（材料物理与化学专业论文）聚苯硫醚聚酰胺共混物摩擦学效应研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第【页 摘要 聚苯硫醚( p p s ) 是一种性能优异的特种工程塑料，具有优良的耐热性、 阻燃性，耐化学药品性，电绝缘性，以及力学强度高等优点，其优异的性能 和广泛的用途已使得p p s 被誉为“第六大工程塑料”。然而p p s 脆性大，冲 击强度低，摩擦性能不佳等缺点，限制了其在更广阔领域的应用，因此对p p s 的改性具有重要的理论和实用价值。本文针对p p s 3 0 树脂，p a 6 6 树脂采用共 混工艺，研究了添加不同含量的p a 6 6 树脂，增容剂e g m a ，玻璃纤维( g f ) 对复合材料的力学性能，摩擦磨损性能的影响，同时也考察了不同相结构对 复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响。研究表明p p s 和p a 6 6 共混能有 效的提高了材料的力学性能与摩擦磨损性能：添加增容剂e g m a 改善了p p s 与p a 6 6 的相容性；玻璃纤维( g f ) 的加入，使材料的力学性能得到很大的 提高，g f 作为承载体能显著的降低复合材料的磨损。 本文采用了傅立叶变换红外吸收光谱分析( f t i r ) ，x 射线衍射分析 ( x r d ) ，动态力学热分析( d m t a ) 分析了共混物的相结构，考察了p p s 与p a 6 6 的相容性，为研究共混物的力学性能和摩擦磨损性能与微观相结构之 间关系提供了依据。同时为深入研究摩擦学机理，采用了扫描电镜( s e m ) 观察磨损后材料表面，从宏观上解释磨损机理。磨损机理一般都是粘着磨损 与磨粒磨损并存，动态力学热分析( d m t a ) 测试复合材料的阻尼因子与储能 模量和损耗模量，从微观上解释力学性能及摩擦系数变化的原因。 关键词：p p sp a 6 6聚合物共混摩擦磨损力学性能 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t p o l y p h e n y l e n es u l f i d e ( p p s ) i sa l la t t r a c t i v em a t r i xm a t e r i a lb e c a u s eo fi t s 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 ，h i g ht e m p e r a t u r ed u r a b i l i t y , c h e m i c a lr e s i s t a n c e ， a n de a s yp r o c e s s i n g h o w e v e r ，t h em o s ts e r i o u ss h o r t c o m i n g so ft h i sm a t e r i a la r e i t sv e r yl o wi m p a c ts t r e n g t ha n dp o o rw e a ra n df r i c t i o n i nt h i sp a p e r , t o u g h e n i n g a n dr e i n f o r c i n gm o d i f i c a t i o no fp p sb yb l e n d i n gw i t hp a 6 6 ，g l a s sf i b r e s ，e g m a w e r ei n v e s t i g a t e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a ra n df r i c t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw e r ea l s oc a r e f u l l ys t u d i e d al o to fv a l u a b l e i n f o r m a t i o nw a so b t a i n e dt h a tc a nb eu s e df o rd e v e l o p m e n to f p p s i nt h i sp a p e r , as e r i e so ft e s t i n ga n da n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t ，s u c ha sf t - i r ， x r d ，d m t a t h ep h a s es t r u c t u r eo fc o m p o s i t e si sc l o s e l yr e l a t e dt oi t sw e a r p r o p e r t i e sa n dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s w et e s tt h o u g ht h es o m ee q u i p m e n t t or e s e a r c hd e e p l yi nm e c h a n i s m o b