（机械设计及理论专业论文）ptfe基复合材料摩擦过程的界面迁移.pdf

独创性声明 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 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谢意。 学位论文作者签字：乃霭氏蹑 签字日期：矽l 1 年午月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅本人 授权金艘王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：呖履蹑 导师签名： 签字日期：沙i f 年午月z 7 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 母铆。k 电话： 邮编： 日 p t f e 基复合材料摩擦过程的界面迁移 摘要 由于聚合物复合材料具有众多独特的优异性能，正越来越多地在摩擦学领 域获得广泛应用。摩擦界面迁移是聚合物基复合材料摩擦过程中的一个重要现 象，界面迁移形成的转移膜的研究对提高聚合物复合材料摩擦学性能及其使用 寿命具有重要的意义。转移膜的生成受到摩擦条件、对偶件表面、填料等因素 的影响，为此，本文选用p t f e 基复合材料作为研究对象，并添加不同含量铜 颗粒作为主要填料，改变载荷和滑动速度、偶件表面粗糙度以及表面纹理方向、 填料大小和含量等参数，与4 5 号钢进行摩擦磨损试验，运用扫描电子显微镜 ( s e m ) 、能谱( e d s ) 、光学显微镜等观察分析p t f e 基复合材料在摩擦过程 中转移膜生成机理。 论文研究了摩擦试验条件( 包括载荷和滑动速度两个因素) 对p t f e 复合 材料摩擦学特性以及界面迁移的影响。本试验条件下，随着载荷增加转移膜逐 渐均匀连续，但当载荷增加到8 m p a 时，转移膜的剥落渐多，磨损加重；随着 速度增大，转移膜逐渐变得均匀、完整，摩擦系数减小，磨损增大。转移膜具 有显著减小摩擦的作用。 论文研究了对偶件表面形貌( 包括表面粗糙度和表面纹理方向) 对复合材 料摩擦学特性以及界面迁移的影响。在本试验条件下，研究发现偶件表面粗糙 度大小对转移膜形成影响不大，但转移膜的形成可以显著降低对偶件表面粗糙 度；对偶件表面0 0 、4 5 0 、9 0 0 三个纹理方向在摩擦过程中表现出了不同的摩擦 磨损结果，形成的转移膜形貌也不同，即0 0 和9 0 0 纹理形成的转移膜较为均匀， 同时磨损量较小，而4 5 0 纹理生成的转移膜不完整，且磨损较大。 论文研究了填料( 大小和含量) 对复合材料摩擦学特性以及界面迁移的影 响。从试验结果得出，填料铜粉颗粒对提高复合材料的摩擦学特性和促进转移 膜的生成都有积极的作用，一方面铜粉颗粒可以增强复合材料从而提高复合材 料的承载力，另一方面部分铜粉颗粒在摩擦过程中转移到对偶件表面后将对形 成的转移膜产生钉扎固定作用，减少转移膜的剥落，促进转移膜生长、扩展。 所以适当大小和含量的铜粉颗粒对形成均匀、完整的转移膜是有帮助的，在本 试验条件下，当铜粉颗粒大小为1 5 5 9 m 、含量为1 5 m 时，复合材料的摩擦磨 损性能较好，生成的转移膜较为均匀，起到了减摩润滑的作用。 根据试验观察，我们认为转移膜动态形成过程可以分为三个阶段：第一阶 段，转移膜萌生阶段，复合材料磨损且嵌入下表面沟槽内形成局部薄而不均匀 的转移膜；第二阶段，转移膜生长阶段。复合材料中转移的铜粉颗粒嵌入金属 摩擦表面沟槽中，对转移膜起到钉扎固定作用，减少了转移p t f e 的剥落，促 使了转移膜的长大；第三阶段，转移膜稳定阶段。随着摩擦进程的深入，转移 膜长大、连成一片，从而逐渐形成一层均匀完整的转移膜。在这一阶段中，有 转移膜的剥落与再修复的动态过程，但整体转移膜的覆盖程度比较稳定。 关键词：p t f e 基复合材料；摩擦；磨损；界面迁移；转移膜 b e h a v i o ro fi n t e r f a c et r a n s f e ro fp t f eb a s e d c o m p o s i t e sd u r i n gf r i c t i o n a b s t r a c t p o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e sa r ei n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f t r i b o l o g ys i n c et h e yh a v em a n yu n i q u ee x c e l l e n tp r o p e r t i e s t h ef r i c t i o ni n t e r f a c e