（材料加工工程专业论文）聚甲醛CaCOlt3gt晶须复合材料的摩擦磨损性能研究.pdf

两华人学硕+ 学位论文 聚甲醛c a c 0 3 晶须复合材料的摩擦磨损性能研究 材料加工工程专业 研究生冯云成指导老师魏刚副教授 聚甲醛( p o m ) 是五大工程塑料之一，具有良好的抗蠕变性、自润滑性、 耐磨性及优良的力学性能，广泛应用于机械、汽车、仪器仪表、电子电器等领 域作为减摩耐磨零部件。但纯p o m 材料存在干摩擦时摩擦系数较高，易产生 严重的粘着磨损等缺点，尤其不适合高载、高速的工况条件。目前，有关采用 碳酸钙晶须( w c a c 0 3 ) 增强p o m 复合材料在不同载荷、不同润滑条件下的 摩擦磨损性能以及w c a c 0 3 与聚四氟乙烯( 册) 协同复合对p o m 复合材 料摩擦磨损性能的影响还鲜见报道。 本论文利用w c a c 0 3 、超细p t f e 微粉填充p o m ，采用挤出一注塑方法制 备w c a c 0 3 p o m 和w c a c 0 3 f f f e p o m 复合材料试样。在m m 2 0 0 摩擦磨 损试验机上进行摩擦磨损实验，研究复合材料在不同晶须含量、不同载荷下的 干摩擦和水润滑摩擦磨损性能；通过对极限p v 值得测定，分析特殊载荷下复 合材料的承载能力；利用s e m 观察复合材料磨损表面形貌，并分析其摩擦磨 损机理。 c a c 0 3 晶须可明显改善复合材料摩擦磨损性能，随着c a c 0 3 晶须含量增 加，干摩擦时，复合材料摩擦系数持续降低，磨损率先降低后逐渐升高；水润 滑时，摩擦系数与干摩擦时相比有一定程度的降低，但磨损率较高。随载荷增 加，干摩擦和水润滑条件下，复合材料的摩擦系数和磨损率均呈上升趋势，但 上升趋势缓慢，且均低于纯p o m 材料。c a c 0 3 晶须能够提高复合材料的极限 p v 值，1 2 w c a c 0 3 p o m 极限p v 值最高，承载能力最好。 利用偏光显微镜和d s c 分析w c a c o a p o m 复合材料的结晶性能及其与 力学性能、摩擦磨损性能的关系。研究发现：c a c 0 3 晶须使p o m 的结晶温度 降低，结晶速率变慢，结晶度增大，但高含量的c a c 0 3 晶须对p o m 成核有阻 蹦华人学硕十学位论文 碍或无任何实际作用，随复合材料结晶度的增大，复合材料的力学性能下降， 摩擦系数持续降低，但磨损率却在高结晶度下有所升高。 进一步考察了w c a c 0 3 与p t f e 复合对p o m 复合材料摩擦磨损性能的影 响，结果表明，p t f e 可进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损率；在干摩擦 和水润滑条件下，随着p t f e 含量的增加以及粒径的减小，其摩擦系数和磨损 率均有不同程度的下降，磨损机理由磨粒磨损转变为微切削和微犁沟作用。 关键词：聚甲醛；碳酸钙晶须；p t f e ；摩擦磨损 两华人学硕十学位论文 f r i c t i o n w e a rp r o p e r t i e so fc a c 0 3w h i s k e r - f i l l e dp o m c o m p o s i t e s m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：f e n gy u n c h e n g s u p e r v i s o r ：w e ig a n g p o l y o x y m e t h y l e n e ( p o m ) i so n eo ft h ef i v em a j o re n g i n e e r i n gp l a s t i c s b e c a u s eo fh i g h l i g h t e dc r e e pr e s i s t a n c e ，s e l f - l u b r i c a t i n g , w e a r - r e s i s t a n c ea n d e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p o mi sw i d e l yu s e di nm a c h i n e r y ，a u t o m o t i v e ， i n s t r u m e n t a t i o n ，e l e c t r o n i c sa n do t h e rf i e l d s 弱a n t i f r i c t i o na n dw e a r r e s i s t a n t c o m p o n e n t s h o w e v e r , u n d e rd r yf r i c t i o np u r ep o mh a sh i g h e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h i c hc a nb r i n gs e r i o u sa b r a s i v ew