（化学工程专业论文）钛酸钾晶须聚四氟乙烯复合材料的摩擦学研究.pdf

硕士学位沦文 摘要 摩擦学是一门涉及物理化学、材料学、表面工程学、数学、机械学、力学、 热力学等学科的高度交叉的边沿学科。因为摩擦是发生在接触表面之问的相互作 用，现代摩擦学被定义属于表面科学的范畴。聚合物复合材料因其结构和性能的 可设计性，一直是自润滑密封材料的首选。但因其结构的复杂性和影u 向摩擦学性 能因素的多样性，人们对聚合物及其复合材料的摩擦磨损机理尚未完全了解。 本文以钛酸钾晶须聚四氟乙烯( p t w p q l f e ) 体系为研究对象，考察了其摩 擦磨损性能、力学性能、硬度等随p t w 含量的变化，并分析了各性能之间的内 在关系。 p t w 的加入，在一定程度上提高了材料的硬度，但差别不大。当p t w 含量 为1 5 w t 时硬度最大，约为邵氏硬度6 9 ，比纯p t f e 高近1 0 ；材料的冲击强 度和拉伸强度，随着p t w 的加入均得到明显改善。当p t w 的填充量为1 5m 时复合材料的冲击强度和拉伸强度最高，其中冲击强度的提高更为明疆，比纯 p t f e 高了约5 0 ，拉伸强度提高了约3 0 ； 在2 0 0 n ，14 m s 的测试条件下，盯w p t f e 复合材料磨损率随p t w 含量的 提高呈先下降后上升的趋势，填充量为2 0 w t 时，磨损率最低，比纯p f i f e 降 低了1 0 0 0 倍；复合材料的摩擦系数随着p t w 含量的提高而降低，这是由于p t w 的加入，可以有效地减少对磨材料与p t f e 的直接接触；随着p t w 含量的增加， 磨屑逐渐变小，这明显说明p t w 能够有效地阻止p t f e 带状结构的大面积破坏， 改变磨屑形成机理，降低磨损； 一种材料的基本性质取决于其分子结构，特别是聚合物材t x ，如p t f e ，其 结晶度、结晶型态和大小以及晶区分布等状态对其最终产品的性质有着重要影 响。无机有机复合材料所表现出来的性质，除取决于两种材料的本征结构外， 还受这两种材料相互作用的影响。本文考察了不同填充量的p t w 对p t f e 结晶 过程的影响，并在此基础上分析了结晶行为与对其硬度、力学强度以及磨损性能 的影响。 p t w 有着很强的异相成核能力它的加入提高了p t w p t f e 复合材料的结 晶度和结晶的完整性。随着p t w 含量的增加，其结晶度呈先上升后下降的趋势， 摘要 当p t w 含量为3 0 w t 时结晶度最高，比纯p t f e 提高了2 0 。磨损性能随p t w 含量的变化趋势与结晶度随p t w 含量的变化趋势有着明显的一致性，但并不完 全相同，这表明，结晶度的变化只是影响磨损性能的一个方面。其硬度与力学性 能随p t w 含量的变化趋势与结晶度随p t w 含量的变化趋势虽不尽相同，但均 能看到其受结晶度的影响，这种关联关系的不明显主要是山于复合材料体系的复 杂性以及性能的影响因素众多造成的。 本文考察了以p t f e 为基础相的多相体系的摩擦磨损性能，结果显示聚苯酯 ( p h b a ) 的加入可以显著改善p t f e 材料的摩擦磨损性能。p h b a 含量为2 0 w t 时摩擦系数最低，这归结于p h b a 的加入，提高了材料的表面硬度，继而有效 减少犁沟切削作用。p h b a 含量为3 0 w 1 时磨损性能最好，比纯p t f e 提高了 5 0 0 倍，但与p t w p t f e 体系相比，其磨损性能仍有差距。在p h b a p t f e 体系 中再加入其他填充材料，可以有效地提高材料的酬磨性能。当p h b a 含量为 2 0 w i 的p h b a p t f e 体系中加入5w 1 c f 和2v e t p t w 时体系的磨损系数最 低，比2 0 w t 的p h b a p t f e 体系的磨损性能提高了近2 0 倍。 在p h b a p t f e 复合体系中再加入一定比例的其他填料，形成的多相混合体 系如2 0 p h b a + 5 c f + 2 p t w + p t f e和 2 0 p i t b a + 5 c f + 2 p t w + 2 g r a p h i t e + p t f e ，在摩擦过程中，体系的摩擦系数在o 0 6 到0 1 6 之间呈周期性变 化。这种变化可能是由于摩擦过程中，形成复合利料的各组分形成协同效应，在 对磨面上形成一种独特的转移膜，大大降低摩擦系数。这种转移膜不能稳定存在， 一定条件下会遭遇破坏。在摩擦过程巾，转移膜反复的被破坏又不断的形成，所 以造成摩擦系数处于不断变化过程中。 