t r a n s f e ri sa ni m p o r t a n tp h e n o m e n o no fp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e sd u r i n gf r i c t i o n i ti sg r e a ts i g n i f i c a n tt os t u d yt r a n s f e rf i l mf o ri m p r o v i n gt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n dt h es e r v i c el i f eo fp o l y m e rc o m p o s i t e s t h ef o r m a t i o no ft h et r a n s f e rf i l mi s i n f l u e n c e db yf r i c t i o nc o n d i t i o n s ，c o u n t e r p a r ts u r f a c e ，f i l l e r sa n ds oo n t h e r e f o r e ， t h ep t f eb a s e dc o m p o s i t e sw i t hc o p p e rp a r t i c l e sa sm a i nf i l l e rw e r es e l e c t e da s s t u d i e dm a t e r i a l s t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ep t f eb a s e dc o m p o s i t e sw e r e t e s t e db ys l i d i n ga g a i n s t4 5s t e e lc o u n t e r p a r tu n d e rd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s ，s u c ha s d i f f e r e n tl o a d sa n ds l i d i n g s p e e d s ，d i f f e r e n ts u r f a c er o u g h n e s s e sa n d s u r f a c e t e x t u r e s ，d i f f e r e n ts i z e sa n dc o n t e n t so ff i l l e r s t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t r a n s f e rf i l mo fp t f eb a s e dc o m p o s i t e s d u r i n gf r i c t i o nw a ss t u d i e db yu s i n g s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ， o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) t h ee f f e c to ft e s tc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gl o a da n ds l i d i n gs p e e d ) o nt h e t r i b o l o g i e a lp r o p e r t i e sa n dt h ei n t e r f a c et r a n s f e ro f p t f ec o m p o s i t e sw a ss u d i e d i n o u rw o r k ，t h et r a n s f e rf i l m sb e c a m eu n i f o r ma n dc o n t i n u o u sw i t hi n c r e a s i n go fl o a d g r a d u a l l y ，b u tw h e nt h el o a dr e a c h e dt o8 m p a ，t h ep e e l i n go f fo ft h et r a n s f e rf i l m s i n c r e a s e da n dw e a rb e c a m el a r g e r a ss l i d i n gs p e e di n c r e a s e d ，t h et r a n s f e