 论文的研究内容 。 第二章固体润滑剂原料结构 、 配方设计及优化 。 在本章中 , 用 观察了固体润滑剂所选用的原料的微观结构用对原料物相进行了分 析用 一 测定了聚四氟乙烯树脂的热稳定性用对碳纤维表面 化学组成及元素价态进行了表征同时对原料的吸水性进行了测定 。 根据均 匀试验方法设计配方 , 并对所设计的配方体系进行摩擦性能试验用样条函 数对试验数据进行拟合 , 指出配方与摩擦系数间的关系 , 最后在拟合 曲线上 选取具有代表性的试验点进行验证试验 , 达到优化的目的 。 第三章固体润滑剂及镶嵌轴承套的制备 。 在本章中 , 采用冷压烧结工 艺制备固体润滑剂 , 并用对水冷却 、 空气冷却 、 随炉冷却三种工艺条 件下的纯聚四氟乙烯树脂试样进行了结晶度比较采用实验室销盘式摩擦磨 损试验机 , 对纯聚四氟乙烯树脂及聚四氟乙烯基固体润滑剂三种冷却工艺条 件下的试样 , 分别进行了摩擦试验比较采用专用的台架模拟试验机对固体 润滑剂镶嵌轴承套的摩擦磨损性能进行测定用对摩擦试验后表面及 所形成的润滑转移膜表面形貌进行了表征 。 第四章固体润滑剂性能研究 。 在本章中 , 根据配方优化结果 , 选 出较 优的配方进行物理 、 力学 、 表面化学 、 热性能试验 。 采用莱茨偏光显微镜 , 观察固体润滑剂表面显微组织结构 、 测定样品的显微硬度 , 采用材料 试验机测试了固体润滑剂的抗压强度 采用 一 光光电子能谱仪分别对固体润 武汉理工大学硕士学位论文 滑剂烧结前后的试样 、 摩擦试验后的固体润滑剂表面 、 对在钢表面所形 成的转移膜等分别进行试验采用差热和失重分析仪对固体润滑剂复合 材料进行 一 测定 。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章固体润滑剂原料结构 、 配方设计及优化 水轮发电机组负荷重 、 体积大 、 使用条件恶劣 , 不能经常更换 , 故不能 使用液体润滑材料 。 为减少磨损 、 降低摩擦及噪音 , 延长寿命 , 便于检修 , 避免水质污染 , 利于环保 , 必须采用 固体润滑剂 。 固体润滑剂是复合体系 , 其指标考核项目较多摩擦系数 、 磨损量 、 强度 、 硬度 、 热性能 、 摩擦表面 化学变化等 , 助剂与性能间的关系不确定 , 同时各助剂间存在较多的协同 作用 , 因而该配方设计是一个典型的多因素 、 多水平 、 多指标配方实验 。 因 此 , 本论文先对所选择的原材料的结构 、 组成进行表征及分析根据资料 、 经验 、 工艺条件等因素确定原材料的用量范围 , 然后应用均匀试验方法设计 配方 , 依据试验数据进行计算机试验 , 用样条函数对试验数据进行拟合 , 指 出配方与摩擦性能间的关系 , 最后在拟合 曲线上选取具有代表性的试验点进 行验证试验 , 达到优化的目的 。 固体润滑剂的原料选择 聚四氟乙烯 具有独特的螺旋形链结构 , 其晶体由平行排列的折叠链形成片晶 堆积而成带状多晶聚集体 , 结晶部分将粘性的无定形部分相互分隔开 , 由外 界力作用引起无定形部分变形 , 而 一 主链完全被由氟原子组成的外 壳包围 , 构成完整的圆柱体 。 这种棒状构型的 下 分子间的吸引力很弱 , 分子间容易滑动 , 从而易在摩擦偶件表面形成转移膜必 一 。 如图所示 。 在所有的工程塑料中 , 具有最低的摩擦系数一般为 一 、 最高 的使用温度区间以及最低的表面能 , 这使得 下 在摩擦磨损领域中有着十 分特殊的地位 归 一。 