e a r , s oi tc a nn o tb ea p p l i e dt oh i g h - s p e e da n d h i g h - l o a dh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n s a tp r e s e n t ，n op a p e ri sa v a i l a b l eo nt h ef r i c t i o n a n dw e a l b e h a v i o r so fc a c 0 3w h i s k e r ( w - c a c 0 3 ) a n dp o l y t e t r a f i u o r o e t h y l e n e ( p t f e ) u l t r a f i n ep o w d e r sf i l l e dp o mc o m p o s i t e su n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n d d i f f e r e n tl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ，n l i s p a p e rr e s e a r c h e do nt h ef r i c t i o na n dw e a l b e h a v i o r so fw - c a c 0 3a n d p n 屯f i l l e dp o mc o m p o s i t e sp r e p a r e db yi n j e c t i o nm o l d i n g n et r i b o l o g i c a l b e h a v i o r so ff i l l e dp o mc o m p o s i t e sw e ee v a l u a t e do nm m 2 0 0b l o c k - o n - r i n g a p p a r a t u s n ef r i c t i o na n dw e a l b e h a v i o r su n d e rd r yf r i c t i o na n dw a t e rl u b r i c a t i o n i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n t e n t so fc a c 0 3w h i s k e ra n dd i f f e r e n tl o a d st ot h e c o m p o s i t e sw e r er e s e a r c h e d b ym e a s u r i n gl i m i t i n gp v v a l u e ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t y o ft h ec o m p o s i t e so ns p e c i a ll o a d sw e r er e s e a r c h e d n em o r p h o l o g i e so ft h ew e a r t r a c e sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) i tw a sf o u n dt h a tc a c 0 3w h i s k e rc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e df r i c t i o na n d w e a l p r o p e r t i e s u n d e rd r yf r i c t i o nc o n d i t i o n ，a l o n gw i t hc o n t e n to fc a c 0 3w h i s k e r i n c r e a s e d , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec o m p o s i t e si sc o n t i n u o u s l yd e c r e a s e d ，a n d 两华人学硕十学位论文 t h ew e a rr a t ei n c r e a s e da f t e rt h ef i r s tl o w e r ；u n d e rw a t e rl u b r i c a t i o n ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tr e d u c e d ，a n dt h ew e a rr a t ei n c r e a s e dc o m p a r e dt od r yf r i c t i o n w i t ht h e l o a di n c r e a s e d ，u n d e rd