rf i l m s g r a d u a l l yb e c a m eu n i f o r ma n dc o m p l e t e m e a n w h i l e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e c o m p o s i t e sr e d u c e da n dt h e i rw e a ri n c r e a s e d t h et r a n s f e rf i l m sc a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c et h ef r i c t i o n t h ee f f e c to ft h ec o u n t e r p a r ts u r f a c em o r p h o l o g y ( i n c l u d i n gs u r f a c er o u g h n e s s a n ds u r f a c et e x t u r e ) o nt h et r i b o l o g i e a lp r o p e r t i e sa n dt h ei n t e r f a c et r a n s f e ro ft h e p t f ec o m p o s i t e sw a sa l s os u d i e d i no u rt e s tc o n d i t i o n s ，i tw a sf o u n dt h a tt h e s u r f a c er o u g h n e s sh a dl i t t l ee f f e c to nt h ef o r m a t i o no ft r a n s f e rf i l m s ，b u tt h e c o u n t e r p a r ts u r f a c er o u g h n e s sc o u l db eo b v i o u s l yr e d u c e db yt h et h ef o r m a t i o no f t r a n s f e rf l i m s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t0 0 ，4 5 0 ，9 0 0d i r e c t i o n so ft h et h r e et e x t u r e s h a dd i f f e r e n tt r i b o l o g i c a lb e h a v i o r s ，a n df o r m e dd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e so ft r a n s f e r f i l m ，i e ，u n i f o r mt r a n s f e rf i l m sw e r eo b s e r v e do nt h e0 0a n d9 0 0t e x t u r e ds u r f a c e s a n dt h e i rw e a rq u a n t i t i e sw e r es m a l l e r ；w h i l et h et r a n s f e rf i l mo nt h e4 5 0t e x t u r e d s u r f a c ew a sn o tc o m p l e t e ，a n di t sw e a rw a sl a r g e r f u r t h m o r e ，t h ee f f e c to ft h ef i l l e r ( s i z ea n dc o n t e n t ) o nt h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ei n t e r f a c et r a n s f e ro fp t f ec o m p o s i t e sw a ss u d i e d a c c o r d i n gt o o u r r e s u l t s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef i l l e ro fc o p p e rp a r t i c l e sh a dg o o de f f e c t si n i m p r o v i n gt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dp r o m o t i n gt h ef o r m a