关键词：聚四氟乙烯钛酸钾品须p t w 摩擦磨损结品 硕士学位论文 a b s t r a c t t r i b o l o g yi sac r o s s e da n dm a r g i n a lo l o g y i ti s r e l a t e dt op h y s i c a lc h e m i s t r y , m a t e r i a ls c i e n c e ，m a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c s ，t h e r m o d y n a m i c sa n de ta 1 t r i b o l o g y b e l o n gt os u r f a c es c i e n c eb e c a u s ef r i c t i o no c c u r o nt h ec o n t a c t e ds u r f a c e ，a n dh a s t h r e er e l a t i v es e c t i o n s ：f r i c t i o n ，w e a ra n dl u b r i c a t i o nb e c a u s et h ef r a m ea n d p e r f o r m a n c ea r ep r o g r a m m a b l e ，p o l y m e r sc o m p o s i t e s a r et h ep e r f e c tc h o i c ea s s e l f - l u b r i c a t i o nm a t e r i a l s h u m a nb e i n g sh a v en o tu n d e l s t o o dt h ef r i c t i o nm e c h a n i s m o fp o l y m e rc o m p o s i t eb e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo ff l a m ea n dt h em u l t i p l e xo f p e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，t h ef r i c t i o n ，w e a r , m e c h a n i c a la n dr i g i d i t yb e h a v i o ra n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s eb e h a v i o r so fp o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ( p t f e ) f i l l e dw i t h p o t a s s i u m t i t a n a t ew h i s k e r s ( p 1 1 w ) h a sb e e ns t u d i e d p t wc o u l di n c r e a s et h er i g i d i t yo fc o m p o s i t ei nac e r t a i ne x t e n t t h ec o m p o s i t e w a st h em o s tr i g i do n ew h e nt h ep t wc o n t e n tw a s15w t t h ei m p a c ts t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hw a si m p r o v e do b v i o u s l y t h et w ot y p e s o fs t r e n g t hc h a n g e dw i t ht h ec o n t e n to fp t ww e n ta l lt h ew a y t h ec o m p o s i t eh a dt h e h i g h e s ti m p a c ts t r e n g t ha n d t e n s i l es t r e n g t hw i t ht h ep t wc o n t e n tw a s15w t w e a rr a t eo fp 1 1 w p t f ec o m p o s i t ed e c r e a s ed r a m a t i c a l l yw i t hp t wc o n t e n t i n c r e a s i n gf r o m1t o2 0w t a n dt h e ni n c r e a s es l i g h t l yw i t hp t w c o n t e n tf r o m2 0t o 4 0w t t h ep t f ec o m p o s i t er e i n f o r c e dw i t h2 0w t p t wh a st h eb e s tw e a r r e s i s t a n t ，w h i c hi so v e r10 0 0t i m e sl a r g e rt h a np u r ep t f e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t d e c r e a s e dw i t ht h ec o n t e n to fp t wb e c a u s ep q l wc a nr e d u c et h ed i r e c t e dc o n t a c t b e t w e e