碳纤维玻璃复合材料的摩擦磨损性能

碳纤维玻璃复合材料的摩擦磨损性能

cf和gf对复合材料磨损性能的影响本研究中，采用氯化钠溶液、水、油、油、干摩擦四种性能，if和gf对重构后聚氟复合材料的摩擦磨损性能的影响。利用SEM观察了不同介质中磨损面和对摩面的形貌,并探讨了其磨损机理,为PTFE复合材料在不同介质中的应用提供依据。1实验部分1.1cf与gf的制备PTFE粉:平均粒径25μm,DuPont产;短碳纤维:平均直径9μm,平均长度90μm,市购;玻纤:平均直径8μm,平均长度30μm,南京玻纤院。本文所用润滑剂为10%(质量)氢氧化钠溶液、去离子水和LDAB-150压缩机润滑油。将CF和GF分别以5%、10%、15%、20%、25%(质量)加到PTFE粉末中,机械搅拌混合均匀,经冷压(70MPa,保压5min),高温炉中(380℃,保温4h)烧结并缓慢冷却至室温。加工后的样品和不锈钢对偶面在实验前用800#金相砂纸打磨到Ra≈0.2μm。1.2测试方法采用MPX-2000型磨损试验机双环端面接触形式,在室温25℃,相对湿度50%～55%,考察不同润滑条件下PTFE复合材料的摩擦磨损性能。摩擦过程中润滑剂保持流动置换,温度保持在35～40℃,这样消除了过大温差造成的黏度变化。实验条件:载荷200N,滑动速度1.4m·s-1,实验周期120min。试样在测试前后分别丙酮超声清洗干净,放入烘箱135℃干燥8h。磨损量用精度0.1mg电子天平称量,磨损率的计算为:w=m/(ρNL)其中,w为磨损率,cm3·N-1·m-1;m为磨损失重,g;ρ为复合材料密度,g·cm-3;N为载荷,N;L为滑行距离,m。摩擦系数取后60min内的平均值。本文实验结果均取3次的平均值。利用QUANTA-200型扫描电子显微镜(SEM)分析磨损面和对偶面形貌。2结果与讨论2.1碱液和gf含量对复合材料摩擦系数的影响图1～图4是干、碱、水和油4种不同介质中,CF/PTFE和GF/PTFE复合材料摩擦系数和磨损率随着填料含量的变化关系。由图1、图2可以看出,CF/PTFE复合材料在4种不同润滑条件下的摩擦系数关系是μ干>μ水或油>μ碱,对GF/PTFE来说则是μ干>μ油>μ水>μ碱,均是干摩擦时摩擦系数最大,碱液中最小且随着含量的增加变化很小。干摩擦时,随着含量的增加,CF/PTFE摩擦系数先明显降低,后趋于稳定,而GF/PTFE呈逐渐增加之势,与文献结果一致。在油中,CF含量≤15%时,CF/PTFE摩擦系数基本保持在0.08,之后降到0.043,而GF/PTFE基本保持在0.08。在水润滑中,随着CF和GF含量的增加,复合材料摩擦系数呈先降低后增加。由图3、图4可以看出,水润滑时复合材料磨损率最大,干摩擦次之,碱液和油中磨损率较小。干摩擦时CF和GF均能明显降低纯PTFE的磨损率(本文测得纯PTFE磨损率为286.5×10-9cm3·N-1·m-1),且CF减磨效果好于GF。在碱液中,CF/PTFE的磨损率随着CF含量的增加而减小,而GF/PTFE磨损率呈增加趋势,当GF>15%后磨损率超过干摩擦,且增加较快。在油润滑中,增加含量对复合材料的磨损率影响很小。水润滑时PTFE复合材料的磨损率明显增大,是干摩擦时2.5～4倍,且随着填料含量的增加变化较大。2.2磨损表面特征图5、图6给出了不同介质中15%CF/PTFE和15%GF/PTFE复合材料在SEM下观测到的磨损表面形貌。由图5可以看出,干摩擦时,许多碳纤维裸露在磨损面上,减少了基体PTFE与对摩面直接接触,阻止了PTFE带状结构的破坏,同时在复合材料中CF起到了“骨架”作用,提高了PTFE承载能力和耐磨性[图5(a)]。而水润滑时,磨损面上明显存在大量的磨屑和许多被磨损、碎断的CF,表现出疲劳和磨粒磨损特征[图5(b)]。碱液中,磨损面上平整光滑,摩擦表面上未见CF裸露,也没有明显犁削痕迹,只有轻微的黏着迹象[图5(c)]。油中,磨损面也有微小痕迹[图5(d)]。由图6可看出,干摩擦时15%GF/PTFE的磨损表面粗糙,明显存在着黏着、犁削痕迹,磨损程度重[图6(a)]。而水中,磨损面有很多磨碎的粒子及磨屑嵌入表面层,同时还有部分犁沟[图6(b)]。碱液中,许多GF及粒子嵌入磨损面,同时GF和PTFE之间存在着裂纹缺陷[图6(c)]。油中,磨损面微观有点粗糙[图6(d)]。2.3摩面织物的磨损形貌图7、图8分别显示了4种不同条件下15%CF/PTFE和15%GF/PTFE试样的对偶面SEM照片。