r yf r i c t i o na n dw a t e rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h ew e a rr a t es h o w e ds l o wu p w a r dt r e n d ，a n dw e r el o w e rt h a np u r e p o m c a c 0 3w h i s k e rc a ni m p r o v el i m i t i n gp vv a l u e s ，a n d1 2 w - c a c 0 3 p o m c o m p o s i t e sh a v et h eb e s tv a l u ea n dc a r r y i n gc a p a c i t y a tt h es a m et i m e ，t h e c r y s t a l l i z a t i o no fw c a c 0 3 p o mc o m p o s i t e sw e r e i n v e s t i g a t e db yp o l a r i z i n gm i c r o s c o p ya n dd s c ，a n dt h ee f f e c t so fc r y s t a l l i z a t i o no n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e r er e s e a r c h e d i tf o u n dt h a t ，c a c 0 3 w h i s k e rc a nm a k ec r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，c r y s t a l l i z a t i o nr a t ed e c r e a s e d ，a n d c r y s t a l l i n i t yi n c r e a s e d ，b u th i 【g hc o n t e n to fc a c 0 3 w h i s k e rh a v el i t t l ee f f e c to np o m n u c l e a t i o no ro b s t r u c tt h en u c l e a t i o n w i t hc r y s t a l l i n i t yi n c r e a s e d ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ts i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d ，b u tt h ew e a rr a t ei n c r e a s e di n t h eh i g hc r y s t a l l i n i t y t h ep a p e ra l s os t u d i e do nt h et d b o l o g i c a lb e h a v i o r so fp n 酬- c a c 0 3 p o m c o m p o s i t e sa n ds h o w e dt h a tp n 吧c a nf u r t h e rr e d u c et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d w e a rr a t eo ft h ec o m p o s i t e s ，u n d e rd r yf r i c t i o na n dw a t e rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ， w i t ht h ec o n t e n to fp 1 1 琨i n c r e a s e da n dt h ep a r t i c l es i z ed e c r e a s e d , t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t ed e c r e a s e di nv a r y i n gd e g r e e s ，a n dt h et r i b o l o g i c a l b e h a v i o r st r a n s f o r m e da b r a s i v ew e a ri n t om i c r o c u t t i n ga n dm i c r o - f u r r o w s k e y w o r d s ：p o l y o x y m e t h y l e n e ：c a c 0 3w h i s k e r ：t f i b o l o g y ：p t f e ； i v 西华人学硕十学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包、 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期| 日j 在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：甥厶姣听1 年月豸e t 、 导师签名：苫月彦日 两华人学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：滔铋驳 e t 期：o ? 