钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦性能的研究.doc

2003年江苏省复合材料科学技术与【程学术研讨会论文集 南京20035钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦性能的研究 陈东辉1冯新1江晓红1陆小华。金元生2 (1南京工业大学化学化工学院南京210009)(2清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084) 摘要：六钛酸钾品须以其优良的力学性能、化学稳定性，成为具有广阔应用前景的复合材料增强体。本文系统地 测试了填充剂含量、温度和载荷对钛酸钾晶须一聚四氟乙烯复合材料(PTWPTFE)的摩擦磨损性能的影响。研究发 现，PTW填充PTFE后，材料的磨损量可降至原来的110以下。材料的摩擦系数在摩擦过程中更加稳定，材料的负荷极限和滑行速度极限也明显提高：在200(2下，PTWPTFE有很好的耐磨性能。关键词：钛酸钾品须聚四氟乙烯摩擦磨损Tr iboIogicaIcharacter i stiCSofthepotassiumtitanate wh i sker-PTFE compos i tesChen Donghui，Feng Xin，Jiang Xiaohon91，Lu Xiaohual，Jin Yuanshen92)1Chemical engineering institute of Nanjing univof technology，Nanjing。21 000912National key laboratory of tribology of Tsing-Hua University，Beijing，1 00084)Abstract：Potassiumtitanate whisker(PTW)has become a promising reinforcing material for itsexcellent mechanical properties and outstanding chemical stabilityIn this paperthe influence ofPTW contenttemperature10ad and sliding speed on the friction and wear properties of potassium titanate whisker-filled PTFE composite TV“PTFE composites)were systemically evaluated，it was discovered that the wear of PTWPTFE composites was only about one tenth of that of PTFEThe filling of PTW stabilized the friction coefficientobviously enhanced the loading limit and the sliding speed limitMoreoveE PTW，PTFE composites has a good tribologicaperformanceat 200Key words：potassium titanate whisker，PTFE,fricfion，wear1引言聚四氟乙烯(PTFE)素有“塑料之王”的美称，但其高磨耗、易蠕变的缺点极大地限制了它 的广泛应用，它不能单独用于泵，轴承，活塞环等机械领域 。钛酸钾晶须(K206Ti02，potassium titanatewhisker，简称PTW)是一种高性能的新型复合 材料增强体。PTW具有优良的耐磨性、耐热隔热性、优异的力学性能，其拉伸强度甚至高于碳 纤维。晶须的细微尺寸使其具有许多传统纤维没有的优点，尤其适合用来显微增强I”。然而迄今为止，关于P1wPTFE复合材料力学、热学、摩擦学性能的研究鲜见报道pl。本文系统地研究了该复合材料的摩擦学性能。2实验部分2 1原料与复合材料制备PTFE由上海天原树脂集团悬浮法生产；PTW为沈阳金建短纤维公司生产。 复合材料的制备：将经过表面处理的PTW添加到PTFE粉末中混合均匀，在70MPa压力下一111!塑曼婆蔓塑里鱼盟型型堂垫查量E堡兰查型堕叁堡皇堡塑室!生冷压成型后程序控温至380C下烧结。2 2仪器与试验方法试验装置：摩擦学试验在一台Optimol SRV高温摩擦磨损试验机上进行。试验方法：1固定试验时间、温度、载荷(Load)、频率(frequency)和冲程(stroke)，比较不同PTW含量的PTWPTFE的摩擦磨损性能。2测试材料的负荷极限、滑行速度极限以及在阶梯升温条件下摩擦系数的变化：周定其它参 数而阶梯性地改变被研究参数，直到摩擦系数(p)失稳或材料表面开始熔化。试验中，上、下试样的接触形式为点接触。上试样材料是GCrl5钢球，下试样是待测试样。 在试验过程中，试样先在较小载荷下与偶件磨合5rain，然后加到测试载荷对磨25min。3结果与讨论3 1常温、稳态下摩擦磨损性能 本文所述稳态是指：在较低的滑行速度下，摩擦系数曲线不随时间发生大幅波动的状态。311填充剂禽量与摩擦系数及磨损量的关系本文考察了丌w含量对PTwPTFE复合材料摩擦系数|l及磨损量的影响，见表l。由表可 以看出，无论载荷为50 N还是200N，PTW的加入使PTFE的磨损量大幅度地下降，磨损量仅 是纯PTFE的1110左右：此外，PTW的加入并未明显改变材料的摩擦系数u。在载荷为50 N时，PTW含量的改变对PTW-PTFE复合材料磨损量的影响不大，磨损量维 持在0弘1 mg左右；摩擦系数p随PTW含量的变化稍有波动，当PTw含量为10wt时，u最 低。当载荷增加到200N时，磨损量随PTw含量的增加而增加，在PTw含量为5wt时出现最 小磨损量：而此时II几乎不随PTW含量的变化而变化。