s e r v i n gt h ef i c t i o n ss u r f a c eb ys e mt o e x p l a i nt h ew e a rm e c h a n i si nt h em a c r o s c o p i c a l l yp o i n t t h em e c h a n i s mo ft h e w e a ri sv i s c i dw e a ra n dg r a i nw e a ru s u a l l y d e t e c t i n gt h es t o r a g em o d u l ea n dl o s t m o d u l eb yd m t at e s tt oe x p o u n dt h ea f f e c t i o ni nt h em i c r o c o s m i cp o i n t k e yw o rd s ：p o l y p h e n y l e n es u l f i d e ；p o l y a m i d e ；p o l y m e rb l e n d ；f r i c t i o na n d w e a r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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了谢意。 签名：3 - 辞：筝 e t 期： ? 却巧西 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑薛薛 导师签名： 协 日 期： o 剐。多 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1摩擦学概述 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是近三十多年来迅速发展起来的一门新兴边缘学科。 摩擦学是研究相对运动中相互作用表面的设计、摩擦、磨损、润滑、损伤等方 面的理论和实践的一门综合性科学，包括有关表面间相对运动的机械设计、可 靠性和工作性能的庞大复杂并交缠在一起的领域，主要涉及机械工程、物理、 化学、力学、热力学、数学、冶金学、表面学及材料科学等【- 一”。 随着世界经济的发展和科学技术的进步，摩擦学不仅在工业上的应用越来 越广泛，而且在很多高新技术的开发中也起着举足轻重的作用。仅就空间工业 而言，摩擦学失效的后果是不堪设想的。从这种意义上讲，可称摩擦学是一种 启动技术。 磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式，其中由摩擦磨损所导致的 失效是包括航空、机械，电子等在内的机电材料失效的主要原因，约有7 0 8 0 的设备损坏以及3 0 5 0 的能源消耗是由各种形式的磨损引起的。我国由于 技术相对落后、设备老化等原因，材料磨损失效造成巨大的经济损失。调查结 果表明：在建材、冶金矿山、电机、电力、煤炭等五个部门中，每年因磨损消 耗的钢材就超过百万吨。相当比例的零件由于抗磨损能力低、寿命短而提前报 废，停产维修损耗了人量的人力、物力和财力，在一定程度上抑制了经济的发 展。提高材料的耐磨性能，研究新型摩擦学材料成为加速经济发展的重要前提 之一。由于复合材料技术可以实现不同性能的组合，提高材料的综合性能。因 此，对摩擦学复合材料的研究是解决摩擦磨损造成危害问题的重要手段之一。 长期以来人们可利用的摩擦材料的种类还局限于钢、铁、铜、铅、木材、 玻璃、陶瓷和橡胶等物质。随着现代化工业化的发展，一方面是各类产品的产 量愈来愈大，产品更新换代的速度愈来愈快，对产品的功能要求愈来愈高，传 统摩擦材料的损坏速度与对能源的浪费以及对环境造成的破坏愈来愈不能容 忍；另一方面，赖以制造这些产品的金属材料面临告磬的危险。于是人们自然 而然地把眼光投向非金属材料。近半个世纪以来，非金属材料由于其丰富的资 源和优异的性能而得到惊人的发展，揭开了材料科学的新纪元。其中以高分子 材料和工业陶瓷材料的发展最为迅速“，。 高分子材料主要有塑料、纤维和橡胶三类。塑料材料是有机高分子材料中 最重要的分枝。由于它的多功能性、无限的用途正在潮水般涌入国民经济各个 部门和人们生活中各个领域。在机械制造、仪器仪表、电子电器、邮电通讯、 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 汽车制造、军工技术、轻纺、家电制造、文化娱乐等方面的应用日益普及，大 大丰富了人们的生活，并对科学技术的发展以巨大的推动随，。 塑料按使用性能可分为通用塑料和工程塑料二大类。通用塑料用途广泛， 价格低廉，产量也大。但通用塑料一般而言，某些重要的工程性能，特别是力 学性能、耐热性能较低，不适宜用于制备作为承受较大载荷的塑料结构件和在 较高温度下工作的工程用制品。工程塑料，指的是具有较高强度与其它特殊性 能的塑料，在工业中，主要作为工程结构、机械功能零件以及化工设备的材料 等。其用途有摩擦零件滑动轴承、滚动轴承保持架，滑动导轨，活塞环及阀等。 近几十年来，塑料工业的发展日新月异，性能优异的新颖塑料层出不穷，所以， 工程塑料的出现被认为是2 0 世纪重大科技成果之一。 