np 1 1 f ea n dc o u n t e r f a c e f h ei m a g eo fa b r a s i v ed u s ta n dt h ew o r ns u r f a c e h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e s eo b s e r v a t i o n ss h o wt h a tt h ep t w h a st h ea b i l i t yt o r e d u c ew e a rb yp r e v e n t i n gt h ed e s t r u c t i o no fp t f e sb a n ds t r u c t u r e i n t h i st h e s i st h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r sh a v e b e e nc o m p a r e da m o n g p t w p t f e ，c a r b o nf i b e r ( c f ) p t f e ，g l a s sf i b e r ( g f ) p t f e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c f g f p t wa l lc o u l di m p r o v e dt h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r so fp t f e ，a n dp t w a b s t r a c t w a st h eb e s t t h ed o m i n a n c eo fp t wc o u l db et h et i n i e s ts i z e w h i c hc o u l dp r e s e n t t h em a x i m u ms a r f a c ea r e ao nt h es u r f a c eo fs a m p l e s ，r e d u c e dt h ed i r e c t e dc o n t a c t b e t w e e np t f ea n dc o u n t e r - f a c e ，a n dt h e nr e d u c e dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r r a t e t h er u d i m e n t a lc h a r a c t e r so fam a t e r i a ll i eo ni t sm o l e c u l es t r u c t u r e e s p e c i a l l y ， t h em e c h a n i c a l ，c h e m i c a la n dt h e r m a lc h a r a c t e r so fp o l y m e rm a t e r i a ll i e o i lt h e i r m o l e c u l ea r r a n g es u c ha sp t f e ，w h o s ed e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o n ，t h ef o r mo f c r y s t a l a n dt h ed i s t r i b u t i o no fc r y s t a la l lc a na f f e c tt h ec h a r a c t e r s s ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n m a t e r i a l sc o u l da f f e c tt h ec h a r a c t e r so fc o m p o s i t e ，t h ec r y s t a lo fp t f ec o m p o s i t ea n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o na n dt h ew e a rb e h a v i o rw a sa n a l y z e d b a s e d0 nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np t wa n dp t f ej nt h i st h e s i s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o na n dt h ei n t e g r a l i t yo fc r y s t a l o fp t f ec o m p o s i t ew a sr e m a r k a b l ei n c r e a s e dw i t hp t wc o n t e n ti n c r e a s i n gd u et ot