表I不同填充剂含量的PTWPTFE的摩擦系数PTW填充PTFE后，PTW的高强度特性使它们成为复合材料的主要应力承载体，PTWPTFE 的磨损量因此比PTFE有了数量级上的减小，这一点与传统的填充剂具有相同的功效：而PTW与 传统填充剂的不同点在于PTW-PTFE在很低的填充剂含量(swt)下即产生最小磨损量玻 纤、碳纤维、铜纤维的填充剂含量可高达20-40wt左右Ij4I。通过分析PTW的尺寸和比表面积，我们不难找到个中原因。PTW尺寸细微(拈186nm，I=1047肛m)，其比表面积为0713m2g，这个值是常用短切玻璃纤维(本文按d=67pm，1=173肛m，Id=261计算)的25倍。这样，每克PTW的个数可达玻璃纤维的163倍。随着PTW含量的增加，PTFE(比表面积为0605m2，g)在复合材料中所能包裹的PTW 的比例越来越小。PTW在材料中的均匀分散也因此越来越难，很多PTw团聚在一起，大大地削2003年江苏省复合材料科学技术与程学术研讨会论文集南京30035弱了界面间的粘结力，在材料内部形成许多应力集中区。 材料的结构决定其性能，PTWPTFE这种结构上的变化直接反映到复合材料的耐磨性能和力学强度上。一方面，结构的恶化导致复合材料力学性能变坏：另一方面，未被包裹的PTw在对 磨面上如同磨料一样，使摩擦转移膜不易形成，且与此同时，材料力学性能下降也引起破坏材料 表面所需的剪切力显著下降。这两方面因素共同使得复合材料的磨损量增加。从图1不难看出， 当填充剂含量从5 wt逐渐增加时，复合材料的磨损量不断上升，同时伴随着拉伸强度(反映力 学性能)的不断下降，很好地印证了以上分析。86420864aEso|sE南，、)2O图1 PTwPTFE的磨损量随填充剂含量的变化曲线3 2常温下的负荷极限和滑行速度极限321负荷极限表2列出了5wtPTWPTFE和纯PTFE在室温、低速下的负荷极限(Load limit)。表中数 据说明5wtPTW-PTFE的负荷极限高于纯PTFE的。根据粘附机理pI，当钢球表面以一定的载 荷作用在PTFE表面时，会在实际接触面上形成粘附点来支承载荷。实际接触面积的大小和粘附 点的多少取决于承载材料的力学强度，力学强度大的材料只需较小的实际接触面和较少的粘附点 就可支持载荷而不再变形。由于PTW的力学强度远比PTFE高，所以它的加入自然会提高复合 材料的负荷极限。表2 5wtPTWPTFE和纯PTFE在250时的负荷极限322滑行速度极限表3所列为5wtPTWPTFE和纯PTFE在环境温度为25、载荷为50N时的滑行速度极限(Speed1imit)。由表可见，5wtPTWPTFE的滑行速度极限也明显高于纯PTFE的。表3 5wtPTWPTFE和纯PTFE在25、50N载荷下的滑行速度极限2003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集南京20035PTFE滑行速度极限的形成是因为：高速滑动加剧了PTFE表面的龟裂和裂纹的扩展，在破 坏PTFE表面光滑度的同时”l。造成磨损加剧。产生的转移膜粘附在钢球表面，进一步与新的下 试样表面摩擦。由于转移膜的表面不如钢球表面光滑，加上磨损过程中钢球的往复运动使对磨面 不断扩大，这两者都会导致对磨面上粘附点的增加，引起“的进一步增加，从而引起更加严重的 磨损，直到p失稳。在p失稳前一瞬的滑行速度值便是滑行速度极限。PTw加入PTFE后，抑制了龟裂的扩张，改善了次表面的抗疲劳能力”J，使材料的耐高速能力得到很大增强。3 3温度对摩擦磨损性能的影响表4为高温(200)对材料磨损量的影响；当待测试样的环境温度从常温升至200。C时， 无论是PTFE还是PTW PTFE的磨损量均有很大下降。其原因主要是，高温使得PTFE越过了它的 玻璃化温度(120C)。在高于玻璃化温度的条件下，PTFE分子的柔性和分子间的作用都显著增 强，PTFE在摩擦过程中不再像常温下那样易于发生表层的龟裂(龟裂由分子问滑动引起)，材料 的磨损速率因此明显减小。在PTWPTFE中，PTW的熔点高达1300，因此200对PTW的力 学强度没有损害，这使得PTWPTFE也与纯PTFE一样，表现出在200C下低于常温的磨损量。表4待测试样环境温度对磨损性能的影响No Composite环境温度负荷 频率，s1冲捌mm 滑行速度rams。1磨损量NmglPTFE25 50 102 40752 PTFE200 50 102 4037310wtPTWPTFE25 200 lO2 40194 10wtPTW-PTFE200 200 102 4014图2为10wtPTW-PTFE的p随环境温度阶梯增加而变化的曲线。图中显示。在环境温度 从常温梯增到240C的过程中，p值仅有o015左右的升幅。而当温度超过280C以后，p值迅速 上升。此中原因是由于在后一种情况下，材料表面的温度已升至PTFE的熔点(320C)，表面迅 速热软化，导致对磨面的接触压力剧减，接触面积剧增，生成可观的粘着接点，从而引起IL值的 激增”。一一coo一#oo一一一m竺 竺昱生墓三一一 一一m吖，一岁奴co；uc止。一Umin图2 10wtPTW-PTFE的随环境温度的阶梯增加而变化的关系曲线!壁塑生婆蒸宣星鱼堑塾型堂垫查皇兰塑堂查堑亟垒量塞叁 童室!竺!i：14结论钛酸钾晶须(PTW)填充PTFE后，在稳态摩擦条件下，材料的磨损量可降至纯PTFE的110 左右，最小磨损量出现在填充剂含量为5wt时。PTW的加入没有明显提高材料的摩擦系数， 同时却使得材料的摩擦系数在摩擦过程中更为稳定。2PTW填充PTFE后，材料的负荷极限提高10，而滑行速度极限则提高60。3PTWPTFE在200C下的耐磨性优于其在常温下的耐磨性。参考文献1、8isS KVijayanKalyi(Dep Mech Eng。Indian Inst 8ciBangaloreIndia)Friction and Tear of PTFEevlei-Wear158(12)，19321l(English)19922、冯新，吕家桢陆小华。暴宁钟陈拣粱，钍酸钾晶须在复合材料中的应用，复合材料学报199916(4)：卜73、xue0llnji。ZhaoZhu Zhang and WeiMin Liu et a1Friction and wear characterist