t i o no ft r a n s f e rf i l m o ft h ec o m p o s i t e s o nt h eo n eh a n d ，t h ec o m p o s i t e sc a nb er e i n f o r c e db yc o p p e r p a r t i c l e s ，s ot h a tt h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t e sc a l lb ei m p r o v e d ；o n t h eo t h e rh a n d ，s o m ec o p p e rp a r t i c l e st r a n s f e r r e dt ot h ec o u n t e r f a c ed u r i n gf r i c t i o n w i l lp r o d u c et h ee f f e c to ff i x e dp i n n i n gt ot r a n s f e rf i l m ，w h i c hr e d u c e dt h ep e e l i n g o f fo ft h et r a n s f e rf i l m ，a n dp r o m o t e dt h eg r o w t ha n d e x p a n s i o no f t h et r a n s f e rf i l m t h e r e f o r e ，i ti sh e l p f u lt h a tt h ep r o p e rs i z ea n dc o n t e n to fc o p p e rp a r t i c l e sa d d e di n p t f ec a nf o r mau n i f o r ma n di n t e g r a t e dt r a n s f e rf i l m i no u rw o r k ，w h e nt h es i z e o ft h ec o p p e rp a r t i c l ei s15 5 1 x ma n dt h ec o n t e n ti s15 w t ，t h ef r i c t i o na n dw e a r p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sa r eb e s t ，a n dm o r eu n i f o r mt r a n s f e rf i l m c a nb e g e n e r a t e d ，w h i c hs e r v e da st h el u b r i c a n tt or e d u c ef r i c t i o n b a s e do nt h eo b s e r v a t i o n s ，i tw a sc o n s i d e r e dt h a tt h ed y n a m i cf o r m a t i o n p r o c e s so ft r a n s f e rf i l mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s t h ef i r s ts t a g e ，n a m e l yt h e i n i t i a t i o n s t a g e i nt h i ss t a g e ，t h er e m o v e dc o m p o s i t e sa r ee m b e d d e di n t ot h e g r o o v e so fc o u n t e r f a c ea n dp a r t i a la n du n e v e nt r a n s f e rf i l mi sf o r m e d t h es e c o n d s t a g ec a nb ec a l l e dt h eg r o w t hs t a g eo ft r a n s f e rf i l m s o m ec o p p e rp a r t i c l e si nt h e c o m p o s i t e st r a n s f e r r e dt ot h ec o u n t e r f a c ed u r i n gf r i c t i o nw i l lp r o d u c et h ee f f e c to f f i x e dp i n n i n gt ot r a n s f e rf i l m ，w h i c hr e d u c et h ep e