h e a b i l i t yo fh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o no fp t 、mt i r ed e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o na t f i r s t d e c r e a s e da sp t wc o n t e n ti n c r e a s e df r o m0t o3 0w t ，a n dt h e nd e c r e a s e ds l i g h t l y f r o m3 0t o4 0w t t h ec o m p o s i t ew i t h3 0w t p t wh a dt h eh i g h e s td e g r e eo f c r y s t a l l i z a t i o nw h i c hw a s2 0 h i g h e rt h a np u r ep t f e t h e s ee f f e c t sw e r eh e l p f u lt o i m p r o v et h er i g i d i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a rp r o p e r t i e s t h eu n i t a r yc h a r a c t e ro fam u l t i p h a s es y s t e mi sc o n t r i b u t e db ya l lc o m p o n e n t s t h ec o n t r i b u t i o no fe a c hc o m p o n e n ti sd i f f e r e n t t h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e ro f s e v e r a lm u l t i p h a s es y s t e m sb a s e do np t f ep o l y m e rw e r er e s e a r c h e di no u rw o r k f h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tp t t b ac o u l di m p r o v et h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fp t f e r e m a r k a b l e f h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc o m p o s i t ew i t h2 0 埘p i f b aw a st h el o w e s t o n e t i r ec o m p o s i t ew i t h3 0w t p h b ah a dt h eb e s tw e a rp r o p e r t i e s s o m eo t h e rf i l l e rw e r ef i l l e dt ot h ep h b a p t f es y s t e m ，w h i c hc a ni m p r o v et h e w e a rp r o p e r t y i no u rw o r kt h es y s t e mc o n t a i n2 0w t p h b a ，5w t c fa n d2 a r t p t wh a dt h eb e s tw e a rp r o p e r t i e sw h i c hw a s2 0t i m e st h a np h b a p t f es y s t e m s o m eo t h e rf i l l e rw e r ef i l l e dt ot h ep h b a p t f es y s t e mt ob em u l t i p h a s es y s t e m i no u rr e s e a r c h i n gw o r kt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft w om u l t i p h a s es y s t e m sp r e s e n t e da t y p eo fs p e c i a lp e r i o d i c i t y o n em u l t i p h a s es y s t e mc o n t a i n e d2 0w t p h b a ，5w t 硕士学位论文 c e2 叭p l wa n dp i f e ，t h eo t h e rs y s t e mc o n t a i n e d2 0 埘p h b a 5 州 c f , 2w t p t 彬2w 1 g r a p h i t ea n dp t f e t h es p e c i a lp e r i o