第21卷第2期高分子材料科学与工程Vo l.21,N o.2 2005年3月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING M ar.2005 PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能X张招柱,曹佩弦,王 坤,刘维民(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:利用M M-200型磨损试验机,对不同填料填充PT FE复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。
研究发现,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,但其对P T FE复合材料性能的影响差别较大。
聚苯脂填充P T F E复合材料虽然具有良好的摩擦磨损性能,但是其拉伸强度较小。
P I增大了PT FE复合材料的摩擦系数,随着P I含量的增加,P T F E复合材料的拉伸强度增大,而其伸长率则减小。
CdO填充P T F E复合材料虽具有良好的摩擦性能,但其伸长率较大。
淬火处理使PT FE复合材料的结晶度下降,从而导致P T F E复合材料的硬度减小、耐磨性变差。
关键词:P T F E复合材料;摩擦磨损;力学性能中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2005)02-0189-04 聚四氟乙烯(PTFE)是一种优异的固体润滑材料,它具有低的摩擦系数和良好的化学稳定性及热稳定性,但PT FE的耐磨性较差。
目前,人们已用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了大量的研究[1～4],但是淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能影响的研究尚未见有详细报道。
本文着重采用聚酰亚胺、聚苯脂、CdO、Cu粉、玻璃纤维及炭纤维等对PTFE进行填充改性,利用MM-200型磨损试验机对PT FE复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。
1 实验部分将Cu粉、Pb粉、CdO粉、石墨(Gr)、玻璃纤维(GF)、炭纤维(CF)、聚酰亚胺(PI)、聚苯脂(Ekonol)等(粒度小于76L m)以一定的体积比添加到PT FE粉末(粒度39L m)中,混合均匀后冷压成型,然后在空气中自由烧结,其中部分样品作淬火处理。
样品尺寸为30m m×7mm ×6mm,对偶为直径40m m的45#钢环,样品及45#钢环表面均用900#水砂纸抛光打磨。
在室温、干摩擦条件下,利用M M-200型磨损试验机对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了评价。
在每次试验前,将样品及对偶表面用丙酮棉球擦洗干净,并在空气中晾干。
本试验所选用的负荷为200N,速度为0.42m/s,摩擦磨损试验时间均为120min。
磨损量以试验后样品表面的磨痕宽度计。
通过测量摩擦力矩,进而计算出摩擦系数,摩擦系数取后60m in内的平均值。
硬度测定在布洛维显微硬度计上进行。
拉伸性能在LJ500型拉力试验机上进行,试样尺寸按GB/T1040-92规定,采用I型试样。
2 结果与讨论T ab.1给出了PT FE复合材料的摩擦磨损及力学性能测试结果。
可以看出,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,极大地提高PTFE复合材料的耐磨性。
同时,填料的加入均在不同程度上提高了PT FE复合材料的硬度,但却降低了PT FE复合材料的拉伸强度(5#样品除外)和伸长率。
在本试验所选用X收稿日期:2003-06-03;修订日期:2003-08-08 作者简介:张招柱(1965-),男,博士,研究员. E-mail:zz zhang@的填料中,聚苯脂具有良好的减磨效果,从而使聚苯脂填充的两种PT FE 复合材料(2#和3#样品)具有良好的耐磨性,但是这两种PTFE 复合材料的拉伸强度较小。
而CdO 则降低了PT FE 复合材料的摩擦系数,从而使CdO 填充的两种PT FE 复合材料(7#和8#样品)具有良好的摩擦性能,但是这两种PT FE 复合材料的耐磨性较差。
炭纤维和石墨填充PT FE 复合材料(13#样品)的摩擦磨损性能虽然较差,但是其拉伸强度和伸长率则较大。
而Cu 粉和炭纤维填充的PTFE 复合材料(5#样品)的综合摩擦、磨损及力学性能则较好。
Fig.1～Fig.4分别给出了PI 的添加量对PTFE 复合材料的摩擦系数、磨痕宽度、伸长率和拉伸强度的影响。
由Fig .1可以看出,PI 填充增大了PTFE 复合材料的摩擦系数,而且Tab .1 Properties of the PTFE compositesNo .of sam ple PTFE compos itesFriction coefficientW idth of w ear scar (mm )T ens ile s trength (M Pa )Tension rate (%)Hardness (HB )1#PT FE0.1815.623.162154.32#PT FE +Ekonol 0.18 2.9310.04 6.33#PT FE +Ekonol +PI 0.19 2.8914.36 6.44#PT FE +Cu +Glass fiber 0.20 3.5120.0576 5.55#PT FE +Cu +C arbon fiber 0.18 3.1032.30104 6.56#PT FE +Cu +Pb +Graphite 0.19 3.2717.8428 5.77#PT FE +CdO0.16 3.6714.96161 5.08#PT FE +CdO +Carbon fiber 0.16 5.9919.72104 5.99#PT FE +30(v )%PI 0.21 3.4914.6062 5.410#PT FE +40(v )%PI 0.25 3.5115.95307.011#PT FE +50(v)%PI 0.23 3.4217.64217.312#PT FE +60(v)%PI0.27 3.4521.91187.113#PT FE +Graph ite +Carbon fiber0.274.1721.641265.4190高分子材料科学与工程2005年 PT FE 复合材料的摩擦系数基本上随着PI 含量的增加而增大。
Fig .2的结果表明,PI 填充大大降低了PTFE 复合材料的磨损;但在本试验的PI 添加量范围内,随着PI 含量的进一步增大,PI 含量的增加对PT FE 复合材料的耐磨性影响不大。
Fig .3的结果表明,PI 填充PT FE 复合材料的伸长率基本上随着PI 含量的增加而减小。
Fig.4的结果则表明,PI 填充PT FE 复合材料的拉伸强度先随PI 添加量的增加而减小,然后又随PI 添加量(30%～60%)的增加而增大。