人类在新世纪对材料的要求是更坚固、更轻便、更价廉；在一些材料领域 里要解决的课题是更小、更快、更薄、更舒适；尖端技术方面往往要求耐腐蚀、 耐辐照、耐磨、低摩擦、自润滑、绝缘、无毒等等；而工程塑料则可以充分顺 应这些时代的要求。在摩擦领域要求材料有更好的摩擦磨损性能的同时，还要 求有很好的力学性能、耐高温性能和化学稳定性伸，。而用传统方法改善常用材 料的性能几乎已经达到了这些材料潜在的性能极限。而工程塑料除具有通用塑 料所具有的般性能外，还有某种或某些特殊性能，特别是具有优异的力学性 能或优异的耐热性，或者具有优异的耐化学稳定性，在苛刻的化学环境中可以 长时间工作，并保持固有的优异性能。优异的力学性能可以是抗拉伸、抗压缩、 抗弯曲、抗冲击、抗摩擦磨损、抗疲劳等。某些工程塑料还兼有多种优异性能。 自从塑料问世以来，塑料就开始在摩擦系统广泛使用。塑料在相当宽广的范围 内正在逐渐取代金属摩擦件。 在摩擦领域内，热塑性材料聚酰胺首先被用作耐磨材料，尼龙齿轮与尼龙 轴承应用也很广泛。后来环氧树脂复合材料在摩擦材料中占主导地位。但其长 期使用温度被限制在1 3 04 0 以下订。9 1 。随着尖端技术的迅速发展，对耐磨减磨材 料的要求越来越高。如要求制作在高温、高速、高真空及辐照环境中工作的摩 擦零部件，一般工程高聚物就很难胜任。为了提高摩擦材料的使用温度，延长 摩擦材料的使用寿命，大量研究工作集中在耐热性高聚物为基体的自润滑复合 材料上。 1 2 高聚物的摩擦磨损机理 1 2 1 塑料干摩擦的粘着理论 简单的粘着理论认为真实接触点上接触应力很大，产生塑性变形成牢固 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 的粘结合，这就是粘着n ”。切向运动时，切向力把这些粘结点剪切随后发生 滑动。摩擦的过程就是粘着与滑动交替进行的过程。两表面犬牙交错排列的 凸峰阻挡可以忽略不计。修正的粘着理论认为，垂直负荷与切向力共同作用 的结果使粘结点增大。一般说，聚合物粘着的根源在于接触表面有三种力存 在：静电力、范德华力、偶极的相互作用( 色散力) 和氢键的作用力。按照粘着 理论，塑料的摩擦主要取决于界面上形成的粘着点的剪切强度。这接近于塑 料整体的剪切强度。界面的剪切强度取决于接触面上的压力，但这种效应一 般可能很小。影响摩擦的主要因素是接触面积，而接触面积取决于表面的宏 观几何形状、表面粗糙度、负荷大小、加载时间及滑动速度。 1 2 2 塑料干摩擦的分子一机械理论 分子机械理论认为工程实际中的摩擦表面总是粗糙的，而摩擦表面上真 实接触的部分，在很大的单位压力作用下，表面凸峰相互压入和啮合n ”。同时， 相互接触表面的分子间有吸引力。因此，摩擦过程就是克服亚微观表面凸峰 机械啮合和表面分子吸引力的过程。摩擦力也就是在摩擦面上所有接触点由 于机械啮合作用和分子吸引作用产生的切向阻力的总和，就是著名的摩擦二 项式定律。而分子吸引的实质就是在平衡状态下，固体中原子间的排斥力反 作用于它的内聚力。所以，当两物体接触时，一个物体表面上的一些原子可 能接近另一物体表面进入其排斥力场。这时，如果要使两物体的表面分离， 就会引起能量的损失，这就意味着摩擦阻力存在。 1 2 3 塑料干摩擦的转移理论 塑料在摩擦中向对磨表面转移的论述，是被广泛地引用作为塑料的摩擦 学行为基础的一种理论。转移理论认为有四种转移方式n 。1 ： ( 1 ) 定向纤维。在塑料与金属对摩时，发生塑料向金属表面转移，转移物 是沿运动方向高度定向的纤维，从而使摩擦减小。 ( 2 ) 由范德华力与库伦力作用产生转移膜。 ( 3 ) 由粘着导致转移。当聚合物与另一固体表面密切接触时，界面上的原 子或分子将发生交互作用，使两接触表面发生粘着。当受到切向力而发生相 对滑动时，表层材料小的粘结点将发生切变与断裂。这个过程多次重复后， 则会在金属表面形成聚合物薄层，相应地，聚合物本体则逐渐被磨损。 ( 4 ) 大分子的扩散与迁移。塑料表层由于摩擦热而熔融，大分子的支链、 链段乃至大分子越过界面扩散与迁移至对摩面上。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 4 塑料干摩擦的其它理论 除了上述三种主要的机理外，人们在研究塑料干摩擦机理的过程中，还 发展了一些其它的理论n ”，这些理论或者是某些高聚物的特殊行为，或者还 只是初步的探讨，需在以后实践中加以完善。但这些理论为进步探索和发 展高聚物干摩擦理论有很大的推动作用。 ( 1 ) 塑料干摩擦的转移依附理论：在研究p t f e 与金属对磨的摩擦规律时， 发现对磨后在金属上存在的聚四氟乙烯表层是由聚四氟乙烯转移膜与聚四氟 乙烯依附层编织而成的。依附层铺展于真实接触点周围，厚薄不均，依附不 甚牢固。它的形成改善了对摩面的粗糙度，它的存在也为转移膜的形成准备 有利条件，成为良好的固体润滑剂“供给站”，更加改善了摩擦条件。这就是 转移一依附理论，至于依附的机理，还没有深入研究。 ( 2 ) 塑料干摩擦的定向论：定向论认为塑料表面在摩擦时塑料本体会沿相 对运动方向产生定向，从而使后来的运动阻力减小。由于高分子材料在于无 定形状态存在缺陷，在摩擦过程中表面上高分子链会发生断裂，缠结部分在 力的作用下容易解开，有利于进一步取向。从而有利于减少摩擦。 ( 3 ) 塑料干摩擦气体润滑说：气体润滑说的主要观点是高聚物在高速高负 荷下工作时，由于温度高，表面软化甚至熔融。这时摩擦与磨损都将随着滑 动速度升高而降低，这是因为聚合物表面分解产生一些气体起润滑作用，使 摩擦磨损降低。 ( 4 ) 塑料干摩擦的吸湿减磨论：塑料能够吸收环境中的水分或潮气等，使 之成为润滑剂，使干摩擦变成了在润滑情况下的摩擦。其中以尼龙最有代表 性。尼龙吸收环境中的水分后能够同水形成氢键，极性集团的长链分子以单 分子层方式吸附在尼龙表面上，成为边界润滑剂，使摩擦系数降低。但是否 所有的塑料都会吸湿而起润滑作用，作用有多大，尚无系统研究。 1 2 5 塑料干摩擦的磨损机理 磨损是摩擦产生的必然结果，有摩擦就一定会导致磨损。而材料的磨损 在工程上是应该尽量避免的。因为磨损会使精度降低、操作失控、机器性能 下降，严重的磨损还会导致设备报废、甚至发生事故。研究塑料干摩擦磨损 机理的一个重要目的就是了解磨损发生的过程、预防和减轻磨损。塑料干摩 擦的磨损机理主要有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、摩擦化学磨损n 町。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 5 1 粘附磨损 粘附磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面间材料原子键的形成( 显 微熔接) 和分离过程，外力作用下材料原子间的相互作用是主要的摩擦副之间 真正的接触只发生在微凸体的微观接触面上，所有微观接触面的总和构成的 真实接触面积只是名义接触面积很小的一个部分，因此在真实接触面积内具 有很大的接触应力。这些应力由于切向的相对运动还会强化，以致受到负荷 作用的微凸体发生弹性或塑性变形。这样，若表面上的吸附层和反应层遭到 破坏，使暴露在表面的原子键联结( 强短程表面力的作用) 得到加强。当摩擦副 发生相对运动时，这种原子键又被撕开，为此所需要的力及能量是粘附摩损 的起因。粘附磨损与其他磨损形式有很大不同，其他磨损形式一般都需要一 些时间来扩展或达到临界破坏值，而粘附磨损则发生的非常突然；主要发生 在滑动副或滚动副之间没有润滑剂时，或期间油膜受到过大负荷或过高温度 而破坏时。严重时机械系统中运动零件的“咬死 将导致灾难性失效，如轴 承抱死、剧烈磨损等。 1 2 5 2 磨料磨损 磨料磨损是由硬颗粒或硬凸起引起的摩擦表面的破坏，能分离出磨屑或 形成划伤的过程。在形貌图上判断磨料磨损的主要依据是划痕，在这些划痕 中往往还有微切削痕迹存在；一些脆性材料上往往还会出现崩碎、颗粒。磨 料磨损有凿削式磨料磨损、磨料浸蚀、高应力碾碎式磨料磨损、低应力擦伤 式磨料磨损和冲击浸蚀等类型。 磨料磨损不局限发生在某些材料中，这主要取决于配对件或中间磨粒的 硬度，金属、陶瓷或聚合物材料都有可能出现剧烈的磨料磨损。实际中，磨料 磨损主要发生在采矿、物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处理过 程中。若砂粒或尘粒进入摩擦副的滑动面或滚动面上，则同样会发生严重的 磨料磨损，如开式齿轮传动等。若磨屑不能从它形成的地方被润滑油带走并 过滤掉，也会导致磨料磨损。 1 2 5 3疲劳磨损 摩擦副表面微凸体之间的反复作用，使得材料微体积受循环接触应力和 重复变形，导致裂纹的产生和扩展，分离出微片或颗粒的磨损称为疲劳磨损。 由于摩擦学负荷通常与作用在表面上的机械应力有关，并且它的大小是随时 间或位置的不同而不断改变的，所以在很多磨损过程中都伴随有疲劳磨损。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 它表现为裂纹的逐渐形成和扩展，最后在受摩擦学负荷的范围内脱落下一些 颗粒状或片状磨屑，结果留下一些麻点和坑穴。 表面疲劳裂纹的产生及其部位与接触处表面下方应力场的性质有关。静 弹性接触的赫兹理论表明，最大压应力发生在表面，而最大单向切应力则发 生在表面下方深度为o 7 8 6 a 处( a 为点或线接触在应力作用下接触区的1 1 2 宽 度；钮l a x = 0 3 0 p m a x ) 。在滚动接触条件下，重要的应力参数是最大交变切应力， 它比最大单向切应力更接近于表面。如果表面还承受相当大的摩擦力，则这 些切应力最大值的位置就变动而向表面区移动。 当两个固体表面没有直接接触，而是完全被一层润滑油膜隔开时，也存 在着疲劳磨损的可能性。例如圆柱滚子副，当滚子之间有润滑油时，就产生 一弹性流体动力润滑油膜，在润滑油流出一侧会形成一个压力峰。当速度超 出某一临界值后应力峰值会超过赫兹应力。这与在静载荷条件下的压应力o p 的分布情况大不相同。由剪应力等值线知，越向物体内部，材料应力就越小； 而最大切应力x m a x = 0 3 6 6 p m a x ，正处于表面附近处。 1 2 5 4 摩擦化学磨损 摩擦化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或 环境介质中的某些成分发生化学或电化学的过程，也称为腐蚀磨损进一步可 将其分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨损两种基本类型。摩擦学负荷、温度等 都会使反应速度增大促使反应过程加快的原因是：( 1 ) 阻碍反应的外边界层被 “磨 去；( 2 ) 参与反应物质的输送得到加速；( 3 ) 易起反应的表面积扩大；( 4 ) 摩擦热使温度升高；( 5 ) 塑性变形过程引起晶格结构破坏，出现有自由键的表面 原子。 