d i c i t yc o u l db e c a u s e db yt h et r a n s f e rf i l m ，w i t ht h et e s t ，t h em u l t i p h a s es y s t e mc o u l df o r mas p e c i a l t r a n s f e rf i l m0 nt h ec o u n t e rf a c e ，b u tt h et r a n s f e rf i l mw a su n s t a b l ea n dc o u l db e d e s t r o y e dq u i c k l y t h et r a n s f e rf i l mw a sf o r m e da n dd e s t r o y e dc o n t i n u a l l yi nt h e f r i c t i o np r o c e s s ，w h i c hc a u s e dt h ep e r i o d i c i t yo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t k e y w o r d s ：p t f e ；p o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r ；f r i c t i o n ；w e a r = c r y s t a l l y z e 第一章绪论 人类文明的进步注定要求新捌料会成为二十世纪的支柱产、址之一，也同样 注定了新材料的丌发是各研究领域的热点。在摩擦学领域，自润滑材料，一直以 来都倍受科研界和工业界的芙注。对压缩机行业来说，在高载荷作用下，活塞环 与气缸腔体之间存在高速相对运动，这样的1 作条件对其自润滑活塞环的摩擦学 性能、机械性能等提出r 很高的要求。然而在如此苛刻条件下，材料摩擦磨损机 理尚未为人们完全了解，因为摩擦磨损过程是一个非常复杂的分子一机械运动过 程，影响因素错综复杂。因此，研究能满足苛刻条件下使用的自润滑材料，并探 讨其摩擦磨损机理具有非常重大的现实意义。 1 1 摩擦学的发展历史 摩擦是伴随着运动产生的种自然现象，它无处不在地发生在我们周围。从 生命体的新陈代谢，到大自然巾的潮起潮落，都有摩擦现象的存在。人类早在远 古时代就有对摩擦的应用，钻木取火就是最好的例子，尽管那时候可能还没有认 识到什么是摩擦。一千多年前，人类已经能够主动运用摩擦进行生产活动，古埃 及l j , j 了移动建造金字塔所需的巨型石块，在冬天向路面上泼水使之结冰，使石 块在冰面上移动，或者使用滚木以此次减少运动阻力；在我国，出土的汉代文物 中就发现了车轴轴承及其润滑装置。 人类早期对摩擦的认识是在生产生活过程中氏期积累的一种感性认识。随着 社会的不断进步，人类认识自然改造自然的能力不断增强，这种能力的增强主要 体现在对生产工具的创造和使用上，从摩擦的角度来看，生产工具大多离不丌对 摩擦的应用。蒸汽机的使用标志着工业革命的到来，这段时期，大量的机械应用 于人类的生产生活过程中。机械的大量使用必然需要人类对摩擦有着比较深刻的 认识。这段时期也正是摩擦学蓬勃发展的时期。 l e o n a r d od a v i n c i ( 1 4 5 2 15 1 9 ) 第。个对摩擦提出了科学的论断，在他以前， 摩擦学的进展并无明显的逊象。他认识到，摩擦力与载荷成正比，而与名义接触 面积无关。过了将近两百年，a m o n t o n 于1 6 9 9 年电发表了这两条定律，这与 第一章绪论 l e o n a r d odv i n c i 毫无联系，一般认为这两条定律是他发现的。1 7 8 0 年，c o u l o m b 提出了摩擦第三定律，即摩擦力与速度无关。这三条定律作为公理一直沿用到今 天。这段时期，摩擦学还有许多的发展，特别是新型轴承材料的应用【“。 上世纪以来，现代工业对摩擦学提出了更高要求，摩擦学也获得了明显的发 展。以汽车为例，目时我们规定汽车发动的额定寿命为1 0 万公里，而数十年前 的寿命期限仅为它的三分之一。值得指出的是，一辆现代汽车具有两千多个摩擦 接触部位。因此，摩擦学这门学科对各行各业的1 程技术人员来说非常重要口】。 在2 0 世纪6 0 年代以前，对研究摩擦的人员分布于各个学科利料、化学、 机械、力学等，此时的摩擦学还不是一门专门的学科。上i _ = 【：纪6 0 年代中期，英 国教育科学研究部发表的关于摩擦学教育和研究报告( 常称为j o s t 报告) 首 次提出了摩擦学( t r i b o l o g y ) 一词，其简要的定义匙关于摩擦过程的科学”。此 后，摩擦学作为门独立的边缘学科才被人们接受 2 1 。 过去很长时问以来，人类对世界的认知停留在宏观、微观两种尺度下，而对 其中间过渡的纳米尺度缺乏了解。从上世纪以来，各学科均兴起了对纳米尺度的 研究，以更好建立宏观与微观的联系。在摩擦学领域，对纳米尺度的研究同样是 众多科学家研究的热点。在此之前，摩擦学的研究经历了几百年的历史，但这些 研究仅仅停留在对摩擦磨损现象试验观察利理论分析h 对其本质的形成机理的 解释缺乏明确的证据。纳米摩擦学的 l 现川f 是解决这一困难的有力工具。