砷罗男 两华人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 概述 聚甲醛( p o l y o x y m e t h y l e n e ，p o m ) 是一种乳白色不透明结晶性线型聚合 物，主链为碳氢结构，整个分子链上没有侧基，结构规整，结晶度较高。p o m 具有相对密度低，抗冲强度和动力疲劳强度高，耐磨、耐腐蚀、自润滑和电性 能优异等特点，有“金属塑料之称，可取代部分有色金属和合金，广泛应用 于汽车、电子电器、工业器械、农业和消费品等领域。目前，在整个工程塑料 工业中，p o m 年产量仅次于尼龙( p a ) 和聚碳酸酯( p c ) ，位居第三，成为 当今世界五大工程塑料之一。 1 9 5 9 年，美国d up o n t 公司率先成功开发出均聚p o m ，其商品名为d e l r i n ： 次年，美国c e l a n e s e 公司开发成功了共聚p o m ，并于1 9 6 2 年实现工业化生产， 其商品名为c e l c o n 。随后，德国h o e c h s t 和c e l a n e s e 的合资公司h o e c h s t c e l a n e s e 、 美国b a s f 、日本的宝理公司和旭化成公司、三菱瓦斯化学公司纷纷投入生产。 p o m 工业迅速发展起来，但大多数厂家都以共聚p o m 为主，唯有d up o n t 公司 在d o d r e c h t 每年生产9 5 万吨的均聚p o m 。目前，p o m 的生产主要集中在日本、 美国、德国、韩国、中国等瞳3 ，主要生产商见表1 1 。 表1 1 世界主要p o m 生产商及年产量 t a b e l1 1p r o d u c e r sa n dp r o d u c t i o no fp o mi nt h ew o r l d 两华人学硕+ 学位论文 1 9 5 9 年，国内由中科院长春应用化学所和沈阳化工研究院等单位合作，先 后进行了均聚p o m 和共聚p o m 研制开发工作。1 9 7 0 年吉林石井沟联合化工厂和 上海溶剂厂共聚p o m 装置投产，均采用三聚甲醛路线，生产工艺大致相同。但 经过三十多年的发展，技术水平没有重大突破，与外国公司相比差距比较明显， 表现为装置规模小、物耗能量高、品级低、牌号少、产品质量不稳定，国内市 场需求主要依赖进口，2 0 0 6 年进口量达1 6 3 万吨。”。世界著名p o m 生产商都看 好中国市场，纷纷来中国投资建厂。1 9 9 7 年云天化集团公司从波兰z a t 公司引 进1 0 k t a 共聚p o m 生产技术，于2 0 0 0 年建成了生产装置，该装置是国内引进的 首套万吨级装置，打破了国外化工企业的技术垄断。此外，该集团在重庆化工 园区投资近2 0 亿元建设年产6 0 k t 的p o m 项目已全面开工，预计2 0 0 9 年底完工。 项目全部建成后，生产总能力将达到1 0 0 k t a ，会占到全国的三分之一。目前， 国内新建的聚甲醛装置有：大庆油田甲醇厂投资5 6 7 亿元，引进美国塞拉尼斯 公司的p o m 生产技术，产能达2 0 l 啪，于2 0 0 4 年实现装置投产；中国蓝星( 集 团) 总公司，在上海建成的年产1 0 0 k t 以上的p o m 项目；日本宝理塑料有限公 司、三菱瓦斯化学公司以及美国t i e o n a 公司联合，2 0 0 4 年在江苏省南通市建成 投产6 0 k t 年的聚甲醛生产装置：杜邦( 中国) 集团有限公司与日本旭化成公司， 共同在江苏张家港合资建设生产p o m 树脂，计划产量为6 0 k t a ；山西晋城兰花 科创股份有限公司投资5 8 亿，年产2 0 k tp o m 项目也于2 0 0 4 年通过国家计委审 批立项，现已达到年产3 0 k t 的规模h 1 。上述装置建成后，预计到2 0 1 0 年，国内 p o m 的生产能力将达到2 5 0 k 妇以上，基本能满足国内的市场需求。 1 2 聚甲醛的结构性能 p o m 通常呈乳白色，数均分子量2 - 9 8 万，密度1 4 2 5 _ + 0 0 0 1 9 e r a 3 。p o m 分子链柔顺性大，链结构规整性高，因而分子量分布窄，结晶度高，一般达7 0 8 5 ，极易形成球晶。p o m 具有优良综合性能，如硬度大和模量高，尺寸 稳定性好，耐疲劳突出，加工性能良好，高比强( 强度质量) ，高尺寸稳定性， 良好的耐刮伤性和耐磨性，水蒸汽透过率极小，并具有极佳的耐化学性和耐溶 剂性。 2 两华大学硕十学位论文 p o m 分为均聚甲醛( p o m h ) 和共聚甲醛( p o m c ) 两种。