e l i n go f fo ft h et r a n s f e rf i l m sa n d p r o m o t et r a n s f e rf i l mg r o w t h t h et h i r ds t a g ei st h es t a b l es t a g eo ft r a n s f e rf i l m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef r i c t i o np r o c e s s ，t r a n s f e rf i l m sg r o w u pt oj o i nt o g e t h e r ， w h i c hr e s u l t si nt h eg r a d u a lf o r m a t i o no fa nu n i f o r mc o m p l e t et r a n s f e rl a y e r t h i s s t a g ei sad y n a m i cp r o c e s sw i t hp e e l i n go f fa n dr e p a i r i n go ft h et r a n s f e rf i l m s ，b u t t h ec o v e r a g eo ft r a n s f e rf i l mi sr e l a t i v e l ys t a b l e k e yw o r d s ：p t f eb a s e dc o m p o s i t e ；f r i c t i o n ；w e a r ；i n t e r f a c et r a n s f e r ；t r a n s f e r f i l m ； 谢 我的硕士研究生学习阶段即将结束，在此我要向我的导师解挺老师表达我 衷心的感谢和崇高的敬意! 解老师是个平易近人的老师，在这三年里，学习上 注重对学生的思维和创新意识的培养，他敏锐的洞察力、治学的严谨态度、工 作的敬业精神给我很大的启发，同时也激励了我学习的动力和主动精神，让我 尽早地完成我的学习计划，在我撰写毕业论文期间，积极指导我的论文工作； 生活中他也给我予我无微不至的关心，特别是在我实习期间给我最大的支持和 帮助，但不忘督促我的论文工作，这些都让我由衷的感激，终身不忘。 此外，还要感谢所里其他老师在学习上给予的帮助和指导，让我感到了摩 擦所老师们的亲切和温暖。 由衷感谢三年的同窗好友，不仅在学习和生活上给了我最大的帮助，而且 让我又一次体会到同学问的友情，实验室里的欢声笑语和无休止的讨论让我体 昧无穷。 最后，我要感谢我的父母，是他们的支持和鼓励，让我可以重新走进校园， 又一次有了坐在课堂里的机会，此时此刻的心情是大学时所没有的，所以，一 直以来我没有放松自己，只有用我的努力和进步来表达我对父母的感激之情， 是他们让我享受到了校园的美好和学习的乐趣，我要将这份感恩化作我今后工 作和学习的动力。 作者：万媛嫒 2 0 11 年3 月1 0 日 目录 第一章绪论1 1 1 聚合物基复合材料的特性与应用l 1 2 聚合物基复合材料的摩擦磨损特性l 1 2 1 基体和填料的影响1 1 2 2 温度、载荷、速度等的影响一2 1 3 聚合物基复合材料摩擦过程的界面迁移4 1 4 界面迁移的影响因素6 1 4 1 表面粗糙度及其纹理特性的影响8 1 4 2 填料的作用9 1 5 课题研究意义和研究内容1 0 第二章试验方案与试样制备1 2 2 1 试验试样制备1 2 2 1 1p t f e 基复合材料试样的原材料1 2 2 1 2p t f e 基复合材料的制备1 3 2 1 3 试验下试样制备15 2 2 试验方案1 6 2 2 1 摩擦副运动形式选择1 6 2 2 2 往复运动数据采集1 6 2 2 3p t f e 基复合材料摩擦磨损试验1 7 2 3 本章小结1 7 第三章p t f e 基复合材料摩擦过程界面迁移的影响因素1 8 3 1 摩擦条件的影响18 3 1 1 载荷的影响18 3 1 2 滑动速度的影响2 2 3 2 对偶表面形貌的影响2 7 3 2 1 表面粗糙度的影响2 7 3 2 2 对偶表面纹理方向的影响3 1 3 3 填料的影响3 6 3 3 1 填料大小的影响3 6 3 3 2 填料含量的影响4 0 3 4 本章结论4 5 第四章p t f e 基复合材料摩擦转移膜形成过程分析4 6 4 1 试验条件一4 6 4 2 结果分析4 6 4 3 转移膜分析4 7 4 3 10 0 纹理方向分析一4 7 4 3 24 5 0 纹理方向分析4 9 4 3 39 0 0 纹理方向分析5 1 4 4 转移膜形成过程的模型5 3 4 5 本章小结5 4 