随着 现代科技的发展，计算机的运算能力大幅提高，大量先进测试技术和仪器的出现， 使得纳米摩擦学能够在计算机模拟的基础上获得试验的验证。 1 2 摩擦学的主要研究内容 摩擦学是一门涉及物理化学、材料学、表面：i ：程学、数学、机械学、力学、 热力学等学科的高度交叉的边沿学科。因为摩擦是发生在接触表面之间的相互作 用，现代摩擦学被定义属于表面科学的范畴，它是润滑。摩擦和磨损三个相对独 立的研究领域综合的结果。这三个领域及其内在联系依然是目前摩擦学的主要研 究内容。 润滑、摩擦、磨损这三个过去相对独立的研究领域，从其内在联系看，是完 全统一的。我们知道摩擦是由于接触表面问的相互作用引起的，当接触表而发生 硕士学位论文 了相对位移，就有了功的产生，也就存在着能量的损耗。困此对摩擦的研究主要 是研究表面的相互作用和能量损耗。 表面的相互作用通常有两种形式：一是粘着，粘者力是由于紧密接触的表面 相互作用产生的，通常与材料的表面能相关；另一种作用因为粗糙4 ；平的表面造 成微凸体的互嵌，这种互嵌在发生相对运动时必然造成接触 表面之间相互作用的 剪切力。 相互作用所引起的能量损耗存在于两个方面：变形和断裂。断裂是因为相互 作用超过了材料本身的强度，断裂的产生就是磨损。因此，减小接触表面之间的 相互作用，即减小摩擦是降低磨损的一个方法。显然，提高材料本身的强度是降 低磨损的另一个方法。 润滑，是指在接触表面之间加入笫三相，以降低摩擦。这种能降低摩擦的第 三相通常均为低表面能的物质，如常用的备种润滑油、石墨、m o s ，、p i f e 等。 降低表面能可以减小材料与接触表面之间的粘着，从而降低减小摩擦力，在复合 材料中加入的这些绢分通常也起着同样的作用，但同时，复合材料中的这些低表 面能的物质同样会降低复合材料内部各组分之阃的结合力，造成强度下降从而降 低影响材料摩擦磨损性能。 圈1 - 1 脬撩性能的影响冈素 f i g 1 - li n f l u e n c i n gf a c t o rt of r i c t i o n 因此，正如图1 一l 所示，刘于。一个能满足复杂状态下摩擦磨损的机械部件而 苦，其摩擦学性能通常都是各组分的综合贡献。其最终摩擦磨损性能是各因素的 综合平衡结果，其影响各不相同，在设计材料时，需要对各组分的影响综合考虑， 使其整体性能达到要求。 复合材半斗由于其结构和性能具有可设计性，因此特别适合作为摩擦部件材 料。从目前使用的一些由聚合物复合材料制成的摩擦磨损部件来看，绝大多数为 多相体系复合的材料，其体系中备组分的作用可能备有不同，但总的来说不外乎 提高材料的强度和降低材料摩擦系数( 表面能) 4 1 。 1 , 3 摩擦学的主要研究方法 在摩擦学发展的几百年的历史中，理论分析和试验观察一直是研究人员不变 的研究方法。从工程应用的角度出发，满足实际需要是一切研究的最终目标，常 规的摩擦磨损及力学性能测试即可使研究者对材料的性能获得认知。但对性能的 认知只能停留在“知其然”，而未达到“知其所以然”。 现今科学家们对材料的研究和认识通常从材料的组成、结构与性能以及这三 者之间的关系出发，最终实现其设计的可控性。这一研究思路在摩擦学领域同样 十分有效。不同的材料具有不同的摩擦学性能，这种性能的差别究其本质，来自 于材料的组成与结构的差别。 材料的组成，通常意义上来说是指材料的分子结构这一微观层面。它决定了 材料众多的基本属性。材料在某一条件i - 自 3 相念、形貌，甚至材料的密度、颜色 等均受其影响。在材料领域，山于组成升i 同而形成的差别最大莫过于无机物和有 机物的差别。这些基本属性的差别必然造成材制性能的差别。大量的分子以一定 的方式聚集在一起形成宏观状态下的材料，这种聚集方式或者晓是聚集态结构f 是通常所说的材利的结构。由于结构不同而引起材料性能的差别在自然界巾十分 普遍，最常见的可能就是水和冰。在摩擦领域，人们对材料性能的要求无j f 是特 定条件下的摩擦和磨损性能。正如前文所述，摩擦磨损性能取决于材料的表面能 和强度，而表面能和强度则为材料的分子组成和其聚集态结构所控制。冈此对摩 擦材料的研究必然需要遵从组成、结构与准能三者的关系。 要对材料的结构及性能获得可控性，这就需要对材料的微观结构获得认知， 这一认知建立在人类能够剥材料微观世界的观察的基础之上，现代测试技术和仪 器的发展，使得在原子、分子尺度上观察成为可能。对于摩擦学的研究，原予、 分子分辨级的仪器不仅是观察材料微观结构的工具，而且是进行摩擦试验的有力 工具。 1 9 8 1 年i b m 公司的b i n n i n g 和r o h r e r l 5 等发明了扫描隧道显微镜( s t m ) ， 它可以在原子分辨率条件下观察导电表面的状态，用于研究洁净表面和润滑剂分 予的行为变化。1 9 8 5 年b i n n i n g 等人【6 1 在s t m 的基础上发展的原子力显微镜 ( a f m ) 对纳米摩擦学的研究发展产生了巨大的推动作用，它提供了导电体或 绝缘体基片表面与探针之间微小的测量手段，成功地应用丁研究纳米尺度的表面 形貌、表面接触粘着过程的力学特性以及表面静电力测量。随后，m a t e 7 】等人以 及m e y e r 和a m e r 心j 通过对a f m 的改进研制成功摩擦力显微镜( f f m ) ，它可以 同时测量基片与探针之问的法鼬和横向( 即沿基片表面方向) 的微小力，满足在 原予尺度上研究微观摩擦规律的需要。