均聚p o m 的 两端均为乙酰基，而共聚p o m 的主链以( c h 2 0 ) 链节为主，其间杂以少量的 ( - c h 2 c h 2 0 ) 或( c 4 h 8 0 ) 链节，端基为甲氧基醚或羟基乙基醚结构的大分 子。均聚p o m 是甲醛或三聚甲醛的均聚物，共聚p o m 是环状三聚甲醛与环醚， 一般是二氧五环或环氧乙烷的共聚物。由于p o m 分子主链上两个相邻氧原子对 亚甲基氢原子有较强的活化作用，导致了p o m 在熔融加工和使用中具有明显的 解聚倾向，特别是在热和氧的作用下大分子极易断链，发生连续脱甲醛的降解 反应，而分解产生的甲醛以及由甲醛氧化生成的微量甲酸又将促进分解，加速 脱甲醛反应，热稳定性较差。为了改进p o m 的热稳定性，均聚p o m 一般采用醋 酸酯等进行封端；共聚p o m 则采用在分子结构中引入少量的二氧五环或环氧乙 烷，使在( - c h 2 o ) 主链上含有少量的( - c h 2 c h 2 o ) 键结构，以阻断自由 基降解过程来提高稳定性。均聚p o m 分子链的结构对称性高，有序性强，且结 晶度高，熔融温度一般为1 7 5 ，共聚p o m 因其分子链的结构对称性较差，结 晶度较低，熔融温度一般为1 6 5 。 虽然p o m 本身具有不少优异的物理机械性能，但也存在着韧性差、缺口冲 击强度较低、加工气味大、成品发脆、收缩率较大等缺陷。为此，国内外对p o m 进行的改性研究主要在两个方面：一是严格控制其成型加工工艺条件，提高加 工设备的质量或精度：二是采用共混、接枝、填充等手段，强化或赋予材料特 定的使用性能。进入8 0 年代以来，相容技术、成核技术、偶联技术及i p n 技术 的应用与发展，使p o m 改性研究取得了较大进展睛1 ，拓宽了p o m 的应用范围。 1 3 聚甲醛的应用 国! 勾p o m 的主要消费领域涉及电子电器、汽车及轻工行业。2 l 世纪初， 随着我国工业水平的提高和市场的开拓，国内经济迅速发展，p o m 需求量猛增。 据海关统计数据( 见表1 2 ) ，近几年来我国p o m 平均每年以数万吨的速度增长， 成为世界p o m 消费增长最快的地区之一嘲。预计今后相当长的时间内，p o m 的 消费量还将进一步扩大。 3 两华大学硕十学位论文 表1 2 我国历年聚甲醛的相关数据 t a b e l1 2t h er e l e v a n td a t ao fp o mi nc h i n ao v e rt h ey e a r s 由于p o m 具有冲击强度高、硬度大、耐磨、耐疲劳、尺寸稳定性好、自润 滑优异等特点，因而被大量用于制造各种齿轮、滚轮、轴承、输送带、弹簧、 凸轮、螺栓及各种泵体、壳体、叶轮摩擦轴承等机械设备的结构零部件。经过 改性的高润滑p o m 制造的机床导板具有优良的刚性和耐疲劳性，能克服纯p o m 易被磨损率和易蠕变的缺点，而且与金属摩擦的静、动摩擦系数基本相同，显 示出突出的自润滑特性。2 0 0 1 年世界p o m 需求量为6 5 0 k t ，2 0 0 2 年约为6 9 0 k t ， p o m 在汽车工业中的需求量较大约占3 0 h 1 。用p o m 制作的零件具有减少润滑 点、耐磨、便于维修、简化结构、提高效率、降低成本、节约铜材等良好效果。 在发动机燃油系统，p o m 可以制造散热器水管阀门、散热器箱盖、冷却液的备 用箱、水阀体、燃料油箱盖、叶轮、气化器壳体、油门踏板等零件。由于p o m 的电耗较小，介电强度和绝缘电阻较高，具有耐电弧性优良等性能，广泛应用 于电子电器领域，用量约占2 0 ，可用p o m 制造电扳手外壳、电动羊毛剪外壳、 煤钻外壳和开关手柄等，还可制造电话、无线电、录音机、录像机、电视机、 计算机和传真机的零部件、计时器零件、录音机磁带座等。p o m 在建筑领域也 有广泛应用，可用做自来水龙头、窗框、洗漱盆、水箱、门帘滑轮、水表壳体 4 两华大学硕十学何论文 和水管接头等；此外，p o m 在农业上，可制作手动喷雾器部件、播种机的连接 和联运部件、排灌水泵壳、进出水阀座、接头和套管等。综上可以看出，随着 我国经济的腾飞，装备制造业的迅速发展，p o m 的应用领域也不断增长。进入 9 0 年代后，随着汽车工业的发展，p o m 逐渐作为主要的结构件、耐磨件广泛应 用于机械、汽车、仪器仪表、电子等领域作为减摩耐磨零部件使用，因此p o m 摩擦学改性逐渐成为关注的焦点。 1 4 聚甲醛的摩擦学改性研究现状 聚甲醛是柔性链的线型聚合物，其结晶度高，键能大，所以其分子的内聚 能也高，不易向对磨面转移，故有良好的耐磨性和强度，在摩擦载荷下不易失 效。p o m 的摩擦系数和磨损率均很小，适用于长期经受滑动的部件。另外p o m 具有和铝合金相近的表面硬度，且在动态摩擦部位使用时，不需要使用润滑剂 即可达到自润滑的效果，而且无噪音，具有良好的抗蠕变性、自润滑性、耐磨 性以及优良的力学性能，广泛应用于机械、汽车、仪器仪表、电子等领域作为 减摩耐磨零部件。但普通p o m 只适用于低速、低载及p v 值较低的工况条件， 因此必须对p o m 进行摩擦学改性，使其适应于更高温度、速度和压力等苛刻 工作条件。 