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1、 鈦酸鉀晶須增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)制的研究 2009年1月 第34卷第1期 潤滑與密封 LUBRICATIONENGINEERING Jan.2009 Vo1.34No.1 鈦酸鉀晶須增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)制的研究 史以俊何明顧曉利羅振揚(yáng)馮新陸小華 (1.南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)與材料系江蘇南京210037;2.南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210009) 摘要:研究了鈦酸鉀晶須(哪)對聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響,并與碳纖維(cr) 和玻璃纖維(GF)的填充效果進(jìn)行了比較.結(jié)果表明:加入唧后,PrrFE的硬度,

2、沖擊強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度, 壓縮強(qiáng)度及耐磨性能比純PTFE的分別約提高了10%,30%,20%,15%,20%和300倍;Prrw/PrrFE的耐磨性能要優(yōu) 于GF/PTFE及CF/PTFE.SEM研究表明:PTW/PTFE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比GF/PTFE及CF/PTFE的均勻致密,具有顯微增強(qiáng)效 果;PTW/PTFE的磨損面比GF/PTFE及CF/PTFE的要平整,其轉(zhuǎn)移膜也較GF/PTFE及CF/PTFE的更為均勻,連續(xù), 致密. 關(guān)鍵詞:鈦酸鉀晶須;聚四氟乙烯;摩擦;磨損;機(jī)制 中圖分類號:TQ174;TH117.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0254—0150(2009)1—05

3、9—4 AStudyontheFrictionandWearMechanismofPotassium TitanateWhiskersFilledPTFEComposites ShiYijunHeMingGuXiaoliLuoZhenyangFengXinLuXiaohua (1.DepartmentofChemistryandMaterialsScience,InstituteofScience,NanjingForestryUniversity,NanjingJiangsu210037,China; 2.StateKeyLaboratoryofMaterials—oriented

4、ChemicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu210009,China) Abstract:Theeffectofpotassiumtitanatewhiskers(m)onthemechanicalandtribologicalpropertiesofP1FEcon? positeswasstudied.Itseffectwascomparedwiththatofcarbonfibersandglassfibers.Resultsindicatethat,incompari— sonwithpurePTF

5、E,thehardness,impactstrength,tensilestrength,bendstrength,pressstrengthandanti—wearproperties oftheFEcompositesincrease10%,30%,20%,15%,20%and300times.SEMstudyshowsthattheinternalstructure 0fPTW/PTFEismorecompactthanthatofGF/PTFEandCF/FFFE.Thewornsurfaceandtransferfilmof唧/FE aremuchbetterthanthose

6、ofGF/PTFEandCF/PTFE. Keywords:potassiumtitanatewhiskers;PTFE;friction;wear;mechanism VFFE是一種最常用的自潤滑材料,其具有摩擦 因數(shù)低,耐高低溫,極優(yōu)異的介電和電絕緣性,化學(xué) 穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能,有著"塑料王"的美譽(yù). 但其蠕變嚴(yán)重,耐磨性差,通常采用玻璃纖維,石 墨,MoS,炭纖維及青銅粉等填充FE進(jìn)行改 性一. 鈦酸鉀晶須(K,O?6TiO,,PotassiumTitanate Whiskers,簡稱PTW)是一種高性能的新型超細(xì)無機(jī) 纖維材料,它具有優(yōu)良的力學(xué)性能,化學(xué)穩(wěn)定性和耐

7、 磨性好,硬度低等特點(diǎn).它的強(qiáng)度超出常用的玻璃 纖維(GlassFibers,簡稱GF),凱夫拉纖維,碳纖維 (CarbonFibers,簡稱cF)等(碳纖維的拉伸強(qiáng)度和 彈性模量分別為3.1,230GPa,而PTIW分別為7, 280GPa),具有許多傳統(tǒng)纖維不可替代的優(yōu)點(diǎn).特別 收稿日期:2008—07—30 作者簡介:史以俊(198O一),男,博士,講師,主要從事聚合 物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究.E-mail:iamyeguiren@ gmail.COff1. 是其尺寸細(xì)微,尤其適合制造形狀復(fù)雜,細(xì)小,精度 好,表面光潔度高的制品". 馮新等近年來在w表面改性,w含