但也存在一些不足之处 , 如强度较小 、 硬度低 、 磨损率高 、 在外力作用下有较大的粘弹性变形和导热性差等 , 限制了它在实 际中的应用 。 为此 , 可用在 下 基体中填充金属 、 无机固体润滑剂 、 高聚 物等填料的简单有效方法进行改性同时可以调整冷却速率控制的晶 体尺寸 、 结晶度等来提高其耐磨性 , 进一步拓宽其应用领域 一咧。 武汉理工大学硕士学位论文 广 少尸声洲 石墨 石墨外观呈黑色有脂肪质的滑腻感 , 具有 明显的层状六方晶体结构 , 且 结构稳定 , 密度为 一 岁 , 熔点为 “ 。 石墨的分子结构使同一 层内的碳原子牢固地结合在一起 , 不易破坏 , 而层与层之间的结合力较弱 , 受剪切力作用后易滑移 。 石墨的粘着性很好 , 能吸附在对偶面上 , 阻碍磨损 的进行同时能够支持垂直于基础面的负荷 , 所以承载能力强 , 摩擦系数小 。 通常石墨的摩擦系数为 一 。 石墨的化学稳定性好 , 不溶于药品和溶 剂 , 且无毒性 。 同时 , 石墨具有优良的抗辐射性具有可以与水共存 、 价格 较低等优点即 一州, 石墨的晶体结构如图所示 。 二硫化铝 外观呈黑灰略带兰色 , 有滑腻感 , 是从辉铝矿提纯而得到的一种 矿物质 , 属于六方晶系的层状结构 , 密度为 一 , 熔点 。 晶体是 由 一一 个平面层组成的单元层 。 在单元层内部 , 每个铝原 子被三棱形分布的硫原子包围着 , 它们 以很强的共价键联系在一起 。 层与层 之间以较弱的分子力相连接 , 极易从层与层之间劈开 , 所 以具有 良好 的固体润滑性能 。 的摩擦系数为左右 。 其中的硫是活性元素 , 能 与金属表面的原子发生较强的吸附作用 , 因而在金属表面的粘着力特 强 , 在摩擦时不易破坏 , 增强了的粘附力 , 所以它能承受较高的负荷 一州。 对转移膜与金属底材表面间粘 附作用解释主要有以下三种观 点 武汉理工大学硕士学位论文 由于覆盖膜而使底材表面能降低 与底材的化学亲和性 压入底材或陷入底材表面凹部 , 并以此为核心来凝聚 。 二硫化铝的晶体结构如图所示 。 丁 愁 二乙 洲 衍压告彪、 必丫洲一。巴 青铜粉 青铜粉的主要成分是锡 、 锌 、 铅和铜 。 添加金属粉末旨在提高高分子复 合材料的传热性 、 摩擦磨损性能 、 尺寸稳定性和抗蠕变性 , 但同时会使摩擦 系数增大 , 影响加工性能等 , 故铜粉的量不宜太多 , 且要混合均匀 , 否则会 引起偏析 。 在烧结过程中 , 青铜粉中的铜和锡形成一定量的固溶体 , 具有 强度高 , 耐磨性好 、 摩擦系数稳定的特点 , 而锌和铅又是减摩性较好的金属 固体润滑剂 , 对具有良好的作用 。 另外 , 青铜粉中的铅 、 铜等金属的 氧化物使分子部分发生 了变化 , 引入 二 或 一 基团 , 可改善界 面的摩擦状态 。 青铜粉既有一定的承载作用 , 又在一定程度上阻止了 带状结构的破坏娜 一。 碳纤维 碳纤维具有碳素材料的各种优 良胜能 , 同时还具有纤维的柔 曲性 。 如 抗拉强度 、 弹性模量高 , 因为其比重小为钢的左右 , 故其比模量 、 比 强度很高 , 其比强度为 一 , 而钢为 , 玻璃纤维为 一 抗蠕变 、 疲劳能力优越导 电性 、 导热性好 , 介于金属与非金属之间热膨胀极小 武汉理工大学硕士学位论文 耐腐蚀性好 , 除强氧化酸以外 , 都不受影响 。 碳纤维由于其仍属脆性材料 , 一般很少单独使用 , 而是增强其它基体 , 组成增强复合材料 。 在 下 基复 合材料摩擦过程中 , 随着的不断磨损 , 碳纤维在摩擦面上富集 , 起着 支持负荷的作用牌 一 】 。 