未磨前,对摩面上可见许多纵横交错的打磨后的微观条纹[图7(e)]。干摩擦时对摩面上明显形成了一层转移膜[图7(a)],打磨的条纹消失。在较高的摩擦热和摩擦力作用下摩擦表面PTFE大分子链滑移或断裂从而转移到对摩面形成一层转移膜。而在水润滑下,对摩面上存在较多的犁痕和磨屑,未见明显的转移膜[图7(b)]。碱液中,对摩面上虽未形成转移膜,但是很平整[图7(c)]。油中也未见明显转移膜,但是总体比较平整[图7(d)]。根据对摩面转移膜和磨损表面形貌的分析,不难理解,CF/PTFE复合材料在碱液润滑条件下具有很好的耐磨性能;干摩擦次之;而水润滑下CF/PTFE摩擦磨损性能较差。由图8可以看出,对于GF增强PTFE复合材料,干摩擦时对摩面上存在较多的犁沟和黏着的痕迹[图8(a)],这与磨损面粗糙、黏着、犁痕严重结果相一致;水中,对摩面上出现许多的小凹坑,表面高低不平,未见明显转移膜[图8(b)];碱液中,对偶面平整光滑[图8(c)];油中,对摩面上存在一些微小划痕[图8(d)]。可见,对摩面和磨损面的分析结果相一致,也与摩擦实验的磨损率结果一致。2.4磨损性能和耐碱性能分析认为,不同条件下PTFE复合材料磨损机理有所差别导致摩擦磨损性能的变化。纯PTFE大分子链结构在摩擦过程中容易发生滑移或断裂,被拉出结晶区并转移,因而磨损较重。随着CF和GF加入,提高了PTFE的承载能力,同时纤维减少了PTFE与对偶面直接接触,从而改善了复合材料的摩擦磨损性能。干摩擦时,在载荷和摩擦热的作用下,摩擦面易发生塑性变形、流动和转移,导致磨损率偏大(见图3、图4)。转移膜有助于降低摩擦系数和磨损率。碳纤维在摩擦表面碎断后经反复碾磨形成石墨微晶,这种石墨微晶有利于形成转移膜;而碎断的硬质玻纤作为磨粒加剧磨损,同时对对摩面的损伤也较重。所以干摩擦时CF比GF填充PTFE效果好(见图3、图4)。这也是不同含量CF和GF增强四氟复合材料摩擦磨损性能变化的原因。在水中,水的边界润滑和冷却作用使得复合材料摩擦系数降低,摩擦面的热变形和塑性流动有所减轻。摩擦过程中,水分子膜阻止了对偶面转移膜的形成,水分子的渗透降低了填料和基体的界面粘接强度,填料容易从基体脱落和碎断变成磨粒。特别是对于亲水性填料,将更为严重。因而,与干摩擦相比,尽管摩擦系数有所降低,但是磨损率明显增加(见图3、图4)。CF/PTFE和GF/PTFE都具有一定的耐碱性能(实验发现相同条件下15%GF/PTFE试验环的腐蚀速率仅为磨损速率的十二分之一,较短时间内碱液渗透腐蚀作用不明显)。在碱液中,由于碱液的冷却和强的黏滑作用以及碱液的冲刷和润滑,摩擦系数低;磨损面上磨屑和粒子少,磨粒磨损降低,磨损面和对偶面平整光滑。本实验条件下碱液的黏度为水的1.5倍,边界层厚度明显增加,碱液润滑保护起到主导作用。同时,碱液黏度高于水,渗透作用小于水。因此,PTFE复合材料在碱液中具有很低的摩擦系数和磨损率。只是GF含量高时,硬质点增多,造成磨粒磨损加大(见图4),腐蚀的速率增加。在油中,油不仅有冷却作用,复合材料摩擦表面吸收油分子形成一层油膜,起到润滑和隔离保护作用,同时,油的存在填充了摩擦面上微区凹凸不平的地方,降低了单位面积上的压力。因而相对于干摩擦,在油中复合材料也具有很低的摩擦系数和磨损率(见图3、图4)。由于油的黏度比碱液和水高,摩擦环旋转受到的阻滞力也比较大,因而油中摩擦系数高于碱液和水。3干和gf纳米复合材料(1)干、碱、水、油4种介质中,CF和GF填充PTFE复合材料的摩擦系数关系是μ干>μ水或油>μ碱,磨损率是W水>W干>W碱或油。水、碱液和油3种介质都不同程度地阻止了转移膜的形成。(2)碱液良好的冷却与强的黏滑作用,使得CF和GF填充PTFE在其中具有很低的摩擦系数和磨损率。只是GF含量高时磨损率会增大。(3)干摩擦时,CF和GF均能显著降低PTFE的磨损率,且碳纤维增强减磨效果好于玻纤。油中,油的冷却和润滑作用,使得PTFE复合材料在其中具有很低的摩擦系数和磨损率。水润滑时,水不仅阻止了转移膜的形成,而且降低了填料和基体的界面粘接强度,犁削和磨粒磨损加剧。聚四氟乙烯(PTFE)比一般塑料具有更高的耐温耐蚀性。随着PTFE应用领域不断拓宽,常常被用在酸碱性、水或油等介质中。虽然纯PTFE能够满足多种介质的要求,且自润滑性较好,但是纯PTFE承载能力低,耐磨性差,易发生蠕变。目前,