8、量 對PTW/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能,熱性能,摩擦性 能的影響等方面進(jìn)行了一些研究工作,但是對于 PTW/PTFE復(fù)合材料摩擦磨損的機(jī)制還未進(jìn)行深入的 研究.本文作者對比了相同載荷,滑動速度條件下, 同一含量唧,GF,CF填充PTFE復(fù)合材料的摩擦 磨損性能,對偶面轉(zhuǎn)移膜,磨屑以及復(fù)合材料微結(jié)構(gòu) 的差異,從而闡述唧增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦 磨損機(jī)制. 1試驗(yàn)部分 1.1原料及PTW/FFFE復(fù)合材料的制備 PTFE:平均粒徑25m,杜邦公司生產(chǎn);P1w: 自制,平均直徑1I.zm,平均長度30p,m;CF:平均 直徑15m,平均長度90m,市購;GF:平均直徑

9、l0m,平均長度30m,南京玻纖院生產(chǎn).將 PTW,GF,CF按20%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別加到PTFE粉 末中,機(jī)械攪拌混合均勻,冷壓成型,再經(jīng)程序控溫 潤滑與密封第34卷 燒結(jié)制備不同的試驗(yàn)樣品.加工后的樣品和對偶材料 (45鋼)在試驗(yàn)前用800金相砂紙打磨到粗糙度為 R.0.2m,丙酮清洗干燥. 1.2力學(xué)性能測試 試樣在溫度為(232)cI=,相對濕度為50% 5%的條件下進(jìn)行試驗(yàn),測試之前試樣在試驗(yàn)溫度下 放置16h.采用江蘇省江都市明珠試驗(yàn)機(jī)械廠生產(chǎn)的 LX—D型塑料邵氏硬度計,按照GB9342—88有關(guān)規(guī) 定測試材料的硬度,每一數(shù)據(jù)由6個測試點(diǎn)得出.沖 擊試驗(yàn)采

10、用簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)(承德XJJ-5),按 GB/T1043-93測定缺口試樣簡支梁沖擊強(qiáng)度,試樣 尺寸為120mm15mill5mm,缺口形狀選擇矩形 槽.拉伸,彎曲及壓縮性能采用電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī) (SANS,CMT4254)測試,分別根據(jù)GB/T1040-92, GB/T9341-2000及GB/T1041-92,測定試樣的拉伸 強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度,每一數(shù)據(jù)由5個試樣得 出. 1.3摩擦磨損試驗(yàn)及分析評價 利用MPX-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)雙環(huán)形式(河北宣 化),考察相同試驗(yàn)條件下,相同含量唧,GF, CF填充FFFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能.試驗(yàn)條件: 室溫,相對濕

11、度50%～55%,載荷100N,滑動速度 1.4rn/s,試驗(yàn)周期60min.對偶件為45鋼,材料和 對偶件在試驗(yàn)前用900目金相砂紙打磨.正式摩擦測 試前,先進(jìn)行5rain磨合.試樣在測試前后,清洗去 屑,放入烘箱105qC下干燥3h.磨損失重用精度為 0.1mg電子天平稱量,磨損量由磨損失重計算而得, 摩擦因數(shù)由電腦在線采集摩擦力矩經(jīng)計算轉(zhuǎn)換獲得, 取后45min內(nèi)平均值.利用QUANTA-200型掃描電 子顯微鏡(SEM)分析磨損面及對磨面轉(zhuǎn)移膜磨屑 形貌. 2結(jié)果與討論 2.1Prrw對PTFE力學(xué)性能的影響 表1PTFE及唧填充FE的力學(xué)性能 Table1T

12、hemechanicalpropertiesofPTFEandPrW/PTFE 表1是w填充PTFE復(fù)合材料與純PTFE力學(xué) 性能的比較.由表1可以看出,加入唧后PTFE的 各項(xiàng)力學(xué)性能均得到了不同程度的提高.與純PTFE 相比,質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%P1IW的加入使得PTFE硬度, 沖擊強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度分別約提 高了l0%,30%,20%,l5%及2O%. 復(fù)合材料強(qiáng)度的提高,是由于無機(jī)材料的加人, 可以有效地分散材料的應(yīng)力,避免因?yàn)閼?yīng)力集中對材 料的破壞,這在摩擦狀態(tài)下有著明顯的優(yōu)勢.同時, 對于PTFE體系來說,其本身的帶狀結(jié)構(gòu)極易被破 壞,無機(jī)材料特別是