聚酸亚胺 聚酞亚胺是一类具有重复酞胺键的有机高分子 , 它是工程塑料中的耐高 温品种之一 。 由于分子主链由芳环和六元环组成 , 因此具有机械强度高 、 耐磨性能好 、 优异的热稳定性 、 高温高真空下也很稳定 , 因此是一种很有价 值的摩擦副材料 。 同时 , 具有抗辐照 、 耐大多数化学试剂和溶剂 、 低摩擦 磨损等优点 , 因此很有潜力 , 应用于工业和航空 、 航天等领域的摩擦系统中 。 但因目前成本较高 , 应用范围受到一定的限制口 一间。 通过对 以上六种原材料的结构 、 性能及物相进行分析可知聚四氟乙烯 可 以保证较低的摩擦系数 , 填料均匀地分散在基体中 , 改善了 的整体结构 , 起到了有效地支撑强化作用 , 阻止了带状结构大面积破 坏 , 从而降低磨损同时填料可促进偶件表面转移膜的形成 , 并增强转移膜 与偶件表面的结合力 。 故理论上所选材料较为合理 , 但需要进行配方 、 工艺 、 性能检测来加以验证 。 配方设计 原材料聚 四氟乙 烯刀王 二硫化铝青铜粉 一 碳纤维 一 聚酞亚胺 重量百分比一一 填料量增加时 , 一般情况下产品导热性提高 、 摩擦系数增大 、 耐磨性提 高 、 承载能力提高但加入太多时则使聚合物不能成为连续相 , 甚至 在冷压时发生断裂又因密度相差较大与青铜粉发生偏析而各组 分混合不均匀 。 填料用量太少 , 不但摩擦系数有所提高 , 而且耐磨性 、 承载 能力提高并不大 , 即改性不显著 , 故各种原材料的用量必须控制在一定范围 内 。 具体范围见表 。 武汉理工大学硕士学位论文 配方号 ,全 上 石墨铜粉 碳纤维 ,一,白 , 勿 勺,勺白 巧 过去对于这种多样性和复杂性的配方体系均采用工作经验设计 , 带有一 定的偶然性 , 目前 , 不少人仍采用正交设计法夕 。 为了考虑数据的均衡分散 性和整齐可比性 , 从全面实验中选出部分点进行实验 , 使得这些点能反映实 验范围内各因素和实验指标间的关系同时利用有限的数据可获得更多的实 验信息 , 本文利用均匀试验方法设计配方【 一刚, 配方设计见表 。 武汉理工大学硕士学位论文 实验部分 固体润滑剂原料物相表征方法 扫描电镜 仪器 一 型扫描电镜日本 试样聚四氟乙烯 、 石墨 、 二硫化铝 、 铜粉 、 碳纤维等 。 一 衍射分析 仪器 一 型 一射线衍射仪 日本公司 试样聚四氟乙烯 、 石墨 、 二硫化铝 、 铜粉 、 碳纤维等 。 热分析 一 仪器 人 型差热和失重分析仪德 国 试样聚四氟乙烯 。 吸水性试验 仪器分析天平 试样聚四氟乙烯 、 石墨 、 二硫化铝 、 铜粉 、 碳纤维等 。 一 光光电子能谱 仪器型英 国 户 试样碳纤维 。 固体润滑剂摩擦性能试验 试验设备销盘式摩擦磨损试验机武汉理工大学摩擦研究所制造 试样固体润滑剂圆柱 中 为销 , 钢为盘 , 淬火 、 中 、 、 拜 试验条件摩擦速度为试验时为载荷为 、。 结果与讨论 固体润滑剂原料物相分析 及图谱分析 一分析 武汉理工大学硕士学位论文 由 图谱可知 石墨颗粒尺寸一般在 一 脚 范围 , 但也有个别超过 娜 , 颗粒横截面 呈明显的磷片状结构 。 铜粉颗粒尺寸一般在 一 拜 范围内 , 大部分小于 那 , 少数在 一 娜 范围内 。 一般呈圆形或椭圆形结构 , 且大部分颗粒表面有疏松粗糙的外 层 。 结合射线衍射图谱图可知 , 疏松外层是铜的氧化物 、 铅及一些杂质 。 武汉理工大学硕士学位论文 碳纤维直径较均匀 , 约 一 脚 而长度尺寸大约在 一 哪 之间 , 也有 少数超过 脚 , 表面较为光滑 。 