摩擦化学反应形成的表面层的脆性随表面层厚度达到临界值时就发生磨 损，因此这些表面层的脆性随厚度的增加而增大。事实上，摩擦化学磨损的 过程与某些添加剂通过生成化学反应膜以防止磨损的过程是基本相同的。化 学生成物质的形成速度与被磨掉速度之间存在平衡问题，两者相对大小的不 同，将产生不同的效果。若希望起保护作用并降低磨损，则主要是形成结合 强度高的反应层。如果表面上出现一定密度的松脱颗粒，若它们起着磨料的 作用，就可能使磨损量上升。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 p p s 的摩擦磨损改性研究 随着现代合成技术的不断发展，聚合物基减摩耐磨复合材料作为金属材 料的替代产品或换代产品获得了越来越多的应用。由于聚合物基减摩耐磨复 合材料具有减摩自润滑、耐磨、耐腐蚀、震吸振、降低噪声、相对密度小、 比强度高和加工简便等系列优良特性，正确使用减摩性树脂基复合材料，不 仅能解决金属材料难以克服的许多技术问题，而且能节约大量的贵金属材料， 降低总体制造成本。 但是，高分子材料由于其自身固有的组成和结构特点，具有如下的缺点： 表面能极小，表面张力低，与填料粒子很难产生表面吸附，表面粘结性能差； 硬度较低，分子间作用力小，在外力作用下，大分子链发生滑移或断裂，磨 耗较大；表面硬度差、抗磨粒磨损和抗疲劳磨损能力差、耐蠕变性差、导热 性差、易造成热膨胀、热疲劳和热变形。 近年来p p s 材料在摩擦学领域，特别是在人工关节和减摩耐磨材料方面 的应用及基础研究引起了广泛兴趣，国内外学者对p p s 的摩擦磨损性能做了 大量的研究工作，并取得了值得关注的进展。 1 3 1填料对p p s 复合材料的摩擦磨损影响 为了提高p p s 的摩擦学性能，研究者对p p s 进行了各种改性研究，其中最 主要是添加填料进行共混改性。目前广泛应用的耐磨填料有四大类：聚合物 填料，无机粉状填料，纤维( 或纤维织物) 填料以及纳米材料“。各种填料在摩 擦磨损过程中的作用，主要有三种观点：( 1 ) 填料增强了转移膜在对偶面上 的粘着性。( 2 ) 填料颗粒破坏了聚合物晶粒结构，减少了基体材料向对偶面 转移的结果。( 3 ) 填料大量的富集在摩擦界面，承受了大部分载荷。 l a i g u iy u 口钔等研究了s i c 、s i n 4 、c r 3 c 2 和a 1 2 0 3 填充p p s 的摩擦试验。结 果发现s i c ，s i 3 n 4 和c r a c 2 做添加物显著增加p p s 的磨损抵抗能力，但a 1 2 0 3 做添加物其耐磨性却降低。x 射线光电子能谱( x p s ) 分析显示p p s 在滑动 中分解，产生了f e s 和f e s 0 4 及其他成分。这些成分增加转移膜和对磨面的 黏结，从而增加磨损抵抗能力。即是说在摩擦过程中，这些填料分别使p p s 基体发生分解反应。分解产物与偶件铁发生化学反应，增强了转移膜与偶件 的表面黏附，提高了耐磨性。陈兆彬口引制备了一系列不同组成的聚酰胺( p a 6 6 ) 和聚苯硫醚( p p s ) 共混物，对材料的摩擦学性能进行了研究。借助扫描电子电 镜( s e m ) 和能量色散谱( e d s ) 等手段，分析认为，p a 6 6 在对偶钢环上形成了不 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 均匀、不连续的牢固转移膜，p p s 则不能形成转移膜。共混物中p a 6 6 相的存 在增强了p p s 向对偶面上转移的能力。l a i g u iy u 臼钉等对k e v l a r 2 9 纤维增强 p p s 复合材料的摩擦性能进行了研究。结果表明，添加k e v l a r 2 9 纤维增强p p s 复合材料的抗磨损性能与纯p p s 相比较有了明显的增加。k e v l a r 2 9 纤维增强 p p s 复合材料在对磨面形成薄而均匀的转移膜。同时k e v l a r 2 9 纤维在摩擦热 的作用下促进聚合物的分解和氧化，这有助于提高转移膜的粘结力和提高复 合材料的抗磨损能力。 聚合物复合材料表面界面特性是决定聚合物摩擦学特性的内在因素n ”。纳 米微粒表面原子数多，表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键， 当纳米粒子加入到高聚物中时，可较容易与聚合物基体牢固结合在一起，从 而使填充物表现出较好的磨损性能。c h r i s t i a njc ，研究了添加纳米a 1 2 0 3 的p p s 复合材料摩擦学行为。根据测量转移膜和对偶面的黏结应力，发现由于转移 膜黏结应力的增加而使磨损降低。纳米级颗粒能更好的固定转移膜在对偶面 上，从而增加黏结应力并降低磨损。 另外，填料的形态和性质对复合材料摩擦性能也有影响。王伟华口 分别添 加颗粒状、层状、纤维状填料，制备出系列尼龙基复合材料。纤维和硬度较 高的颗粒填料增强时，在摩擦过程中对偶副问的载荷首先由具有较高强度和 硬度的填料颗粒或纤维承受。由于这些填料具有较高的耐磨性，从而降低了 聚合物的磨损。层状填料也有效的改善了材料的摩擦性能，但这主要认为是 与层状结构和填料本身的复杂成分有关的。 1 3 2表面处理技术对p p s 复合材料的摩擦磨损影响 聚合物的表面处理技术有传统的火处理、湿化学法处理、电处理以及现 代的等离子处理、电子束、离子束、中子束、光子束处理m ，。