【doc】钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损机制的研究.doc

钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损机制的研究2009年1月第34卷第1期润滑与密封lubricationengineeringjan.2009vo1.34no.1钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损机制的研究史以俊何明顾晓利罗振扬冯新陆小华(1.南京林业大学理学院化学与材料系江苏南京210037;2.南京工业大学材料化学工程国家重点实验室江苏南京210009)摘要:研究了钛酸钾晶须(哪)对聚四氟乙烯(ptfe)复合材料力学及摩擦学性能的影响,并与碳纤维(cr)和玻璃纤维(gf)的填充效果进行了比较.结果表明:加入唧后,prrfe的硬度,冲击强度,拉伸强度,弯曲强度,压缩强度及耐磨性能比纯ptfe的分别约提高了10%,30%,20%,15%,20%和300倍;prrw/prrfe的耐磨性能要优于gf/ptfe及cf/ptfe.sem研究表明:ptw/ptfe的内部结构比gf/ptfe及cf/ptfe的均匀致密,具有显微增强效果;ptw/ptfe的磨损面比gf/ptfe及cf/ptfe的要平整,其转移膜也较gf/ptfe及cf/ptfe的更为均匀,连续,致密.关键词:钛酸钾晶须;聚四氟乙烯;摩擦;磨损;机制中图分类号:tq174;th117.1文献标识码:a文章编号:02540150(2009)10594astudyonthefrictionandwearmechanismofpotassiumtitanatewhiskersfilledptfecompositesshiyijunhemingguxiaoliluozhenyangfengxinluxiaohua(1.departmentofchemistryandmaterialsscience,instituteofscience,nanjingforestryuniversity,nanjingjiangsu210037,china;2.statekeylaboratoryofmaterialsorientedchemicalengineering,nanjinguniversityoftechnology,nanjingjiangsu210009,china)abstract:theeffectofpotassiumtitanatewhiskers(m)onthemechanicalandtribologicalpropertiesofp1fecon?positeswasstudied.itseffectwascomparedwiththatofcarbonfibersandglassfibers.resultsindicatethat,incomparisonwithpureptfe,thehardness,impactstrength,tensilestrength,bendstrength,pressstrengthandantiwearpropertiesofthefecompositesincrease10%,30%,20%,15%,20%and300times.semstudyshowsthattheinternalstructure0fptw/ptfeismorecompactthanthatofgf/ptfeandcf/fffe.thewornsurfaceandtransferfilmof唧/fearemuchbetterthanthoseofgf/ptfeandcf/ptfe.keywords:potassiumtitanatewhiskers;ptfe;friction;wear;mechanismvffe是一种最常用的自润滑材料,其具有摩擦因数低,耐高低温,极优异的介电和电绝缘性,化学稳定性好等优良性能,有着塑料王的美誉.但其蠕变严重,耐磨性差,通常采用玻璃纤维,石墨,mos,炭纤维及青铜粉等填充fe进行改性一.钛酸钾晶须(k,o?6tio,potassiumtitanatewhiskers,简称ptw)是一种高性能的新型超细无机纤维材料,它具有优良的力学性能,化学稳定性和耐磨性好,硬度低等特点.它的强度超出常用的玻璃纤维(glassfibers,简称gf),凯夫拉纤维,碳纤维(carbonfibers,简称cf)等(碳纤维的拉伸强度和弹性模量分别为3.1,230gpa,而ptiw分别为7,280gpa),具有许多传统纤维不可替代的优点.特别收稿日期:20080730作者简介:史以俊(198o一),男,博士,讲师,主要从事聚合物复合材料摩擦学性能的研究.e-mail:iamyeguirengmail.coff1.是其尺寸细微,尤其适合制造形状复杂,细小,精度好,表面光洁度高的制品.冯新等近年来在w表面改性,w含量对ptw/ptfe复合材料力学性能,热性能,摩擦性能的影响等方面进行了一些研究工作,但是对于ptw/ptfe复合材料摩擦磨损的机制还未进行深入的研究.本文作者对比了相同载荷,滑动速度条件下,同一含量唧,gf,cf填充ptfe复合材料的摩擦磨损性能,对偶面转移膜,磨屑以及复合材料微结构的差异,从而阐述唧增强ptfe复合材料的摩擦磨损机制.1试验部分1.1原料及ptw/fffe复合材料的制备ptfe:平均粒径25m,杜邦公司生产;p1w:自制,平均直径1i.zm,平均长度30p,m;cf:平均直径15m,平均长度90m,市购;gf:平均直径l0m,平均长度30m,南京玻纤院生产.将ptw,gf,cf按20%的质量分数分别加到ptfe粉末中,机械搅拌混合均匀,冷压成型,再经程序控温润滑与密封第34卷烧结制备不同的试验样品.加工后的样品和对偶材料(45钢)在试验前用800金相砂纸打磨到粗糙度为r.0.2m,丙酮清洗干燥.1.2力学性能测试试样在温度为(232)ci=,相对湿度为50%5%的条件下进行试验,测试之前试样在试验温度下放置16h.