第五章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 6 插图目录 1 一l 摩擦系数随载荷、滑动速度变化关系图3 l 一2 聚合物摩擦接触时材料转移方向6 l 一3p t f e 相对聚乙烯表面转移膜厚度随滑动速度和载荷变化曲线7 l 一4 转移膜厚度随时间变化图7 1 5 三种钢盘形貌下的s e m 图像9 l 一6p i 复合材料的摩擦系数和磨损率随m o s 2 含量变化的曲线图9 2 1 上试样制备流程图1 4 2 2 上试样设计工艺曲线图1 5 2 3 下试样示意图1 6 2 4 摩擦副接触方式及磨痕形状1 6 3 一l 载荷条件下p t f e 基复合材料的摩擦磨损性能1 9 3 2 不同载荷下磨痕的表面形貌图2 0 3 3 不同载荷下摩擦表面的s e m 图像2 1 3 4 不同滑动速度下复合材料的摩擦磨损性能2 3 3 5 下表面磨痕光学显微镜照片2 4 3 6 不同滑动速度时下试样摩擦表面s e m 图像2 5 3 7 不同滑动速度下磨屑s e m 图像2 6 3 8 下试样磨痕表面宏观照片2 7 3 9 不同粗糙度条件下p t f e 基复合材料摩擦磨损性能2 8 3 一l o 摩擦表面粗糙度随时间的变化曲线图2 9 3 一1 1 四种粗糙度下试样试验后微观形貌图3 0 3 1 2 试验前后粗糙度变化图3 l 3 1 3 不同纹理方向时p t f e 基复合材料的摩擦磨损性能3 2 3 一1 44 5 0 和9 0 0 纹理方向时表面沟槽容积与磨损量示意图3 3 3 一1 5 三种下试样试验后微观形貌图3 4 3 1 6 三种不同纹理方向磨屑的s e m 图像3 5 3 一1 7 填料大小条件下p t f e 基复合材料摩擦磨损性能3 7 3 1 8 试验后下表面s e m 图像3 8 3 一1 9 不同大小填料形成的磨屑的s e m 图像3 9 3 2 0p t f e 基复合材料摩擦磨损性能4 1 3 2 l 不同铜粉颗粒含量下复合材料的摩擦表面s e m 形貌4 3 3 2 2 试验后磨屑的s e m 图4 4图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 一l 三种表面纹理方向摩擦磨损结果：4 7 图4 2o o 纹理方向试验后表面不同时间段的显微照片4 8 图4 34 5 0 方向试验后表面不同时间段的s e m 照片4 9 图4 44 5 0 纹理方向摩擦不同时间段的表面显微照片5 0 图4 59 0 0 纹理方向试验后下表面s e m 照片5 1 图4 64 5 0 、9 0 0 纹理方向时间段能谱图5 2 图4 7 转移膜形成过程示意图5 3 表格目录 l l 一些热塑性基体的摩擦学性能2 2 一l 铜粉8 - 3 物理化学性能1 2 2 2 复合材料制备所用的装置1 3 2 3 上试样配方1 3 3 1 试验条件1 8 3 2 试验条件2 2 3 3 试验条件2 7 3 4 试验条件3 1 3 5 试验条件。3 6 3 6 试验条件4 0 4 1 试验条件4 6表表表表表表表表表表表 第一章绪论 1 1 聚合物基复合材料的特性与应用 聚合物基复合材料是由基体和增强剂组成，是一种高分子材料。基体主要 由聚合物组成，其中包括共混聚合物；增强剂主要起到提高材料机械性能作用， 使得材料具备一定的高强度和高模量等力学性能。因此聚合物基复合材料相对 于传统材料具有很多特性：耐疲劳性能好，比模量、比强度大，减震性 能较好，具备多功能性能，过载时安全保护性能好，预定设计性和可加 工工艺性好。然而，聚合物基复合材料的耐高温性、耐老化性、耐疲劳性、强 度的各向同一性等方面也存在一定的缺点，所以目前仍要努力在理论上加以解 释及指导实践，使其性能的可设计性向更高的水平迈进l l 2 j 。 目前聚合物基复合材料在工程中应用广、发展快。例如在运输、航空及军 事、建筑、工业管道、电气、机械设备、消费品等各个方面都得到广泛的应用。 而且，在汽车零部件中聚合物复合材料的使用也持续增长，如汽车内饰片材、 贮物箱、功能配件、控制配件、结构配件以及车门组件等都可由聚合物材料制 造。最重要的是聚合物基复合材料也越来越多地应用到摩擦学领域中去。如一 些特种工程塑料被应用到干摩擦、高温、潮湿、腐蚀严重等恶劣工况下，因为 其本身的摩擦系数低、耐高温、耐潮湿、耐腐蚀性好，且承载啮合性好，添加 增强剂后耐磨性也可以得到显著提高，是一种自润滑材料，可应用到各种零部 件中去，如齿轮、垫片、轴承、活塞环和密封件等。近年来对自润滑复合材料 的结构、摩擦磨损和润滑性能的摩擦学研究增多1 1 - 4 j 。 1 2 聚合物基复合材料的摩擦磨损特性 1 2 1 基体和填料的影响 1 基体的影响 基体材料的性能直接影响复合材料的性能，聚合物基体将增强材料粘结成 整体，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡。不同的基体材料，其摩擦学性能不 同，表格1 - 1 列出了几种聚合物材料的摩擦系数。 2 填料的影响 纯聚合物材料的摩擦学性能较差，单独使用并不能满足工程应用，所以一 般要添加填料来弥补其性能的缺陷，提高其综合性能，满足应用需求。一般将 填料分为金属填料、无机非金属填料、有机非金属填料等，近年来对填料的摩 擦学性能的影响研究也越来越多【5 6 】，且纳米颗粒也越来愈多被填充到复合材料 中去，提高复合材料的综合性能【7 】。早期，b a h a d u r 等人就已研究了各种填料对 聚合物摩擦磨损性能的影响，发现不同的填料性能和不同的聚合物基体结合， 其相互作用的结果也不同【8 1 。 表1 1 一些热塑性基体的摩擦学性能【1 】 基体材料摩擦系数 尼龙 m c 尼龙 聚四氟乙烯 聚苯醚 聚酰亚胺 一般情况下，固体润滑剂( 如p t f e 、g r 、m o s 2 等) 填料对提高聚合物的摩擦 磨损性能比金属填料、无机填料优越，它们既降低摩擦因数，也降低了材料的 磨损率【8 - 1 2 】。对于不同的基体材料，填料提高摩擦磨损性能的幅度不同，例如 p t f e 对于任何基体材料摩擦磨损性能均有大幅度的提高，这是由p t f e 的特殊结 构( 如p t f e 链的平滑轮廓、带状结构、微晶体大小、单元体之间的相互交换距 离等【1 3 】) 决定的，即其容易在对摩面上形成了转移膜，摩擦接触状态被改变， 因此降低了摩擦系数，而石墨次之，二硫化钼提高摩擦磨损性能最差【8 ，l4 1 。添 加金属填料的复合材料，其摩擦磨损结果主要依赖于填料和基体的综合性能： 看填料能否提高材料的剪切强度；看填料是否能提高转移膜和对摩面之间 的粘结力。对于软基体，填料可以提高耐磨性，但增加了摩擦系数；而对于硬 质基体，某些填料反而增加了聚合物材料磨损率1 5 l 引。对于无机填料( 如c u s 、 c u f 2 和p b s 等) ，起到提高承载能力和减少变形的作用。在摩擦过程中，如果 填料分解还原为金属单体( 如c u 颗粒) ，则金属单体可以增加转移膜与对摩表 面的粘结力，使得转移膜不易从界面脱落，从而保护了转移膜，提高了复合材 料的耐磨损性能，但是，金属及其化合物均增加了材料的摩擦系数 8 , 1 6 - 1 9 1 。 许多研究还发现，填料对复合材料摩擦学性能的影响还存在最佳填充比的 关系。当聚合物与填料混合在一起时，聚合物材料是吸附在填料颗粒表面或是 吸附在填料之间，起到了对材料物理连接的作用。当填料含量较低时，聚合物 基体性能对摩擦磨损起到主要作用；当填料含量过高时，聚合物不能完全充分 地填补颗粒之间的空隙，造成聚合物之间粘合力较差以至于产生较多的空隙， 从而导致复合材料摩擦磨损性能下降，所以只有当填料的含量达到其临界状态 即被填料吸附的聚合物能够相互接触并且聚合物能够填充其空间时，复合材料 的摩擦学性能才会最佳【1 9 , 2 0 。 1 2 2 温度、载荷、速度等的影响【1 3 , 1 6 1 2 3 4 3 2 o 0 o 5 5 4 8 7 l l o 1 l o o o o o 1 温度的影响 复合材料的摩擦学特性受到外界环境的影响，其中温度对其影响较大。一 般情况下，温度升高会造成分子的热运动加剧，使得材料发生形态的转变：玻 璃态一高弹态一粘流态。从而导致在摩擦过程中，材料出现软化、机械强度下 降，受到外力作用发生变形或导致材料层与层之间发生断裂。当温度升高到一 定的临界值时，材料的磨损性能将出现质变而发生急剧恶化。例如，p t f e 在 不同温度，结构发生变化，且在不同速度下，摩擦系数峰值向较高温度转移 【 ：1 3 】。另外，一般在高温下，基体材料的耐热性决定了复合材料的摩擦磨损性 能，但又受到填料耐热性的影响【2 0 1 。例如在s a m y n 等人1 2 1 】的研究中发现，低 温下p i 摩擦系数较大，但当温度达到1 4 0 、1 8 0 时，其摩擦学特性发生 了改变，即磨损率、摩擦系数减小到最低，通过观察发现，如同上面所说，高 温环境下促进p 1 分子运动、材料发生转移，在摩擦界面形成了不连续的转移膜， 改变了摩擦副状态，从而在较高温度下表现出较好的摩擦磨损性能。当然，也 如同以上分析，温度并不是无限增大的，这受到材料本身极限值制约【2 2 1 。 2 载荷的影响 载荷和滑动速度是聚合物复合材料摩擦磨损性能重要的影响因素，摩擦系 数和磨损率均受载荷的影响 1 3 , 1 4 , 2 3 】。例如，p t f e 随着载荷增加，摩擦系数减 小。载荷是通过真实接触面积的大小和变形形状来影响摩擦系数的，通常随着 载荷的增加，摩擦系数呈现普遍下降的趋势。