1 4 1 共混改性 对聚合物摩擦学性能而言，不同聚合物之间共混是改善其摩擦磨损性能的 有效方法之一。p o m 与聚合物共混，主要是由于聚合物可偏析在p o m 表面，使 摩擦形式部分转化为添加的聚合物表面与摩擦副表面之间的摩擦，或是因其分 散在p o m 相中，以其局部的减磨效果和整体上的网络效果限制摩擦副表面较尖 锐部分的磨损或磨粒对p o m 表面的嵌入，既降低了p o m 表面的摩擦阻力，又抑 制犁切裂纹及疲劳磨损。为使复合材料达到比较好的减摩耐磨性能，在材料的 选取上尽量选择摩擦系数比p o m 小，耐磨性比p o m 好的聚合物与之共混，如聚 四氟乙烯( 咖) 、聚酰亚胺( p i ) 、聚苯酯( e k o n 0 1 ) 、超高分子量聚乙烯 ( u h m w p e ) 等。 5 西华大学硕+ 学位论文 目前，国内外普遍采用p o m 与p t f e 共混的方法来改善p o m 的摩擦学性 能。s o d i o w e i 等m 1 利用模压成型制备出p o m p t f e 复合材料并研究其摩擦学 特性后得出结论，纯p o m 几乎不能在对偶上形成转移膜，其摩擦磨损性能基 本上取决于对偶面的形貌，而p o m p t f e 复合材料的摩擦系数则与对偶面的 形貌无关，但磨损率则取决于对偶面的表观形貌。当添加1 5 p t f e 时，复合 材料摩擦系数降低至0 1 5 ，磨损率略低于纯p o m 。h b e n a b d a l l a h 等1 9 l 对比研 究了p o m 中分别填加玻纤、p t f e 纤维和p t f e 微粉复合材料的摩擦学性能。 结果表明，p t f e 纤维与p o m 共混时能更有效的变形取向，在载荷为1 5 n ， 摩擦速度为0 1 m s 干摩擦条件下，复合材料的摩擦系数降至0 2 ，磨损率减少 到4 x 1 0 - 5 m m 3 ( n m ) 。c h i a n g 等n 们为改善p 1 御o m 复合材料的亲和性， 使p t f e 均匀分布在p o m 中，对p t f e 进行了t h f 萘钠溶液腐蚀处理。处理 过的聚四氟乙烯( c p t f e ) ，起到了偶联和细化晶核的作用。当c p t f e 加入 量为1 0 时，c p t f e p o m 共混体系的力学性能最好；当c p t f e 含量大于2 0 时，复合材料的磨损率随c p t f e 用量的增加而增加。这是由于此时向对偶转 移生成p t f e 膜的速度加快，而单纯p i t e 膜的耐磨性较差，造成磨损率增加。 徐卫兵等“嵋将经过增容增韧改性后的p o m 与p t f e 共混，对合金的力学性能、 加工性能和摩擦磨损性能进行了研究。发现p t f e 加入量的增加，复合材料的 力学性能和加工性能变差，但由于p t f e 转移膜的存在，摩擦磨损性能得到改 善。当f i t e 的含量控制在5 一1 0 份时，与未添加p 耵砸的改性p o m 相比，摩 擦系数从0 3 3 降至0 1 8 ，磨损率降低3 0 , 4 5 。曾敏等n 2 1 采用废弃聚四氟乙烯 ( w 册) 填充p o m ，制备出不同配方的p o m 胱p t f e 复合材料，在往复式 滑动摩擦机上进行实验。结果发现，p o m 2 0 w p t f e 的摩擦系数与磨损率同 时达到最低；若在p o m 2 0 w f i f e 中再添加5 的石墨，与纯p o m 相比较， 复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低3 6 和2 8 。 陈金耀【1 3 】对聚烯烃改善p o m 的耐磨性能及摩擦磨损机理进行了一系列 研究在摩擦过程中聚烯烃向钢环转移形成的磨屑，有效地隔离了摩擦面的接 触，起到减摩耐磨剂的作用，降低了p o m 的摩擦系数，减少了摩擦热的产生， 因而提高了共混物的摩擦磨损性能。经p p 改性的u h m w p e 可有效地提高p o m 6 两华大学硕十学位论文 的摩擦磨损性能。与纯p o m 相比，在相同的磨损条件下，p o m 改性u h m w p e 共混材料的摩擦系数和磨痕宽度较小，磨损率随着负荷增加和磨损时间延长而 相应减小。当p o m l l d p e e a a 的配比为( 9 0 1 0 4 ) 时，共混物的摩擦系数 下降到0 1 4 ，磨痕宽度下降到3 8 8m m ，当p o m l d p e 的配比为( 9 0 1 0 ) 时， 共混物的摩擦系数降低到0 1 3 ，磨痕宽度降为3 9 4m m 。研究还发现聚氧化乙 烯( p e o ) 可同时改善p o m 的缺口冲击强度和摩擦磨损性能。当p e o 质量分 数为5 时，共混物有优良的综合性能，缺口冲击强度达1 2 9k j m 2 ，比纯p o m 提高1 倍，拉伸强度下降不大，摩擦系数和磨痕宽度分别为0 1 8 和3 5 m m ，比 纯p o m 分别下降5 0 和3 5 。 1 4 2 无机粒子填充改性 1 4 2 1 普通无机粒子填充改性 纯聚合物表面硬度低，承载能力差，在摩擦过程中易发生粘着磨损。