聚合物的磨损机 理主要有磨粒磨损、粘附磨损和疲劳磨损。磨粒磨损主要由硬质粗糙的对磨 面或复合材料中的硬质颗粒引起的，主要与对磨面的粗糙程度有关，任何可 以提高表面硬度或强度的处理技术均可改善材料的耐磨粒磨损性能；粘附磨 损主要与材料的分子间的作用力有关，任何可以提高材料的润滑性能或交联 反应的技术均可改善其耐粘附磨损性能；疲劳磨损主要是由于裂纹的形成引 起的，经常发生在对磨面表面很光滑、粘附磨损几乎可以被消除的情况下， 疲劳磨损率一般比前两者低。 l e e 等人口们率先在离子注入方面开展了探索性的工作，他们利用b 、n 、c 、 s i 和f e 离子单独或同时注入不同的聚合物( p i 、p f a 、p e t 等) 中，结果发现： 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 离子注入后材料表面更光滑，硬度和耐磨性提高，提高程度与聚合物材料、注 入离子种类以及注入方式有关；分析表明，表面性质变化不仅取决于断链和 交联程度，同时还取决于微合金化作用形成的新化学键。采用b 离子和o 离 子注入p c ，测试结果表明h o ，：离子注入后p c 表面硬度比非离子注入p c 提高， p c 的耐磨性也得到了明显的提高，o 离子注入比b 离子注入提高幅度略大， 因为b 离子比o 离子轻，可以更深地传入材料内部，由于引起分子链断裂， 对材料的破坏性更大；离子的种类，注入的能量以及单重离子或双重离子注 入对材料硬度的影响差别很大。 t a k a n o 等人h ”利用普通气相沉积和离子束辅助沉积方法在p e 、p p 、p a 6 、 p v c 、p o m 、p e t 等沉积。0 5 岬厚的c u 、a l 及t i 膜，结果发现了离子束辅 助沉积提高了金属膜与聚合物基体的结合力，相应的薄膜的磨损率明显比普 通气相沉积薄膜的低，其中t i 膜的结合力最强。 a y r a u l t 等人n 2 ，利用激光熔敷和等离子喷涂两种方法在p e t 表面沉积 a 1 2 0 3 涂层，结果发现涂层和基体之间为机械结合，两种处理过程均使p e t 基 体形貌发生变化，等离子喷涂涂层较激光熔敷层致密和均匀，p e t 表面经激 光扫描处理后发生局部结晶且硬度升高。 1 4p p s 复合材料摩擦学性能的影响因素 1 4 1相对滑动速度 滑动速度对摩擦性能的影响是比较复杂的。当滑动速度不引起表面层性 质发生变化时，摩擦因数几乎和滑动速度无关。然而在一般情况下，滑动速 度将引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等等，从而显著地影响摩擦因 数。 m h c h o m ，研究了添加m o s 2 、a 1 2 0 3 的p p s 复合材料在不同滑动速度下 的磨损体积和摩擦因数。磨损体积在不同速度下的初始值相同，随速度增大 磨损体积减小。滑动速度通过应变率和升温率影响摩擦行为。根据剥层理论， 速度增大导致磨损逐渐增大，速度达到一定后，温度效应占主要因素。高速 下产生的摩擦热使转移膜的反应活性增大，分子链结构更易向稳定结构改变， 有利于减小摩擦磨损。h u n a l “们研究了在不同的滑动速度下p p s + 3 0 玻璃纤 维( g f ) 的摩擦学性能。结果表明，滑动速度的影响比载荷要大，在摩擦过 程中要产生大量的热，从而使摩擦面的温度升高。速度越大温度越高，当温 度达到聚合物的玻璃化温度时，其粘性增加从而导致摩擦因数的增大，磨损 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 也随滑动速度的增加而增加。然后再随着温度的继续上升高弹态渐变为粘流 态，且粘度逐渐降低，从而使摩擦因数迅速下降。 1 4 2载荷 载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。随着载荷的增大， 摩擦因数先急剧减小，到达一定程度后再趋于稳定，磨损体积随载荷的增大 而增大。当载荷较低时，复合材料表面与金属表面的接触处于弹性( 或粘弹 性) 状态，实际接触面积与p n 成正比，其中n = 2 3 , - , 1 。当载荷增大到一定程 度后，微凸峰的接触状态完全转为塑性接触状态，此时面积的增大完全取决 于塑性变形，面积与载荷成正比变化，摩擦因数不随载荷而变化，大致保持 恒定m ，。磨损初期，转移膜未完全形成，载荷的增大导致金属表面的硬微凸体 对聚合物表面犁销的增大，从而使摩擦力、磨损均增大。载荷小，磨合阶段 到稳定阶段的时间更长，表明形成转移膜的时间长，载荷过大不能形成转移 膜。 q z h a o m l 研究了对钢面滑动的p p s 在不同载荷下的磨损体积和摩擦因数。 结果表明，在载荷较低时，材料的磨合阶段要长一些，这主要是由于转移膜 形成比较慢。在载荷较高时，摩合阶段摩擦因数就急剧上升，并在稳定摩擦 阶段保持在较高摩擦因数上。就是说在低负荷的摩擦阶段形成了转移膜，高 负荷下没有转移膜生成。h a i y a nx u “研究了碳纤增强的p p s 复合材料在不同 载荷下的摩擦性能。在滑动速度低的时候，摩擦因数是随载荷的增加而增加 的。而在滑动速度较大的时候，摩擦因数随载荷的增加是先增加后来又减少 的。 1 4 3温度 温度是影响聚合物摩擦学性能的主要因素之一m ，。摩擦过程中产生热量使 温度升高，改变了表面层的性质以及摩擦过程中表面的相互作用和破坏条件， 因而摩擦因数也随之发生变化。