当载荷增加后，聚合物与对摩面 ( a )( b ) 图i 一1 摩擦系数随载荷、滑动速度变化关系图1 2 1 1 的接触面积增大、生热大，增加了聚合物的粘附能力，在界面上更容易生成转 移膜，改变了摩擦副，形成了聚合物与聚合物之间的摩擦状态，从而减小了摩 擦系数；但是载荷对磨损率的影响较复杂，一般在低载荷条件下，主要以粘着 磨损为主，形成的转移膜对材料起保护作用，还减小了接触面处的剪切强度， 当载荷增加达到一定值后，易产生较高温度，可以导致摩擦系数增加，材料产 生变形甚至破坏，从而增加了磨损率【2 4 。们。也有人从能量角度分析复合材料摩 擦磨损性能与载荷、滑动速度的变化关系，如图1 1 所示，将摩擦过程分成i 、 i i 、m 、四个阶段，摩擦过程产生的摩擦能分为热能( q ) 和储存能( e s ) 两种形 式。i 阶段为磨合阶段，这是摩擦磨损从不稳定到稳定的转变阶段，摩擦系数 随着载荷和滑动速度的的增加而减小；u 阶段为摩擦磨损的稳定阶段，此时摩 擦系数较为稳定；m 阶段为摩擦磨损的动力学平衡被打破阶段，从图1 1 中可 以发现在这个阶段，随着载荷或滑动速度的增加，摩擦系数增大，此时e s q 上升；阶段为高摩擦磨损阶段，此时摩擦系数迅速增大或呈现不稳定状态 3 0 j 。 3 速度的影响 其实温度、载荷、速度等条件对材料摩擦学性能影响都是环环相扣的，它 们互相影响和制约。速度对于材料摩擦学性能的影响受到滑动界面温度的影响， 在一定的载荷与摩擦系数条件下，产生的摩擦热与滑动速度成正比。由于聚合 物的低传热性，摩擦引起热积累，局部闪温一般高于表面平均温度f 3 ，研究发 现，高速比高温更易出现闪温，当速度接近某值时，闪温足以熔融材料局部区 域。另外，高速的影响还在于对转移膜的作用，当速度超过一定界限值后，摩 擦表面之前形成的固体润滑膜即转移膜的完整性受到破坏，摩擦副发生改变， 摩擦系数和磨损量也就随之增大或出现不稳定状态。所以，在高速工况条件下， 应优先选用能提高材料的导热性能以及能增强转移膜粘着强度的填料。总之， 一般情况下，温度、载荷对材料摩擦学性能的影响比速度的影响大，同时材料 的摩擦学性能对载荷变化的敏感性要比对滑动速度的变化强【6 , 1 3 , 2 0 】。 4 气氛环境的影响 由于受到表面吸附、表面化学反应等因素的影响，自润滑材料会因为处在 不同气氛中而使摩擦学性能出现很大差异。这也是当今固体润滑材料应用广泛 的一个重要因素，例如纯p t f e 其惰性好，一般能适用于所有气氛，被用于航 空、冶金等特殊的工况条件场合下，而p e e k 、p i 由于其化学性质，不能用于 氧气、氯化类等介质【6 j ，这里就不做详细介绍。 1 3 聚合物基复合材料摩擦过程的界面迁移 聚合物与另一种固体接触后相对滑动所产生的摩擦过程是一个复杂的过 程，其主要表现为疲劳磨损和粘着磨损。疲劳磨损是材料在摩擦过程中受到外 界压力发生变形产生疲劳造成的。粘着磨损是两个相对摩擦面间材料由于剪切 力作用产生粘着转移，即材料从一个接触面上被粘结转移到对偶界面的过程。 摩擦产生损耗，主要分布于界面或靠近界面的很薄的界面区( 主要是真实接触 面积，厚度约为l0 n m ) 和位于界面以下的内聚区( 主要为宏观接触面积，其厚 度接近于接触度) 3 3 , 3 4 】。因此，在聚合物摩擦过程中伴随着一个重要现象就是 界面材料的转移。 4 上面所叙述的界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结构与性能，以 及粘结强度等因素，直接关系到界面迁移即转移膜生成情况进而影响复合材料 的摩擦学性能。在复合材料中基体和填料的相互作用也影响界面的结构形式， 所以各种配方的复合材料的界面迁移状况不尽相同：有的促进转移膜的生成， 有的对转移膜的形成起到制约或破坏的作用【2 j 。 聚合物的粘着还受到本体强度的影响，本体强度低的聚合物比较容易粘着 并发生本体转移到本体强度高的材料上而造成较高的磨损。例如，聚乙烯、聚 四氟乙烯等本体强度较低的聚合物在光滑的表面( 如玻璃、不锈钢等) 上滑动 时，由于聚合物与对摩擦材料的粘着作用，聚合物常在距界面一定距离的本体 内发生断裂，同时小片聚合物从本体材料上滑移下来，形成游离的磨屑或者附 着在对摩面上形成转移膜【3 3 1 。转移膜在聚合物摩擦过程中非常重要，尤其是用 于干摩擦环境或一些不能用于油润滑的特殊工况中，转移膜可以充当润滑膜的 作用f 3 5 1 ，能够有效地改善聚合物摩擦条件，降低摩擦系数、明显减小材料磨损。 当然，转移膜的生成是材料受到刨犁和粘结共同作用的结果，其与对偶界面的 摩擦既受到物理作用也受到化学影响口6 1 ，转移膜的结构、成分均与原材料不同， 其厚度、均匀性、连续性等均对材料的摩擦磨损性能有重要影响。 当前，转移膜的形成和作用受到广大学者的重视和研究，因为研究这种转 移膜的形成过程不仅可以观察复合材料的摩擦学性能以及变化规律，而且对复 合材料的改性以及提高其性能和使用寿命有着重要意义1 6 】。 硬度是影响粘着磨损的一个重要因素，也是聚合