为了 改善其摩擦磨损性能，人们尝试过多种刚性无机粒子增强聚合物，如舢2 0 3 、 s i c 、s i 0 2 、s i 3 n 4 等，通常这类刚性无机粒子会增加复合材料的摩擦系数，但 可以有效地减少粘着磨损，改善耐磨性能。 b a h a d u r s 等【1 4 1 7 l 在这一方面进行了较为系统的研究。研究对象包括铜及其 氧化物、氧化铝、硫化银、锌及其化合物等，涉及的聚合物包括聚p t f e 、p o m 、 p i 、和其他工程塑料。研究表明，不同填料对于聚合物基复合材料的摩擦性能 的贡献是不同的。例如，用z n o 、z n f z 填充聚醚砜( p e s ) 可提高其耐磨性， 但以c u o 、z n ( c 1 8 i - 1 3 5 0 z ) 2 为填料却降低了复合材料的耐磨性能。m a s a y a k u r o k a w a 等n 吼博1 对比研究p o m s i c 润滑剂( c a o c a ) 体系与p o m p t f e 体系，结果发现p o m f i t e 体系中，对偶面形成了较明显的转移膜，而 p o m s i 叩a o c a 体系中形成的转移膜薄而均匀，当s i c 含量为0 1 ， c a - o c a 含量为1 时，复合材料的摩擦系数和磨损率均低于纯p o m 和 p o m 唧体系，表现出了优良的摩擦性能。同时他们还发现s i c 和成核剂 ( m d a a ) 的加入使p o m 的球晶尺寸变小，且磨损率随球晶尺寸的变小明显 降低。陶克梅等嘲1 采用超细高岭土和聚四氟乙烯填充p o m 后，发现高岭土起 7 两华人学硕十学位论文 到了良好的协同作用，复合材料的摩擦系数比纯p o m 下降了5 3 ，耐磨性为 纯p o m 的5 倍。 1 4 2 2 纳米无机粒子填充改性 纳米粒子由于具有独特的物理化学性能，填充改性p o m 后，在整体上提高 了复合材料的力学性能，增加了复合材料的刚度和强度。同时，纳米粒子可束 缚p o m 大分子的链问运动，防止大面积的带状磨损的产生，并且材料表面磨损 时脱粘的纳米填料因具有很强的表面活性，易与对偶结合形成致密的转移膜， 这些因素均有利于减缓复合材料的磨损。 s u n 等1 2 1 j 考察了干摩擦和油润滑条件下纳米a 1 2 0 3 对p o m 复合材料摩擦 磨损性能的影响，当纳米a 1 2 0 3 含量达到9 时，p o m n a n o - a 1 2 0 3 复合材料在 干摩擦条件下比纯p o m 摩擦系数增大1 倍，磨损率增加近4 0 多倍，但在油润滑 环境下，摩擦系数和磨损率同时达到最低且均低于纯p o m 。这是由于润滑油的 存在提高了纳米粒子的活动性，并且纳米粒子的表面活性可以填平磨痕并增强 转移膜与对偶面的粘结强度。汪瑾等1 2 2 j 测定了干摩擦条件下n a n o - z r 0 2 p o m 复 合材料的摩擦磨损特性，结果表明随纳米z r 0 2 的加入，p o m 的球晶尺寸变小， 结晶温度升高，结晶速度加快。添加1 的n a n o z r 0 2 ，复合材料的缺口冲击强 度提高近6 1 d m 2 ，磨损率降至最低，摩擦系数几乎不随n a n o z r 0 2 含量变化而变 化。胡坤宏掣2 3 j 研究p o m n a n o m o s 2 空心球金属复合润滑材料后发现，纳米 m o s 2 空心球比微米m o s 2 更能改善复合材料的减摩与耐磨能力，且在摩擦过程 中纳米m o s 2 空心球球壳不会被破坏发生剥落。当n a n o m o s 2 含量为0 5 1 5 时， 随着n a n o m o s 2 含量的增加，p o m 的结晶度、熔点、玻璃化温度均逐渐增加， 摩擦系数降低，抗磨性能增强；当l l a n o m o s 2 含量大于2 ，结晶度开始降低， p o m 自身的润滑性能也随降低，磨损率显著增加。周莉等1 2 4 】采用a i ( o h ) 3 对 纳米s i c 进行表面包覆，然后将聚缩醛接枝在包覆好的粒子上，改善了纳米s i c 粒子表面张力及表面极性，提高了纳米粒子在基体中的分散性及与基体的界面 相容性。最后将接枝改性后的纳米s i c 粒子添j j l l 至u p o m 中，取得了很好的效果。 8 两华人学硕十学位论文 当添 j h i 改性纳米s i c 后，复合材料的力学性能提高，摩擦系数和体积磨损率 降至最低，热变形温度从纯p o m 的1 1 0 。c 提高至u 1 2 3 1 。 1 4 3 添加润滑剂改性 1 4 3 1 添加有机润滑油 有机润滑油可在p o m 和摩擦副之间形成界面润滑膜，使p o m 表面和摩擦副 表面之间的摩擦转换为润滑油本身的分子滑移，减少p o m 和摩擦副之间的摩擦 阻力，提高p o m 的耐磨性能。 目前关于有机硅油改性聚合物润滑性的研究已有较多报道。曹f 松瞄l 考察 了硅油改性p o m 复合材料，发现复合材料摩擦系数随硅油含量的增加而显著地 降低，但加工性能变差，力学性能降低。为提高硅油在p o m 中的分散性和防止 生产及成型j n l - 时油类析出，硅油改性p o m 的关键是将硅油均匀分散在p o m 连 续相中并保持最佳粒径范围。