采用江苏省江都市明珠试验机械厂生产的lxd型塑料邵氏硬度计,按照gb934288有关规定测试材料的硬度,每一数据由6个测试点得出.冲击试验采用简支梁冲击试验机(承德xjj-5),按gb/t1043-93测定缺口试样简支梁冲击强度,试样尺寸为120mm15mill5mm,缺口形状选择矩形槽.拉伸,弯曲及压缩性能采用电子万能实验机(sans,cmt4254)测试,分别根据gb/t1040-92,gb/t9341-2000及gb/t1041-92,测定试样的拉伸强度,弯曲强度和压缩强度,每一数据由5个试样得出.1.3摩擦磨损试验及分析评价利用mpx-2000型磨损试验机双环形式(河北宣化),考察相同试验条件下,相同含量唧,gf,cf填充fffe复合材料的摩擦磨损性能.试验条件:室温,相对湿度50%55%,载荷100n,滑动速度1.4rn/s,试验周期60min.对偶件为45钢,材料和对偶件在试验前用900目金相砂纸打磨.正式摩擦测试前,先进行5rain磨合.试样在测试前后,清洗去屑,放入烘箱105qc下干燥3h.磨损失重用精度为0.1mg电子天平称量,磨损量由磨损失重计算而得,摩擦因数由电脑在线采集摩擦力矩经计算转换获得,取后45min内平均值.利用quanta-200型扫描电子显微镜(sem)分析磨损面及对磨面转移膜磨屑形貌.2结果与讨论2.1prrw对ptfe力学性能的影响表1ptfe及唧填充fe的力学性能table1themechanicalpropertiesofptfeandprw/ptfe表1是w填充ptfe复合材料与纯ptfe力学性能的比较.由表1可以看出,加入唧后ptfe的各项力学性能均得到了不同程度的提高.与纯ptfe相比,质量分数20%p1iw的加入使得ptfe硬度,冲击强度,拉伸强度,弯曲强度及压缩强度分别约提高了l0%,30%,20%,l5%及2o%.复合材料强度的提高,是由于无机材料的加人,可以有效地分散材料的应力,避免因为应力集中对材料的破坏,这在摩擦状态下有着明显的优势.同时,对于ptfe体系来说,其本身的带状结构极易被破坏,无机材料特别是纤维状材料对这种结构的保护有着无可比拟的优势.材料的表面硬度的增加,可以有效地降低摩擦表面在高载荷下的变形程度,同时可以降低由于材料的互嵌引起的摩擦力.2.2唧/ptfe,gf/ptfe,cf/ptfe3种体系摩擦磨损性能的对比1.ptfe2.ptfe+20%ptw3.ptfe+20%rf4ptfe+20%cf图1唧,gf及cf填充ptn:复合材料的摩擦因数fig1thefrictioncoefficientof唧.gfandcffilledpifel_ptfe2.ptfe+20%ptw3.ptfe+20%cf4.ptfe+20%gf图2ptw,gf及cf填充p1w复合材料的磨损体积fig2thewearvolumelossof唧.gfandcffilledpigf和cf一直是复合材料领域优异的增强材料,本文作者研究了其填充ptfe材料的摩擦磨损性能,并与填充ptfe材料的性能进行了比较,结果如图1,2所示.其中gf,cf和w的质量分数均为20%.从图l中可以看出.,p1w及gf的加入使得ptfe的摩擦因数有所增加,这是因为及gf属于无机陶瓷材料,其硬度要远高于有机高分子材料ptfe,混合填充后增大了ptfe的硬度,从而使得填充后ptfe的摩擦因数有所升高.由图1还可以发现,与唧及gf相反,cf的加入却降低了ptfe的摩擦因数.这是因为cf表层具有较好的石墨片层结构,众所周知石墨就是因为拥有此片层结构而具有优异的减摩润滑作用,摩擦时cf上的这些片层结构会随着ptfe一起转移到对磨面,从而降低了ptfe的摩擦因数.由图2可以看出,ptw,gf及cf的加入均使得62润滑与密封第34卷性和连续性等均对材料的摩擦磨损性能有重要影响.由图5可以看出,ptw/fe可以在对磨面上形成均匀,连续,致密转移膜,而gf/ptfe及cf/ptfe虽然也能够形成一定的转移膜,但明显可以看出,gf/ptfe及cf/ptfe形成的转移膜要比ptw/ptfe形成的转移膜粗糙许多,且连续性不好.这也说明了为何p阿/ptfe的磨损性能优于gf/pt.fe及cf/ptfe.3结论研究了prw对ptfe复合材料的力学及摩擦性能影响,并与cf,gf的填充进行了比较,结果表明:w增强ptfe复合材料的硬度,冲击强度,拉伸强度,弯曲强度,压缩强度及耐磨性能比纯prrfe的分别约提高了10%,30%,20%,15%,20%和300倍;ptw/ptfe的耐磨性能要优于gf/ptfe及cf/ptfe;p1w/ptfe的内部结构比gf/ptfe及cf/ptfe的均匀致密,具有显微增强效果;ptw/ptfe的磨损面比gf/ptfe及cf/ptfe的要平整,其转移膜也较gf/ptfe及cf/ptfe的更为均匀,连续,致密.参考文献【1】唐炜,朱宝亮,刘家浚,等.液晶微纤原位增强ptfe复合材料抗磨性能与磨损机理j.摩擦学,2000,20(1):1013.tangwei,zhubaoliang,liujiajun,eta1.aninvestigationoftheanti.wearbehaviorandwearmechanismsoftlcpin.situreinforcedpolytetrafluoroethylenecompositej.tribology,2000,20(1):1013.【2】袁荣根.填充聚四氟乙烯摩擦磨损特性j.有机氟工业,1998,2:1518.yuanronggen.frictionandwearpropertiesofrfecompositesj.organofluorineindustry,1998,2:1518.【3】车剑飞,汪信,陆路德,等.纳米粒子填充ptfe摩擦副材料的研究进展j.工程塑料应用,2004,32(7):677f】chejianfei,wangxin,lulude,eta1.advanceintheresearchofnanopart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