a f m 和f f m 还可以广泛应用于微观磨损 和微切削加工机理，测量表面纳米层的微硬度和其他机械性能，考察分子润滑膜 以及材料转移行为等领域。 随着人类社会的进步，计算机运算能力的只益强大，使得计算机模拟成为对 摩擦学研究的一个有力：r 其。 随着现代科学技术进步，研究对象的尺度| ：二| 益缩小，特别是对于纳米科技的 研究对象，用连续介质力学来描述这类处于原予、分了状态的吲体或液体的动力 学特性，显然是不合适的。经过长时期的探索之后，从统计物理学中衍生出来的 分子动力学模拟( m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，m d s ) ，实践证明是一种描述 微观现象的有效方法，因而得到人们越来越广泛的重视，并成功地应用1 二包括纳 米摩擦学在内的许多微观研究领域( “。 分子动力学模拟方法的基本原理是：建立一个粒子系统束模拟所研究的微观 现象，系统中各粒子之划t l 的相互作用根据量予力学来确定。对于符合经典牛顿力 学规律的大量粒子系统，通过粒子动力学方程组的数值求解，决定各粒子在相空 间的运动规律和轨迹，然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理特性。 幽于分子动力学模拟具有沟通宏观特性与微观结构的作用，对于许多在王里论 分l j t - , n 实验观察1 - _ 7 1 i 难以了解的现象可以作出一定的微观解释，因此它在物理 学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛应用。在揭示各种现象的本 质和探索新规律的微观研究中取得很大的成功，被认为是本世纪以来除理论分析 和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计t 算机实验”手段。 纳米摩擦学是在原子、分子尺度上研究发生在摩擦表面上的现象，它涉及到 各种固体和液体材料组成的非均匀系统的能量转换、结构变化、动力学和热力学 第一章绪论 过程，以及在非平衡状态下非线性的机械作用和流动性为。同时，纳米摩擦学现 象又不仅仅是单纯的分子行为，而是许多分子的协同作用和综合表现。实践证明， 分子动力学模拟的特点是能够有效地进行微观的动念过程分析，计算中其空间尺 度可以达到纳米量缴，时删尺度亦可以达到纳秒量级，因此特别适合于纳米摩擦 学研究。 迄今为止，纳米摩擦学涉及的各个研究领域几乎都有分子动力学模拟计算的 研究报道。在固体表面接触与分离、表面粘着行为与材料转移、微观摩擦与粘滑 现象、微磨损与微切削加工，以及固体与液体的界面作用、纳米薄膜流变特性、 有序分子膜的构性关系等方面的分子动力学模拟研究都取得了重大进展，其中不 少结果己为实验所验证。发展至今，分子动力学模拟技术不仪成为纳米摩擦学理 论分析的基本手段，而且还呵望应用于摩擦副表面材料和润滑介质的分予结构设 计和性能评定。 1 3 摩擦学的研究意义 和其他一些应用基础科学( 如弹性和塑性力学) 的发展相同，工程需求是摩 擦学发展的第推动力。这就是所谓的工程先导性。摩擦学的工程先导性还表现 在巨大的经济效益和较高的投资回报率。根据j o s t 报告，如果注重摩擦学知识的 运用，增加科研投入，呵使英国节约5 亿英镑( 1 9 6 5 年) 。而日本和美圉的调查 结果分别为1 9 9 亿美元( 1 9 6 9 年) 和1 6 0 亿美元( 1 9 7 7 年仅能源节约一项) ，摩 擦学的投入产出比可达1 ：1 13 。崮内1 9 8 6 年对大庆、鞍钢、上海机械工业局下 属企业等单位的调查，冶金行业可节约4 4 2 3 亿元；石油行业2 8 亿元；全国工 业企业预期可增加利润1 7 6 亿元，投入产出比在1 ：4 0 到l ：7 0 之劂【t l 。2 0 0 4 年在中国工程院与国家自然科学基金委联合召丌的“摩擦学科与工程研讨会”上， 专家指出，我国每年由于摩擦、磨损损失5 8 4 7 亿元而2 0 0 3 年全国工矿企业 在此方面的节约潜能约4 0 0 亿元。因此，在全球颤临资源、能源与环境严峻挑战 的今天，研究摩擦学有着重要的历史意义i l 。 1 4p t f e 及其复合材料的摩擦学研究 正如前文所述，工程需求是摩擦学发展的第一推动力，在新材料成为2 1 1 _ i 硕士学位论文 纪支柱产业之一的今天，新型摩擦材料既是摩擦学的研究热点，也是实际应用对 摩擦学提出的要求。 和无机材料或者金属材料相比，聚合物具有高比强度、比模量、低摩擦系数、 消声吸震等独特性能，这些性能注定了其将会受到摩擦研究者的广泛关注。 1 4 1 摩擦领域常用的聚合物材料及其性能 1 8 7 2 年硝化纤维作为聚合物使用的第一个专利产品实现了工业化生产，标 志着人类真正开始进入使用聚合物材料的时代。此后，各种性质的聚合物材料不 断涌现，性能不断提高，应用范围越来越广。时至今同，短短一百多年的历史， 聚合物在我们生活中随处可见，已经成为人类不可或缺的材料之一。聚合物的使 用程度已经成为某些行业甚至社会文明先进程度的标志。 摩擦的特殊要求决定了该领域常用的聚合物材料需要具有低摩擦、高强度、 高模量、耐温等性质。