张秀斌等【2 6 j 选用适量的咖为载油体与分散剂 并用，硅油的分散更加均匀细化。当添 i l l 4 的硅油、3 的超细册和0 5 的 分散剂时，改性p o m 的摩擦系数由0 4 下降n o 1 左右，磨损率量显著减少。石 安富等f 2 7 1 将5 乙二醇碳酸酯加入p o m ，p o m 磨损率指数从3 4 下降到1 6 ，缺 口冲击强度从7 3 2 k j m 2 提高n 8 2 0 k j m 2 。当加入量为1 2 5 时，摩擦系数从0 3 5 下降至o 2 5 ，表现出良好的润滑效果。 1 4 3 2 添加固体润滑荆 固体润滑剂如石墨、二硫化钼( m o s 2 ) 等在摩擦副表面能形成转移膜，减 小表面摩擦阻力，提高耐磨性，但有时会使p o m 热稳定性下降，成型时产生模 垢。因此单独使用固体润滑剂改性聚合物的润滑性效果不明显。吴茵等汹1 研究 了石墨与m o s 2 并用改性p o m ，发现其改性效果不明显，但若用e k o n o l 、m o s 2 、 石墨共混改性p o m ，当e k o n o l 含量为2 0 时，复合材料的压缩强度比p o m 提高 4 2 4 ，硬度提高2 4 7 ，耐磨性提高近1 倍。 1 4 4 添加金属粉末改性 9 两华火学硕十学位论文 金属粉末如铜粉、铅粉、锌粉等能改善p o m 机械性能和摩擦磨损性能，提 高抗蠕变性、抗压强度、硬度和尺寸稳定性。 y u 等啪1 研究普通c u 粉( 粒径7 5 比m ) 及纳米c u 粉均可降低p o m 的磨损，但 添加纳米c u 粉效果更好。当添力h 1 0 纳米c u 粉时，耐磨性比添n c u 粉( 2 0 0 目) 提高约1 5 倍。这是由于填充c u 粉( 2 0 0 目) 比填充纳米c u 粉对试样所造成的犁 切作用较强，磨痕较深，且c u 粉( 2 0 0 目) 向对偶面的转移量要远远大于纳米 c u 粉的转移量。陈玉龙等【刈采用自制处理剂对铅粉进行包覆处理后加入到 p o m 册共混体系中，取得了较好效果，p o m p i r 刚铅粉复合材料的摩擦系 数从纯p o m 的0 4 1 降至0 1 8 ，磨损率从3 7 x 1 0 6 m m 3 ( n m ) 降至3 2 x 1 0 6 m m 3 ( n m ) ，压缩强度提高2 0 m p a 。向晓汉等【3 1 j 利用无毒的锡粉代替铅粉研制出 新型的无铅p o m 复合材料，进行对比摩擦实验。结果表明，两种p o m 复合材料 的摩擦系数与磨损率都比较接近，使得无铅p o m 复合材料代替含铅p o m 复合材 料成为可能，到达环保目的。 1 4 5 纤维增强改性 摩擦材料中添加纤维的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，在冲 击、剪切、拉伸等机械作用下不致于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤，同时 还可改善复合材料的摩擦学性能。f d e d r i c h k 1 3 2 j 认为当聚合物基体中纤维含量 较低时，向对偶件表面转移和粘着是典型的磨损机理，当转移膜的生成和剥落 逐步达到平衡时，磨损率也就达到稳定，此外转移膜的形成不是简单的机械转 移过程，磨屑的形成是反复变形、挤压、软化和重新组合的颗粒在表面间来回 转移的结果。随着聚合物基体中纤维含量增加，犁沟作用加强，摩擦系数增大， 同时由基体磨损而露出的纤维不断刮去转移膜，尤其当磨损表面的温度升高， 树脂软化，结合力下降，纤维磨损和断裂形成的磨屑及硬质颗粒脱落形成三体 磨损，导致摩擦材料及对偶件磨损增加。目前，国内外广泛采用玻璃纤维、碳 纤维、有机纤维、晶须等改善聚合物摩擦磨损性能。 w i l l i a m s 等口3 1 在探讨碳纤维增强p o m 时，得出碳纤维不仅在改善p o m 的刚 性、耐疲劳性、耐蠕变性及拉伸强度等方面远优于玻璃纤维，而且在改善p o m 1 0 两华人学硕+ 学位论文 的摩擦磨损特性方面，由于碳纤维本身摩擦系数较小，在载荷为1 0 n ，摩擦速 度0 3 m s 的水润滑条件下使用时，碳纤维增强p o m 的摩擦系数可达0 2 2 左右， 磨损率可达1 5 x 1 0 巧r a m 3 ( n m ) ，相当于通用自润滑p o m 品级的水平，而在 同样实验条件下，纯p o m 的摩擦系数为o 3 0 以上，磨损率为2 6 x 1 0 。6 m m 3 ( n m ) 。t a n a k a k 等m 3 在研究碳纤维和玻璃纤维填充p o m 复合材料的摩擦磨 损性能时，发现碳纤维和玻璃纤维的加入均降低了复合材料的磨损性能，增大 了摩擦系数，但在低速状况下，复合材料的摩擦系数随着滑动速度的增加而有 所下降。 此外，在p o m 中加入钛酸钾晶须、氧化锌晶须等无机短纤维，既可弥补由 于有机纤维粗大，分布不均匀，机械强度差，制品表面光洁度差，加工磨损严 重等缺点，又可改善p o m 的摩擦磨损性能，增j j i p o m 的强度和刚性，进一步拓 宽p o m 复合材料的应用