丁建華，王亞強，張光宇，祖大磊,2

( 1.洛陽礦山機械工程設計研究院 破碎篩分機械研究所，河南 洛陽 471039；2.燕山大學 極端條件下機械結構與材料科學國防重點學科實驗室，河北 秦皇島 066004)

織物型自潤滑襯墊主要應用于航空自潤滑關節(jié)軸承，其摩擦磨損性能對自潤滑關節(jié)軸承的性能和壽命起著決定性作用[1-2]。文獻[1，3]在襯墊的結構、摩擦對偶面材料和工況條件等方面對襯墊摩擦學性能的影響進行了大量的研究。但是，隨著航空領域的發(fā)展，對自潤滑襯墊的性能要求越來越苛刻，這就要求研究高性能自潤滑襯墊[4]。

織物型自潤滑襯墊本質(zhì)上是一種纖維織物增強型聚合物基復合材料，其制造過程主要由織物的編織、浸漬樹脂和烘干3個過程組成。在織物的編織時，一般選用聚四氟乙烯(PTFE)纖維為潤滑材料，選用芳綸、玻璃纖維、聚酯和碳纖維等其中的一種或幾種作為增強材料；織物浸漬選用的樹脂主要有酚醛樹脂、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂等，浸漬樹脂中還需要添加一些減摩耐磨顆粒。

織物型自潤滑襯墊的摩擦磨損性能受到多種因素影響，其中制備襯墊的材料種類及其在襯墊中所占比例對襯墊的摩擦磨損性能有著重要的影響。下文研究了含有納米顆粒的織物型自潤滑襯墊的摩擦磨損性能，討論了樹脂含量及納米顆粒對自潤滑襯墊摩擦學性能的影響機理。由于試驗中所用增強織物是一致的，因此，可以用襯墊的不同面密度來表征襯墊中不同的基體樹脂含量，即面密度為347，472，617 g/m2。

1 試驗

1.1 試驗材料

Kevlar/PTFE織物是機織斜紋結構，選用Kevlar纖維作為增強纖維，PTFE纖維作為潤滑纖維。浸漬樹脂為某化工廠生產(chǎn)的酚醛樹脂(鐵錨204)，室溫剪切強度不低于15 MPa，在200 ℃條件下不低于6 MPa。選用的納米氧化鈦和納米氧化鋁平均粒徑為30 nm，在JEM-2010型透射電子顯微鏡(TEM)下的圖像如圖1所示。從圖上可以看出，添加的納米顆粒形狀為球狀，有團聚現(xiàn)象。納米膨脹石墨為實驗室自制。磨損試驗所選用的上試樣底材和下試樣均為45#鋼。

圖1 納米顆粒TEM圖

1.2 襯墊及試樣制備

將基體樹脂質(zhì)量1%的納米顆粒加入到一定量的浸漬樹脂的稀釋劑中(無水乙醇∶乙酸乙酯=1∶1)，超聲波振蕩均勻分散。將含有分散好納米顆粒的稀釋劑倒入一定量的浸漬樹脂中，磁力攪拌2h，超聲波振蕩1 h，使納米顆粒在樹脂中均勻分散。

Kevlar/PTFE織物經(jīng)過處理(丙酮溶液中浸泡12 h，再蒸餾水煮沸15 min，最后用烘箱在110 ℃下烘干5 h)后，將織物放入配置好的浸漬樹脂中浸漬，超聲波振蕩2 h。將浸漬好的織物放入烘箱中，在110 ℃條件下烘干2 h。將制備好的襯墊進行剪裁，使用酚醛樹脂將剪裁好的襯墊試樣粘貼在底材上，在壓力為0.1 MPa，溫度為180 ℃的條件下固化2 h，即制備出磨損試驗試樣。

1.3 摩擦磨損試驗

襯墊的摩擦磨損試驗在MM-200摩擦磨損試驗機上進行。試驗條件為：速度0.942 m/s，室溫，載荷1 000 N，試驗時間9 h。在試驗過程中，摩擦系數(shù)由記錄軟件記錄。為了降低試驗數(shù)據(jù)的離散型，同一條件下做5組試驗，然后取平均值。試驗開始時，上、下試樣之間形成線接觸，試驗結束后，襯墊的磨損表面為一弧面磨痕。因此，用游標卡尺測量襯墊磨痕的寬度b，測量3個位置，取平均值。應用(1)式和(2)式計算襯墊的磨損率K。