Fig .5 Variations of friction coefficients (L )with load forEkonol filled PTFEcompositesFig .6 Variation of the width of wear scar with load forEkonol filled PTFE composites Fig.5和Fig.6分别给出了聚苯脂填充PT FE 复合材料(2#样品)的摩擦系数及磨痕宽度随负荷的变化曲线。
可以看出,聚苯脂填充PT FE 复合材料(2#样品)的磨痕宽度随负荷的增大而增大,但其摩擦系数却随负荷的增大而减小。
Tab .2给出了纯PT FE 在自由冷却和淬火处理两种不同工艺条件下拉伸强度和伸长率的测试结果。
可以看出,淬火处理对PT FE 的拉伸强度影响不大,但却增大了PTFE 的伸长率。
X 射线衍射(XRD)分析结果表明,经淬火处理的PT FE 样品的结晶度低于自由冷却的PTFE 样品的结晶度。
所以,PT FE 材料结晶度的大小对其拉伸强度的影响不大,而伸长率则随结晶度的降低而增大。
Tab .2 Ef fects of quench on the tensilestrength and tension rate of PTFETensile strength (MPa )F ree cooling Water quenchT ensi o n rat e (%)F ree c o olingWa ter quench18.5918.57257286Fig .7 Ef fect of quench on the friction coefficients (L )ofPTFE composites□:free cooling ;■:w ater quench .Fig .8 Effect of quench on the width of wear scar of PTFEcomposites□:free cooling;■:w ater quench.Fig .9 Eff ect of quench on the hardness of PTFE composites□:free cooling;■:w ater qu ench.Fig .7～Fig .9分别给出了淬火处理对PTFE 复合材料的摩擦系数、磨痕宽度及硬度的影响。
Fig.7的结果表明,淬火处理使PT FE +30(v )%PI 复合材料的摩擦系数明显增大,但对其它几种PTFE 复合材料的摩擦系数则影响不大。
Fig.8的结果表明,除聚苯脂填充PTFE 复合材料(2#样品)外,淬火处理使其它几种PT FE 复合材料的磨损增大,耐磨性降低。
而Fig.9的结果则表明,淬火处理均在不同191 第2期张招柱等:PTFE 复合材料的摩擦学性能及力学性能程度上降低了PTFE复合材料的硬度。
综合T ab.2及Fig.7～Fig.9的结果可以看出,淬火处理使PT FE复合材料的结晶度降低,从而导致其硬度减小,伸长率和磨损增大(聚苯脂填充PTFE复合材料的耐磨性除外)。
淬火处理使PTFE+30(v)%PI复合材料的摩擦系数明显增大,但对其它几种PTFE复合材料的摩擦系数则影响不大。
所以,淬火处理不利于PT FE复合材料综合性能的改善。
参考文献:[1] T anaka K,in Friction an d W ear of Polymer C om pos-ites.Friedrich K.(ed).Ams terdam,Elsevier,1986:137～174.[2] Bahadur S,Tabor D.Wear,1984,98:1～13.[3] Lancas ter J K.J.Phys.(D),1968,1:549～559.[4] 张招柱(ZH ANG Zhao-zhu),薛群基(XUE Qun-ji),刘维民(LIU W ei-min),等.摩擦学学报(T ribology),1997,17(1):45～52.STUDY ON TRIBOLOGICAL AND MECHANICALPROPERTIES OF PTFE COMPOSITESZHANG Zhao-zhu,CAO Pei-xian,WANG Kun,LIU Wei-min(State K ey L abor atory o f S olid L ubrication,L anz hou Institute o f ChemicalP hy sics,Chinese Academy of Sciences,L anz hou730000,China)ABSTRACT:T he friction and wear properties of PT FE composites filled w ith different filler s w er e studied by using an M M-200w ear tester,then the effects of w ater quench treatm ent on the tribo logical and m echanical proper ties o f the PTFE com posites w ere investigated.Ex perimental results show that the w ear of the PTFE co mpo sites can be gr eatly reduced by the filler s,but the effects of fillers on the pr operties of PTFE co mposites are differ ent.T he PTFE composites filled w ith Ekonol have excellent frictio n and w ear properties,but its tensile strength is low.The filler of PI in PT FE increases the friction co efficients of the PTFE com posites.With the increase of the co ntent o f PI in PTFE,the tensile streng th o f the PT FE composites incr eases,but its tension rate decreases.T he PT FE co mpo sites filled w ith CdO hav e excellent frictio n pr operties,but its tension rate is hig h.Water quench treatment reduces the crystalline density of the PT FE co mpo s-ites,and this leads to the decrease of the har dness and anti-w ear properties of the PTFE co mpo s-ites.Keywords:PTFE co mposites;frictio n and w ear;m echanical pro perties192高分子材料科学与工程2005年 。