符合这些要求的聚合物大多是一些高性能的工程塑料，如： p t f e ( p t f e ) 、聚醚醚酮( p e e k ) 、p h b a ( p h b a ) 、聚酰亚胺( p i ) 、聚甲醛 ( p o m ) 等。表1 1 给出了聚合物材料及其性能指标。图1 - 2 为多种聚合物所能 承受的最高工作温度。 图1 - 2 多种聚台物材料所能承受的i ：作温度】 f i g 1 - 2t e m p e r a t u r ec a r r y i n gc a p a c i t yo f s o m ep o l y m e rm a t e r i a l s 窜 苫 高旨蜀 弩 ； n 暑 毫 i 蓦 誊 罱暑昌 蟊 2 2 参 蓦詈器器器营言i 、。n 童羔 暑 誉 等窨等 墨 i 2 ：墨 ； 穹昌暑 兰 磊 2 曼 叶 曩羹垦詈 兰军 詈 墨星兰兰 未导 2 兰 薹 l 兰美 呈 =鬲鬲 罾 垂塑至藿 量 誊 萼昌乳 量 粼 一 一q =苫 薰暖至塞蓦曼誊昌昌兰星至i 昌警蜀； 冀搿墨襄星r q 宝兽寓宾宾兰未t l ：墨蔓 l 暑粤 量虽 奢 墨虽墨 嚣 未异量 n 景 专 p f 萋差差差pg 摹誊喜 p f 量歪歪 p 薹 摹 董 皇 0 盹 n i | 蛩酱 f 将酥 鄙壤掘 ；，i 甾割崧甾痞聪 s 蝌* 卜叶一 匿趟蹀 o = 晷馨f * 小一一 唾将醋 口岳样 卜n - 1 警捌 崧谢醋 一乱苫崎n o 晷罄f * 寸n ，一 唾酥 0 0 i = o ， 巡器戗癣型群邕莆 世陋懵是口搿，c山b工u删搭掣歌 辟出量群磐越黑群鉴、越想聋嗵 =i避赠映斟最3-02鼎哺邕蛰帮p02n辐婿拦蛰2莳。o。下篇鼎婿崔毽餐p 糌- 吕耀呸皋辞磷铤 赵赠薯竣0 蜒毯稚簿棹议廿 一每厶 一 确五 n s h 回 r i m 口| v 缸_ 叫山 _ 山 ) i 嗣 s d 山 回凶山 掣卧 写耳蚶 丞曼10aluo-o uo写唇oj矗乱。i冶一-i u i q 舟一 三罐型毒埔星宴萁s如醚剖1 i - _ 擗 窜毒争朴媾 硕士学位论文 1 4 2p t f e 的结构及其特性 由以上数据不难看出，p t f e 不仅具有最低的摩擦系数、较高的强度和模量、 很好的耐温性能等摩擦领域特别关注的性质，而且具有极其优异的化学稳定性和 耐高低温性能( 使用范围2 0 0 2 6 0 。c ) ，这使其获得了“塑料之王”的美称。长期 以来，p t f e 一直是润滑密封材料的首选。 一种材料的基本性质取决于其分子结构，特别是聚合物材料，所表现出来的 机械性能、化学性能、热性能等差异性通常都取决于其分子的排列状态，对于结 晶型高聚物，如p t f e ，其结晶度、结晶型态和大小以及晶区分布等状态对其最 终产品的性质有着重要影响1 1 2 - 1 3 1 。 p t f e 具有延展性的链状分子- - ( c f 2 - - c f 2 ) n - - ，没有任何的支链，整体内不 形成交联，因此其分子轮廓非常光滑( 如图1 3 所示) 。 ( a ) t e m p e r a t u r eb e l o w1 9 p 藕壤辆藕鸶麟塾删籀磷黪潞撼 ( b ) t e m p e r a t u r ea b o v e1 9 图1 - 3p t f e 光滑分子结构模型1 f j 晷l _ 3 s t r u c t u r em o d e lo f p t f em o l e c u l e p t f e 单体大分子在温度低于1 9 时呈三棱体型；螺旋形大分子中每1 3 个 碳原予扭转18 0 。，纤维周期1 6 9 n m ( 图1 3 ( a ) ) ，在温度高于1 9 c 时里六面体型， 每1 5 个碳原予扭转1 8 0 0 ，纤维周期1 9 5 n m ( 图1 3 1 ( b ) ) 。当温度达到3 0 。c 时p t f e 晶体发生结晶松弛，链的螺旋变成了无规则的缠绕。另外，p t f e 还在一6 5 。c 和 1 2 0 。c 附近发生无定形转变，而1 2 0 c 附近的转变被认为是p t f e “真正的”的玻璃 化转变。因此，当温度超过1 2 0 后，p t f e 材料的性能会明显下降。 p t f e 属于半结晶聚合物，其晶体由平行排列的折叠链形成片晶，再由片晶 堆积形成带状多晶聚合物，片晶与片晶间为粘性的无定形部分，p t f e 的带状结 晶结构模型如图1 4 所示： 第一章绪论 图1 - 4p t f e 的带状结晶结构模型l ”j f i g 1 - 4 b a n dc r y s t a lm o d e lo fp t f e 般蜕来，p t f e 因外界因素而引起的变形及破坏都发生在无定形部分。p t f e 特殊的结构决定了其特殊的性能。层状的结晶结构及分子间较低的作用力导致了 在摩擦过程中p t f e 分子层非常容易被剥离，在对磨面上形成转移膜。光滑的分 子轮廓及转移膜的形成是p t f e 具有卓越自润滑性的主要原因。但是，由于这层 转移膜很容易被破坏，它始终处在一种不断的破坏与补充过程中，也因此造成了 纯p t f e 惊人的磨损率i m 】。 1 4 3p t f e 复合材料及其摩擦学研究 p t f e 作为润滑