聚四氟乙烯呈棉絮状或团状结构 , 尺寸大约 一 脚 。 二硫化钥颗粒尺寸在 脚 内 , 但也有极少数在 邵 范围内的 , 总体 颗粒尺寸较均匀横截面层片状结构不如石墨 。 二图谱分析 翻洲卿瀚咖 。 功 如 幻 “ 一 一 卿 。 “ 一 “ 一 图谱可知 碳纤维的射线衍射图有两个碳峰 , 较大 、 较强的峰 , 是一个重叠峰 、 峰度处 , 因碳纤维生产时经烧结 、 结晶 、 取向等影响 峰值 , 值与纯碳峰稍有出入 二 故为参考值很弱的峰 、 工 二 武汉理工大学硕士学位论文 度处 , 为杂质峰 , 可能是方解石 , 比例较小 。 铜粉的射线衍射图有两个强度很大的金属铜峰 、 卜 ,、 二 度及度处还有较小的一个峰 、 度处 两个铅峰 、,、 度及度处一个很小 的杂质峰 、 度处 。 说明原料铜粉是铜 一铅合金 , 比例约为 峰的出现是由于原材料须在 ” 下烧结处理 , 表面生成少 量氧化铜所至 。 石墨射线衍射图有一个较强的石墨峰 、 工 度处 , 另有 一个方解石峰 、 工 二 度处一个较弱的疑是石英的杂质峰 、 度处 。 二硫化铝的 射线衍射图有七个二硫化铝峰 、 卜度 处 , 二 、 度处 ,、 度处 ,、 度处 ,、 二 度处 ,、 度处 , 、 度处另有三个碳峰 、 度处 , 、 度处 ,、 二 度处一个辉铝矿峰 二 、 度处还有一个杂质峰 、 度处 , 一个疑 是的杂质峰 、 度处说明二硫化铝物相中所含杂 质品种及含量较多 , 纯度较低 。 三 一 图谱分析 纯聚四氟乙烯 一 测定结果如图所示 切 刃 任叶 月 十 卜 卜 奇卜 卜卜卜 ,卫 卜月卫 卜 卜 陇 , 卯 、 。,气仍 。 哭 臀 。加 一 明二之之几 孰 州从 一 , 一一二考二一 川 仁 、 叮 毒忿了已丫 轰 一 。 。 乞 纤 一 、 一 伽鞠 粉、 二 酬。忿 二。、年 触一 武汉理工大学硕士学位论文 约 一时失水速率最大 , 出现一失水峰吸热 出现熔融峰吸热 出现一小放热峰 , 失重约 左 右 出现一小放热峰 , 开始失重 , 到约 失重 , 及 时失重速率最大 。 说明纯失重很少 。 四原材料吸水性分析 肠 天 吸水率气 石墨 碳纤维 七 铜粉 一 一一 乙月性日 一 , 一一 一 从表数据可知 石墨的吸水率最大 , 且随着时间的延长而逐渐加大 , 天后仍有较大的 吸水量碳纤维吸水率第二 , 但吸水量很快达到平衡 , 基本保持不 变 一 吸水率第三 , 变动幅度不大 , 基本保持在 一 的吸水率较小 一 铜粉基本不吸水 一 。 通过对原材料的选取 、 配方的设计 , 可 以控制固体润滑剂的吸水率和膨 胀率 , 从而当镶嵌入轴承后 , 固体润滑剂从孔中因膨胀而挤出 , 达到形成固 体润滑转移膜的目的 。 同时水分的存在会对复合体系的热性能产生一定的影 响 。 五图谱分析 武汉理工大学硕士学位论文 , 一 一 百 一 一一一 自 刀卫 砂 一 曰 目七 元素 结合能 码 含量 基团 二 及 一 基中的元素 武汉理工大学硕士学位论文 由图 一 和表可知该碳纤维属基碳纤维 , 在碳骨架的 表面含有 二 及 一一 极性基团 , 有利于提高与其它组分的相容性 , 提高 层间剪切强度 , 二 , 比反映了碳纤维表面含氧官能团的 比例 。 固体润滑剂摩擦性能试验结果及分析 摩擦性能试验结果如表 一 所示 哟 配方号 摩擦系数 磨损面积 在载荷下 , 当铜粉加入量为 , 碳纤维份 , 份时 , 固体 润滑剂复合体系的摩擦系数会随着石墨含量的增加而逐渐增大 , 说明不加铜 粉时 , 摩擦系数受石墨加入量的影响不加石墨时磨损量最大 , 但当石墨加 入到份后 , 其磨损量的变化不明显 。 