(1)

(2)

式中：R為下試環(huán)的半徑，mm；P為施加載荷，N；B為襯墊的寬度，mm；L為試驗過程中摩擦滑動距離，m。

1.4 磨損表面微觀結構分析

通過電子掃描顯微鏡(KYKY-2800， HITACHI S-4800)對襯墊和磨損對偶面的磨損表面進行了觀測。在觀測前，為了使觀測試樣導電，在襯墊觀測面做噴金處理。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2表明了當基體樹脂中沒有添加納米顆粒時，不同面密度襯墊的摩擦系數(shù)隨著試驗時間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖2 不同面密度襯墊(未添加納米顆粒)的摩擦系數(shù)隨時間變化情況

(1)隨著襯墊中基體樹脂含量的增大，摩擦系數(shù)呈下降趨勢。這說明，由于壓縮力和摩擦剪力的作用，在襯墊磨損表面形成一層潤滑覆蓋層，基體樹脂含量的增大有利于降低覆蓋層的摩擦系數(shù)。

(2)當襯墊面密度為347 g/m2和617 g/m2時，摩擦系數(shù)相對較為穩(wěn)定；但面密度為472 g/m2時，摩擦系數(shù)出現(xiàn)了上升階段(標示A)。面密度為347 g/m2襯墊基體樹脂含量相對較少，襯墊表面和內(nèi)部的基體樹脂含量差別不大，襯墊磨損表面的潤滑覆蓋層成分比例相對穩(wěn)定，這可能使得襯墊摩擦系數(shù)比較恒定。面密度為617 g/m2襯墊基體樹脂含量相對較多，襯墊磨損表面的潤滑覆蓋層由大量基體樹脂和少量PTFE斷裂纖維組成，由于襯墊表面基體樹脂層較厚，在試驗時間內(nèi)潤滑覆蓋層組成變化不大，這使得襯墊摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定。面密度為472 g/m2襯墊表面基體樹脂較為適中，試驗過程中，襯墊磨損表面潤滑覆蓋層開始由較多基體樹脂和斷裂纖維組成，此時狀態(tài)接近于面密度為617 g/m2襯墊摩擦狀態(tài)；隨著磨損增加，潤滑覆蓋層不斷被消耗，磨損深度增大，導致潤滑覆蓋層中的基體樹脂減少，又逐漸趨向于面密度為347 g/m2襯墊摩擦狀態(tài)，因此，出現(xiàn)了摩擦系數(shù)的上升階段。

圖3表明了當基體樹脂中添加有1%納米氧化鋁顆粒時，不同面密度襯墊摩擦系數(shù)隨著試驗時間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同面密度襯墊(添加納米氧化鋁)的摩擦系數(shù)隨時間變化情況

(1)面密度為347 g/m2襯墊試驗過程中摩擦系數(shù)相對平穩(wěn)，整個過程呈下降趨勢，這可能是由于襯墊內(nèi)部納米氧化鋁的顆粒濃度較表層小，而且氧化鋁團聚大顆粒不易進入浸漬到織物內(nèi)部，隨著覆蓋層的形成和消耗，磨損深度逐漸增大，襯墊磨損表面的潤滑覆蓋層含有的納米氧化鋁顆粒減少。

(2)對于面密度為472 g/m2和617 g/m2襯墊，試驗過程中摩擦系數(shù)短時間內(nèi)波動較大，特別是階段A摩擦系數(shù)波動較大，這可能是由于納米氧化鋁顆粒在襯墊表面基體樹脂中更易團聚，大的團聚顆粒能夠存在于襯墊表面基體樹脂中，這使得襯墊摩擦過程中團聚顆粒和摩擦對偶面相互作用，導致摩擦系數(shù)波動較大。對于階段B，襯墊磨損深度較大，但面密度為472 g/m2和617 g/m2襯墊的摩擦系數(shù)較面密度為347 g/m2襯墊摩擦系數(shù)波動大，這可能是由于在階段A，納米氧化鋁對摩擦對偶面產(chǎn)生的損傷所致。