温度对p p s 的摩擦磨损性能的原因主要有两 个方面：一是摩擦过程中摩擦生热使摩擦面温度不断升高，导致摩擦表面的 p p s 由玻璃态转变为高弹态、粘流态，使摩擦因数和磨损率产生相应的改变； 另一是摩擦温升使p p s 发生复杂的摩擦化学反应，从而改变了分子的结构， 进而改变p p s 的摩擦学特性。 丛培红等“们在连续升温的条件下对双醚酐型聚酰亚胺( y s 2 0 ) 的摩擦磨 损性能研究发现，当环境温度由1 0 0 上升到1 1 0 时，摩擦表面逐渐由玻璃 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 态转变为高弹态，导致真实接触面积增大，摩擦力中粘着项和犁削项都增大， 使摩擦因数从o 3 6 急剧增大到最高值o 6 6 ，然后再随着温度的继续上升高弹 态渐变为粘流态，且粘度逐渐降低，从而使摩擦因数迅速下降到o 1 6 。而交 联型p i ( k h 3 0 4 ) 由于摩擦表面发生了复杂的摩擦化学反应则无此现象。 1 4 4 摩擦副 在实际工程中，按摩擦副材料区分，摩擦副主要有以下几种类型：( 1 ) 塑 料金属；( 2 ) 塑料同类塑料；( 3 ) 塑料异类塑料；( 4 ) 塑料其它非金属 材料脚，。理想的摩擦副具有低摩擦、耐磨而又无须润滑、无爬行、不出现震荡、 无声及造价低廉等特点。 对磨面的材料对p p s 摩擦学性能有很大的影响。对磨材料越硬、粒度越 大，在相同试验条件下p p s 及其复合材料的磨损量越大。y u j iy a m a m o t o t 5 对 聚苯硫醚( p p s ) 和聚醚醚酮( p e e k ) 在不同润滑条件和不同对磨面材料下 进行了摩擦实验。结果表明，p p s 和p e e k 与其自身材料相摩擦的时候，摩擦 性能明显优于与钢相摩擦时。p e e k 与p e e k ，p p s 与p p s 对磨时均表现出较 低的摩擦因数，并且在水润滑条件下的摩擦因数比干摩擦好。p e e k 与p e e k ， p p s 与p p s 对磨时抗磨损性能也是非常好的，其磨损体积均小于1 0 _ 6 m m 3 n 。 而p e e k ，p p s 与钢磨面对磨时，磨损则较大，主要认为是钢的硬度大而引起 的。h u n a l 饽副研究了多种热塑性聚合物( p a 4 6 + 3 0 g f r ，p a 6 6 + 3 0 g f r ， p p s + 3 0 g f r ) 与不饱和树脂b m c ( 1 5 g f r 增强) 和a i s i d 2 的钢磨面对磨时 的摩擦和磨损性能。结果表明聚合物与聚合物对磨和聚合物与钢对磨相比较， 其摩擦因数和磨损都减小了。李同生阽引等发现聚酰亚胺( p i ) 复合材料与三种 金属4 5 # 钢、青铜、铝合金对磨时的摩擦因数变化不大，但磨损率则有数量级 的差别。p i 与4 5 # 钢的磨损率为( 6 0 9 , - - - 2 5 4 0 ) x l o m m 3 n m ，与青铜对磨 时的磨损率为( 1 0 6 - 2 2 4 ) 1 0 6 r a m 3 n m ，而与铝合金的磨损率却达到了 ( 2 7 4 - - 5 9 8 ) 1 0 。5 m m 3 n m 。用s e m 观察摩擦面表面可以看到大量的铝粘 附于p i 材料表面，因此其表面存在粘着的铝与对偶构成同种金属对磨，产生 粘着的恶性循环使p i 复合材料出现严重磨损。 1 4 5 表面粗糙度 当两个固体表面接触时，由于表面粗糙，实际接触只发生在表观面积的 极小部分上。实际接触面积的大小和分布对于摩擦和磨损起着决定性的影响。 q z h a o m ，研究了在5 种不同对磨面粗糙度( o 0 2 - - 0 3 0 l _ t m r a ) 下纯p p s 磨损 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 率、磨损体积和摩擦因数。结果表明，随对偶面粗糙度增大，转移膜形成的 时间、磨合阶段的距离及磨合阶段向稳定阶段过渡的时间均延长。m h c h o 拍副研究了碳纳米管( c f m ) 增强p p s 复合材料的摩擦学性能。在对偶面粗 糙度为0 1 3 , - - , 0 1 5 1 t m r a 时采用c f m 增强的p p s 复合材料与未添加的p p s 比 较，其磨损有了明显的降低。但当粗糙度为0 0 6 - - 0 1 1 9 m r a 时，c f m 增强的 p p s 复合材料的磨损更高，摩擦因数受c f m 的影响不大。c h r i s t i a np ，研究了 添加纳米a 1 2 0 3 的p p s 复合材料的摩擦学行为。采用三种不同的对磨面粗糙 度：0 0 2 7 9 m r a ，0 0 6 0 9 m r a 和0 1 0 0 9 m r a 。结果表明，表面粗糙度对转移膜 的形成以及转移膜与表面的黏结力都有很大的影响。添加2 a 1 2 0 3 填料的p p s 复合材料在0 0 6 p m r a 和0 1 0 p m r a 的对磨面下表现出良好的耐磨损性能。在 0 0 2 7 i - t m r a 的对磨面上形成不均匀的转移膜，且转移膜和表面的黏结力很弱， 而在0 0 6 9 m r a 和o 1 0 9 m r a 对磨面上形成均匀，完全覆盖的转移膜且转移膜 和表面的黏结力增加，使得复合材料的摩擦性能得到提高。 