一 载荷载荷载荷 配方号摩擦系数磨损面积摩擦系数磨损面积摩擦系数磨损面积 一 曰 井 一一 一 在载荷下 , 当加入巧份铜粉 , 份碳纤维 , 份时 , 固体 润滑剂复合体系的摩擦系数先会随着石墨含量的增加而逐渐增大 , 当石墨达 到份时摩擦系数最大 , 继续加大石墨含量 , 则摩擦系数反而逐渐减小 石墨达到份时摩擦系数最低 , 说明复合体系中加入铜粉之后 , 其摩擦系 武汉理工大学硕士学位论文 数的变化逐渐复杂 。 石墨含量低于份时 , 其磨损量与石墨含量份以上的配方相比 , 高 近一倍 , 说明铜粉为份时 , 石墨含量超过份后可明显降低磨损量 。 在载荷下 , 石墨含量为份时摩擦系数最大 , 当石墨达到份时 摩擦系数最低 , 石墨含量在 一 份时摩擦系数基本保持相近 。 磨损量的数 据较少 , 规律不明显 , 故无法比较 。 从配方的试验结果可知随着载荷的增加 , 摩擦系数逐渐增大 , 磨损量也逐渐增大 。 介 一 载荷载荷载荷 配方号 摩擦系数摩擦系数磨损面积摩擦系数磨损面积 一一 井 八卜 人 八 一 勺白 、,上 、土 八 日 日 材 铜份为份 , 碳纤维份 , 份时 , 在载荷下 , 石墨 含量低于份时 , 摩擦系数较高 一 石墨含量在 一 份范围内 , 其摩擦系数降低 一 石墨含量增加至份时 , 其摩擦系数又有升高的趋势 当铜份为份时 , 石墨含量在 一 份时 , 配方可获得较低的摩擦 系数 配方叫摩擦系数变化复杂 , 不符合摩擦系数随着载荷增加而增大 的规律 , 需要进一步进行实验验证磨损量是随着载荷的增大而上升的 。 武汉理工大学硕士学位论文 一 配方号 摩擦系数 磨 损面 积 “ 载荷时 , 当铜为份 , 石墨加入量的大小对摩擦系数影响并不很显 著 , 说明铜含量大到份左右时 , 复合体系的摩擦系数与石墨加入量大小 关系较小 石墨量份时 , 磨损面积最小石墨量份时 , 磨损面积最大 石墨量在 一 份范围变化时 , 磨损面积变化幅度不大 。 这一规律有待进 一步验证 。 一 配方号 摩擦系数 磨 损面积 载荷时 , 铜份加入份 ,、 三种配方的摩擦 系数相近 , 而叫及则较高磨损面积数据较少 , 无法比较 , 要 找出规律必须进一步试验验证 。 试验载荷下 , 对所有配方的摩擦系数及磨损面积进行比较可知摩 擦系数最小的配方为 、 摩擦系数最大的配方为 , 磨损面积最小的配方是 、 磨损面积最大的配方是摊 。 配方优化 根据表 一 的试验数据 , 用样条函数拟合可得配方与摩擦系数的关 系 一 如图所示 武汉理工大学硕士学位论文 。 “ 卜 。 例姗 切娜 弓弓 润叨 , 饲饲心 吞吞 饲帅朽 州又 二 印 认一公一 。一几 一又苏刃 , 一之 、 , , 一 万一 一二沐 一念一 夕 气 、 、 不 一 刁 卜 人 认 权卜匕卜 卜 。 发乞场巧 让众红众 翻展终徽 石墨份数 当铜粉为份时 , 摩擦系数随着石墨含量的增加而逐渐增大 。 说明 如不加铜粉 , 整个配方体系的摩擦系数保持较高值 当铜粉为巧份时 , 石墨为份时 , 摩擦系数最大石墨为份时 , 摩擦系数最小 , 石墨为份时 , 摩擦系数取中值 。 