13、纖維狀材料對這種結(jié)構(gòu)的保護(hù)有 著無可比擬的優(yōu)勢.材料的表面硬度的增加,可以有 效地降低摩擦表面在高載荷下的變形程度,同時可以 降低由于材料的互嵌引起的摩擦力. 2.2唧/PTFE,GF/PTFE,CF/PTFE3種體系摩擦 磨損性能的對比 1.PTFE2.PTFE+20%PTW 3.PTFE+20%rF4PTFE+20%CF 圖1唧,GF及CF填充PTn:復(fù)合材料的摩擦因數(shù) Fig1Thefrictioncoefficientof唧.GFandCFfilledPIFE l_PTFE2.PTFE+20%PTW 3.PTFE+20%CF4.PTFE+20%GF 圖2PTW,

14、GF及CF填充P1W復(fù)合材料的磨損體積 Fig2Thewearvolumelossof唧.GFandCFfilledPI GF和CF一直是復(fù)合材料領(lǐng)域優(yōu)異的增強(qiáng)材料, 本文作者研究了其填充PTFE材料的摩擦磨損性能, 并與填充PTFE材料的性能進(jìn)行了比較,結(jié)果 如圖1,2所示.其中GF,CF和w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均 為20%.從圖l中可以看出.,P1w及GF的加入使得 PTFE的摩擦因數(shù)有所增加,這是因?yàn)榧癎F屬 于無機(jī)陶瓷材料,其硬度要遠(yuǎn)高于有機(jī)高分子材料 PTFE,混合填充后增大了PTFE的硬度,從而使得填 充后PTFE的摩擦因數(shù)有所升高.由圖1還可以發(fā) 現(xiàn),與唧及GF相反,

15、cF的加入?yún)s降低了PTFE 的摩擦因數(shù).這是因?yàn)閏F表層具有較好的石墨片層 結(jié)構(gòu),眾所周知石墨就是因?yàn)閾碛写似瑢咏Y(jié)構(gòu)而具有 優(yōu)異的減摩潤滑作用,摩擦?xí)rCF上的這些片層結(jié)構(gòu) 會隨著PTFE一起轉(zhuǎn)移到對磨面,從而降低了PTFE 的摩擦因數(shù). 由圖2可以看出,PTW,GF及CF的加入均使得 62潤滑與密封第34卷 性和連續(xù)性等均對材料的摩擦磨損性能有重要影 響".由圖5可以看出,PTw/FE可以在對磨 面上形成均勻,連續(xù),致密轉(zhuǎn)移膜,而GF/PTFE及 CF/PTFE雖然也能夠形成一定的轉(zhuǎn)移膜,但明顯可 以看出,GF/PTFE及CF/PTFE形成的轉(zhuǎn)移膜要比 PTW/P

16、TFE形成的轉(zhuǎn)移膜粗糙許多,且連續(xù)性不好. 這也說明了為何P阿/PTFE的磨損性能優(yōu)于GF/PT. FE及CF/PTFE. 3結(jié)論 研究了Prw對PTFE復(fù)合材料的力學(xué)及摩擦性 能影響,并與CF,GF的填充進(jìn)行了比較,結(jié)果表 明:w增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的硬度,沖擊強(qiáng)度,拉 伸強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度,壓縮強(qiáng)度及耐磨性能比純PrrFE 的分別約提高了10%,30%,20%,15%,20%和 300倍;PTW/PTFE的耐磨性能要優(yōu)于GF/PTFE及 CF/PTFE;P1w/PTFE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比GF/PTFE及CF/ PTFE的均勻致密,具有顯微增強(qiáng)效果;PTW/PTFE 的磨損面比

17、GF/PTFE及CF/PTFE的要平整,其轉(zhuǎn)移 膜也較GF/PTFE及CF/PTFE的更為均勻,連續(xù),致 密. 參考文獻(xiàn) 【1】唐煒,朱寶亮,劉家浚,等.液晶微纖原位增強(qiáng)PTFE復(fù) 合材料抗磨性能與磨損機(jī)理[J].摩擦學(xué),2000,20 (1):10～13. TangWei,ZhuBaoliang,LiuJiajun,eta1.AnInvestigation oftheAnti..wearBehaviorandWearMechanismsofTLCPin.. situReinforcedPolytetrafluoroethyleneComposite[J].Tribol—

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