圖4和圖5分別表明了添加有1%納米氧化鈦和1%膨脹石墨下不同面密度自潤滑襯墊的摩擦系數(shù)隨時間的變化情況。與添加納米氧化鋁相同，隨著基體樹脂含量的增大，襯墊的摩擦系數(shù)減?。划斠r墊基體樹脂含量較大時(472 g/m2和617 g/m2)，添加有納米氧化鈦和膨脹石墨襯墊的摩擦系數(shù)較添加納米氧化鋁時更為穩(wěn)定。而基體樹脂含量的不同對襯墊摩擦過程中磨合時間的影響不大。

圖4 不同面密度襯墊(添加納米氧化鈦)的摩擦系數(shù)隨時間變化情況

圖5 不同面密度襯墊(添加膨脹石墨)的摩擦系數(shù)隨時間變化情況

圖6為分別添加有納米氧化鋁、納米氧化鈦和納米膨脹石墨，不同面密度的自潤滑襯墊的磨損率。從圖中可以看出：

圖6 不同面密度襯墊的磨損率

(1)除了添加有膨化石墨的襯墊外，襯墊的磨損率隨著面密度的增大而增大。這說明隨著襯墊中基體樹脂含量的增大，尤其是襯墊表面樹脂覆蓋層的增厚，襯墊的抗磨性能減弱，這是由于隨著基體樹脂含量的增大，增強織物的作用會弱化，尤其是在襯墊表面樹脂覆蓋層沒有纖維織物時，會導致襯墊的抗磨性能下降，另一方面可能是由于基體樹脂含量的增大，襯墊壓縮彈性模量減少，使襯墊的磨損率增大。

(2)在不同面密度條件下，納米氧化鋁和納米氧化鈦的添加對提高襯墊的抗磨性能有著明顯的效果，納米膨脹石墨的添加則使得襯墊的抗磨性能降低。對于分別添加有納米氧化鈦和納米氧化鋁的襯墊，在面密度為472 g/m2時襯墊的磨損率較面密度為347 g/m2時有所增大，但增大程度不明顯。

2.2 襯墊磨損表面微觀結構

圖7顯示了添加1%納米氧化鈦的不同面密度襯墊的磨損表面微觀形貌。從圖中可以看出：

(1)圖7a中，面密度為347 g/m2襯墊的磨損表面芳綸纖維完全裸露，這說明，此時芳綸纖維是襯墊潤滑覆蓋層的主要組成，完全參與摩擦磨損過程。

(2)圖7b中，面密度為617 g/m2襯墊的磨損表面芳綸纖維磨損程度低于面密度為347 g/m2襯墊。襯墊表面仍然覆蓋有一層樹脂覆蓋層，對襯墊磨損表面起到保護作用。

圖7 不同面密度襯墊磨損表面SEM圖像

3 結論

(1)自潤滑襯墊中基體樹脂的含量對襯墊的摩擦磨損性能有重要的影響, 存在一個較優(yōu)的基體樹脂含量范圍，在此范圍內(nèi)，自潤滑襯墊的摩擦系數(shù)和磨損率較低，綜合摩擦學性能較優(yōu)。

(2)當添加有納米顆粒時，隨著基體樹脂含量的增大，納米顆粒在基體樹脂中團聚現(xiàn)象也趨于嚴重，這也導致了襯墊摩擦系數(shù)波動較大。添加納米顆粒的性質(zhì)對摩擦系數(shù)也有一定的影響，添加有納米氧化鈦襯墊的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，納米氧化鈦和納米氧化鋁的添加對襯墊抗磨性能改善也較為明顯。

(3)納米添加顆粒通過對襯墊磨損表面的影響，特別是對磨損表面潤滑覆蓋層的影響，對自潤滑襯墊的摩擦磨損性能產(chǎn)生影響。在襯墊摩擦磨損過程中，隨著襯墊的磨損消耗，會導致襯墊摩擦性能發(fā)生階段性變化。