石墨在 一 份区间变 化时 , 摩擦系数呈上升趋势 , 但上升幅度不大 当铜粉为份 、 石墨为份时 , 摩擦系数最大石墨为份时 , 摩 擦系数最小石墨在 一 份区间变化时 , 摩擦系数又随着石墨含量的增 加而逐渐增大石墨在份附近摩擦系数可达该配方体系的最低值 当铜粉为份时 , 摩擦系数随石墨含量的变化不显著 当铜粉为份 、 石墨为份时摩擦系数最大 , 石墨加到约份时 , 摩擦系数达到最低点 , 后又逐渐增大到约份时达最高峰 , 到份时 , 摩擦系数与份时相近石墨在份附近 , 摩擦系数可达该配方体系的 最底值 。 优化结果验证 为了验证结果 的正确性 , 在拟合曲线上选择了具有代表性的个试验点 进行配方验证试验 , 试验结果如表所示 武汉理工大学硕士学位论文 肠 、乞 配方号摩擦系数预测值摩擦系数实测值备注 井 一 一 一 一 一 符合预测值 符合预测值 误差较小 误差较小 误差较大 以自 自 了 臼 曰白白 八 日 由表可知该验证试验基本符合摩擦系数的变化趋势 , 说 明拟合曲线的 结果是基本正确的 。 同时进一步得出以下结论当铜粉为份 , 石墨 一 份时及铜粉为份 , 石墨 一 份时 , 摩擦系数在整个配方体系中是较低 的而铜粉为巧份 , 石墨份附近的试验点应进一步研究 。 结论 在本章中 , 选用聚 四氟乙烯为树脂基体 , 加入石墨 、 二硫化铝 、 铜粉 、 碳纤维等粉末作为添加剂 。 用及表征固体润滑剂所选用的原料具 有均匀的尺寸 、 形状 、 较高的纯度用 一 分析 下 树脂热分解温度 超过 , 能够保证以此为基体配制的固体润滑剂摩擦时的耐温性能由 图谱可知碳纤维属基碳纤维 , 在碳骨架的表面含有 二 及 一 一 极性基团 , 有利于提高与其它组分的相容性及层间剪切强度由吸水性试验 可知石墨的吸水量最大 、 碳纤维第二 、 和铜粉较小 、 二硫化铝的居 中 。 同时根据均匀试验方法设计配方 , 并对所设计的配方体系进行摩擦性能 试验用样条函数对试验数据进行拟合 , 指出配方与摩擦系数间的关系 , 最 后在拟合 曲线上选取具有代表性的试验点进行验证试验 , 达到优化的目的 。 试验结果表明 选择铜粉及石墨分别在 一 份之间变化 , 可以保证固体润滑剂的成 型加工性能 均匀设计试验方法能够用较少的试验次数找出配方与摩擦性能间的 关系 配方中不加铜粉或不加石墨时 , 其摩擦系数均较高 , 说明铜份和石墨 武汉理工大学硕士学位论文 必须配合使用 当铜粉为份 、 石墨为份 , 铜粉为份 、 石墨为 一 份或铜 粉为份 、 石墨为 一 份时 , 摩擦系数均可达较低值 验证试验基本符合摩擦系数的变化趋势 , 说明拟合曲线的结果分析是 基本正确的 。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章固体润滑剂及镶嵌轴承套的制备 水轮发电机主叶片轮轴承适宜用镶嵌型固体润滑轴承 , 即将聚四氟乙烯 基复合材料制成固体润滑剂 , 镶嵌入铜合金基材 , 与钢组成摩擦副 , 服役于 水轮发电机组 。 故涉及固体润滑剂的制备及镶嵌轴承套的制备等两方面的工 作 。 固体润滑剂的制备 聚四氟乙烯树脂从分子结构看是直链状热塑性高分子化合物 , 但是即使 把它加热到熔点 以上 , 也只是形成无定形的凝胶态 , 呈现 “ 一 、” 的极高熔体粘度而不能流动 , 因此 以聚四氟乙烯树脂为主体的复 合材料难以用标准的热塑性塑料的加工方法进行成型加工 , 一般采用类似 “ 粉末冶金 ” 的冷压与烧结相结合的加工方法 一。 原料 聚四氟乙烯 , 石墨 , 二硫化钥 , 铜合金 , 碳纤维等 设备 天平 , 高速搅拌机 , 液压机 , 烧结炉 制备工艺 固体润滑剂的制备工艺 原材料称量混合 冷压烧结 物料的混合工艺按配方比例称取一定量的物料 , 在 一 的转速下 , 混合分钟