1 4 6 摩擦磨损环境 工作环境的好坏对p p s 基复合材料的摩擦学性能有很大的影响。按接触 界面润滑状况分类，摩擦就分为：干摩擦，流体润滑摩擦，固体润滑摩擦。 接触界面润滑状况不同，对摩擦性能的影响非常大。z h a o b i nc h e n t s w 盯研究了 聚酰胺( p a 6 6 ) 和聚苯硫醚( p p s ) 共混物，在于摩擦条件下，8 0 ( p a 6 6 ) 2 0 ( p p s ) 共混物的摩擦学性能最好，磨损最小。而在水润滑条件下，7 0 ( p a ) 3 0 ( p p s ) 共混物在水润滑条件下的摩擦磨损性能最好，并且摩擦因数远远低于干摩擦 条件下的。s e m 分析表明，干摩擦中p a 6 6 在对偶钢环上形成了不均匀、不 连续的牢固转移膜，p p s 则不能形成转移膜。水润滑中水的存在抑制了聚合物 在对偶钢环上形成转移膜的能力，材料的摩擦磨损主要是由对偶面上的微突 起在样品表面的犁耕作用造成的，同时水也起到了冷却剂的作用。h a i y a nx u c 叫 等采用火焰喷雾法制得碳纤维( 1 5 ) 增强的p p s 复合材料涂层，并对其 摩擦性能进行研究。在干摩擦条件下，复合材料涂层与纯p p s 涂层比较表现 出良好的摩擦因数和较差的抗磨损性能。在水摩擦条件下，复合材料涂层的 抗磨损性能比起千摩擦条件下有很大的提高。 现代机械装备中许多磨擦副处于高速，高温，低温，真空等特殊工况下， 它们的摩擦性能不同与一般工况下的摩擦。如：在航空，化工和透平机械中， 高速摩擦产生大量的摩擦热，使其表面的温度达到材料的熔点，熔化的液体 又起着润滑作用，从而使摩擦因数随速度的增加而降低。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 1 5 本论文的研究意义及主要内容 1 5 1 研究意义 耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支 撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占8 5 。聚合物基减摩耐磨 复合材料具有减摩自润滑、耐磨、耐腐蚀，减震吸振、降低噪声、相对密度 小、比强度高和加工简便等系列优良特性，聚合物基减摩耐磨复合材料作为 金属材料的替代产品或换代产品获得了越来越多的应用。 p p s 由于优良的综合性能和容易功能化等特点，被广泛应用于电子电气、 汽车、机械、航空航天、化工等领域。p p s 是以苯环和硫原子交替排列构成的 线形高分子半结晶化合物。由于苯环的刚性结构由柔性的硫醚键连接起来， 使其具有优良的耐热性，阻燃性，耐化学药品性，介电性，加工成型性等优 点。另外，p p s 还具有优良的自润滑性和耐磨性，其优异的导热性能和对无机 物的粘结性良好，使p p s 自润滑耐磨复合材料可以替代传统的尼龙类、聚甲 醛类高分子摩擦复合材料，用于制作汽车发动机的活塞环、排气循环阀、汽 油流量阀以及干衣机的齿轮等摩擦件。 p p s 自润滑复合材料是具有很大发展潜力的耐热复合材料，针对这类材料 在摩擦学方面的研究也较多。但影响摩擦性能的主要因素却没有得到足够的 重视，对复合材料的微观结构与摩擦磨损性能关系的研究还较欠缺。摩擦性 能的研究往往与力学性能的研究脱节，自润滑复合材料强度与润滑性能的得 不到统一。另外由于前些年p p s 完全依赖进口，价格较昂贵，因此p p s 复合 材料在普通摩擦领域内的应用受到限制，研究内容还不够深入。随着p p s 树 脂的国产化，以及复合改性、增强增韧技术的提高，p p s 在摩擦领域的研究和 应用将得到迅速的发展。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) p p s p a 6 6 共混物相结构与力学性能、摩擦磨损性能研究。用f t - i r 、 x r d 、d m t a 分析共混物的相结构，考察p p s 与p a 6 6 的相容性。分析p a 6 6 含量对共混物的力学性能和摩擦学性能的影响，s e m ，d m t a 从微观结构和 分子水平上分析p p s p a 6 6 共混物的摩擦学现象。 ( 2 ) p p s p a 6 6 e g m a 共混物相结构与力学性能、摩擦磨损性能研究。 分析e g m a 作为增容剂的作用机理，用f t - i r 、x r d 、d m t a 分析共混物的 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 相结构，考察e g m a 对p p s p a 6 6 共混物的相容性影响。e g m a 含量对共混 物的力学性能和摩擦学性能的影响。s e m ，d m t a 从微观结构和分子水平上 分析p p s p a 6 6 共混物的摩擦学现象。 ( 3 ) p p s g f ，p p s p a 6 6 g f ，p p s p a 6 6 g f e g m a 复合材料的力学性能和摩 擦学性能考察。找出p p s g f 的最佳配比，在此基础上考察p a 6 6 ，e g m a 含量对 复合材料的力学和摩擦学性能的影响。s e m ，d m t a 从微观结构和分子水平 上分析复合材料的摩擦学现象，解释g f 在摩擦磨损中的作用。 西南科技大学硕士研究生学位论